潞宁煤业31102工作面示踪气体测漏风技术研究

2019-10-11张伟龙

煤 2019年9期

张伟龙

(潞安集团潞宁煤业公司，山西忻州 036000)

1 工程概况

潞宁煤业31102工作面位于矿井3号煤层胶带下山、轨道下山和总回风下山巷道的西南侧，其顶部为22102工作面和部分22104工作面采空区；煤层最大厚度为1.8 m，最小厚度为1 m，均厚1.6 m，平均倾角13°；煤层赋存稳定，结构简单，一般不含夹矸；直接顶为泥岩，均厚3.3 m，基本顶为砂岩，均厚7.5 m；直接底为泥岩，均厚2 m，基本底为粉砂岩，均厚6 m；采用综合机械化采煤工艺，工作面采用沿空留巷技术，Y型通风，即两条进风巷、一条回风巷。为保证工作面回采过程中通风系统的可靠性，采用示踪气体测量工作面漏风情况，并用数值模拟进行了验证。

2 示踪气体测漏风原理

根据众多矿井风量测量的工程实践可知，风量的测试结果会受到风量取样点位置的影响，另外由于示踪气体在低风速的巷道内存在着混合不均匀的问题，因此有相关学者采用恒定释放法将示踪气体以稳定的速率进行释放，在全区域里保持一个稳定值[1-2]，当该区域内的示踪气体未流失的前提下，则该区域的风量通过下式计算：

(1)

式中：Q为待测风量，m3/min；c为示踪气体的浓度，m3/m3；q为示踪气体的持续释放速率，m3/min。

在对示踪气体进行衡量释放时，示踪气体被以恒定速率放出，气体会在动力弥散作用下经过一定的距离L后能够混合均匀，在示踪气体的浓度达到稳定后，将其浓度代入式(1)中能够得出待测区域的风量。

工作面示踪气体测漏风技术的工作原理为：假设工作面采空区为一密闭空间，注入的示踪气体的含量较小，不计入总风量，在工作面进风巷侧释放示踪气体q，根据工作面供风量Q的实际情况，在一定的时间内释放示踪气体，依据采空区煤岩体为松散介质的特征，示踪气体进入采空区后以过渡流和渗流的状态进行运移，示踪气体的渗流速度与工作面风流相比较慢，以工作面采用U型通风为例，基于采空区内部气体的质量守恒定律及连续性可知，采空区漏出的风量Q2与采空区漏入的风量Q1是相等的，另外采空区漏入和漏出风会同时发生，故基于此可知：当工作面进风巷释放的示踪气体的浓度高于回风巷接收到的示踪气体的浓度，则根据释放与接收到示踪气体浓度的差值即可推算出工作面整体的漏风量。

3 示踪气体测工作面漏风方案

3.1 测试方案

1) 测试内容。为有效分析31102工作面的漏风分布和漏风量的情况，采用示踪气体测试技术对主副进风巷及沿空留巷的风量进行测量，然后计算得出工作面的漏风情况。

2) 测试参数设置。结合示踪气体测试原理，针对31102工作面主、副进风巷及沿空留巷确定采用恒量释放法对示踪气体进行释放，设置释放速度为46.574 L/min，副进风巷释放速度设置8.438 L/min，沿空留巷的释放速度设置为42.693 L/min，根据众多工程实践表明，在距离释放点40 m以后的区域，示踪气体即处于稳定峰值状态，此阶段需要的时间为37 s，传感器的响应时间为15 s，基于此为保证接受到完整的峰值确定进风巷示踪气体的释放时间为90 s。

3) 测点布置。工作面主进风巷：示踪气体测量接收点C1设置在距离工作面端头10 m的位置处，气体的释放点R1设置在距离工作面端头50 m的位置处(见图1)。

图1 31102工作面示踪测试点位置示意

工作面副进风巷：示踪气体测试接收点C2设置在距离工作面端头10 m的位置处，释放点R2布置于距离工作面端头50 m的位置处。

工作面沿空留巷：沿空留巷柔模墙体漏风测试的释放地点布置在工作面距离上隅角40 m的位置处，示踪气体的接收地点C3布置在沿空留巷距离上隅角20 m的位置处。

4) 测试顺序。在采用示踪气体对工作面主进风巷、副进风巷及沿空留巷内的风量进行测试时，按照主进风巷—副进风巷—沿空留巷的顺序依次进行示踪气体的测试。

3.2 测试结果分析

根据31102工作面主进风巷和副进风巷示踪气体的测试结果，能够得出示踪气体-时间曲线，具体31102工作面主、副进风巷的测试结果如图2所示。

图2 工作面主、副进风巷示踪气体测试结果

由图2可知，主进风巷内示踪气体检测仪器从响应到读数为零共经历了278 s，主进风巷示踪气体的浓度峰值约为13×10-6，且示踪气体的峰值维持时间为48 s，根据主进风巷示踪气体的释放速度q=46.574 L/min，c=13×10-6，代入式(1)能够计算出工作面的进风风量为3 582.6 m3/min，工作面实测的风量为3 440 m3/min；工作面副进风巷示踪气体检测仪器从响应到读数为零共经历了256 s，示踪气体的浓度峰值c=12×10-6，峰值维持时间为27 s，副进风巷示踪气体的释放速度q=8.438 L/min，同理代入式(1)能够计算出副进风巷的进风量为703.1 m3/min，实测的风量为650 m3/min，据此可知使用示踪气体法测出的进风量与实际值的误差较小。

根据工作面沿空留巷示踪气体的测试结果，得出示踪气体的浓度-时间曲线如图3所示。

图3 沿空留巷示踪气体测试结果曲线

由图3可知，沿空留巷处示踪气体的浓度峰值c=11×10-6，示踪气体在浓度最大值处维持了约30 s的时间，结合沿空留巷示踪气体的释放速度q=42.693 L/min，代入式(1)能够计算出释放点与接收点间的风量为3 881.2 m3/min，沿空留巷的风量来自工作面和副进风巷，根据上述示踪气体在主副进风巷的测试结果可知，副进风巷的进风量为703.1 m3/min，基于此能够计算出沿空留巷来自工作面的风量为3 178.1 m3/min，再根据上述测量得到的主进风巷的风量为3 582.6 m3/min，能够计算出工作面向采空区内的漏风量为404.5 m3/min。

3.3 数值模拟验证

为对31102工作面示踪气体测试漏风情况的结果进一步验证，对其进行数值模拟，设置工作面高2 m，宽6 m，采空区的倾向长度320 m，走向长度200 m，高度为40 m，将工作面的下隅角设置为坐标原点，将工作面胶带和进风巷设置为风流速度进口，沿空留巷出口设置为风流出口，根据示踪气体的测试结果，设置主进风巷和副进风巷的风量分别为3 582.6 m3/min和703.1 m3/min，对工作面采空区采用多孔介质进行设置[3-4]，将工作面、液压支架及采空区的接触部分，工作面、液压支架与巷旁充填体、沿空留巷的接触部分设置为内部边界，其它部分设置为壁面边界，基于上述设置条件建立数值模拟模型，根据数值模拟结果得出采空区的压力分布如图4所示。

图4 31102工作面采空区压力分布

由图4可知，工作面压力的最大值位于工作面的进口位置处，压力的最小值位于沿空留巷的出口位置处，从工作面的倾向上分析，能够得出风压从胶带巷一侧向回风巷一侧逐渐减小，可知风流在采空区内部风流的运移方向是从工作面的下隅角向着沿空留巷的方向移动的，这与示踪气体测得的三条巷道的风量结果相吻合；从工作面走向上分析，能够得出风压从工作面向采空区深部逐渐减小；针对工作面采空区裂隙带，其在水平方向上的压力分布基本与垮落带相同，但是其整体压力小于垮落带，进而会致使风流从垮落带向着裂隙带内移动，随后再流入留巷内部。

另外根据数值模拟结果得出工作面沿空留巷一侧沿程风量的曲线如图5所示。

图5 沿空留巷沿程风量曲线

由图5可知，31102工作面沿空留巷内的风量出现缓慢增大的趋势，沿空留巷前170 m范围内漏风范围比较均匀，在工作面后30m范围内漏风量出现急剧增大的情况，出现该状况的原因为沿空留巷出口位置处压力梯度增大，进而致使漏风量增大。另外从图中能够看出沿空留巷出口位置处风量为4 240 m3/min，上隅角位置处的风量为3 799 m3/min，将二者作差能够计算得出工作面向采空区的漏风量为441 m3/min，与示踪气体实测404.5 m3/min之间的误差率为9.0%，出现该种误差的原因为在进行示踪气体测量工作面漏风情况时，沿空留巷前20 m的漏风量未计入测量结果，故基于此可知示踪气体实测的工作面漏风结果与数值模拟得出的漏风结果基本保持一致。