李建平

(太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024)

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·試驗研究·

基于示蹤氣體技術(shù)的采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律分析研究

李建平

(太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024)

針對采空區(qū)漏風(fēng)的危害大、治理難等特點，應(yīng)用SF6示蹤氣體技術(shù)檢測法對屯蘭礦采空區(qū)的漏風(fēng)情況進行了現(xiàn)場監(jiān)測，分析找出了采空區(qū)的漏風(fēng)通道、漏風(fēng)方向，并通過計算得出了最大漏風(fēng)風(fēng)速，并得出了采空區(qū)的漏風(fēng)規(guī)律。

采空區(qū)；漏風(fēng)；示蹤氣體技術(shù)；煤層自燃

采空區(qū)漏風(fēng)會引發(fā)煤層自燃，CO、SO2等有毒有害氣體流向回采工作面，導(dǎo)致井下空氣質(zhì)量下降，從而引發(fā)一系列安全事故。因采空區(qū)漏風(fēng)控制不好造成采空區(qū)煤炭自燃從而引發(fā)采空區(qū)火災(zāi)的現(xiàn)象屢見不鮮。如汾西某礦的保護煤柱存在漏風(fēng)現(xiàn)象，致使自燃煤層在風(fēng)流作用下范圍擴大，最后釀成大火災(zāi)。因此，對礦井漏風(fēng)地點進行嚴格排查，總結(jié)各個漏風(fēng)地點的漏風(fēng)規(guī)律，積極采取相應(yīng)的礦井漏風(fēng)封堵措施，為礦井安全高效生產(chǎn)提供必要的保障。

示蹤氣體技術(shù)，就是選取具有某種特殊物理化學(xué)性質(zhì)的氣體做為標志氣體，在風(fēng)流載體的作用下，在特定的地點釋放出來，通過收集前期釋放的標志氣體，根據(jù)氣體的流動路徑來判斷該部位的漏風(fēng)通道，并且可以進一步計算其漏風(fēng)量的大小，確定漏風(fēng)的方向。

當(dāng)前，針對礦井漏風(fēng)檢測技術(shù)的研究越來越多，存在各種各樣的追蹤手段，但礦井內(nèi)部各種巷道與采空區(qū)錯綜復(fù)雜的連接關(guān)系，使得追蹤采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律的難度增大，不能通過某種單一的技術(shù)得出其漏風(fēng)規(guī)律。

1 示蹤氣體的選擇與檢漏儀簡介

1.1 示蹤氣體的選擇

1.1.1 煤礦井下應(yīng)用示蹤氣體的選擇原則

1) 自然本底值低，一般要求在10-12以下。2) 在標準大氣壓下，該氣體的物理化學(xué)性質(zhì)保持穩(wěn)定性。3) 儀器分析靈敏度高(要求能達到10-9，且用量少)。4) 雙示蹤氣體能在同一色譜柱、檢測器上分析，分析設(shè)備少、效率高、分析成本低。5) 無毒，無腐蝕，無放射性；不燃、不爆、不溶解于水。

1.1.2 示蹤氣體篩選

目前，國內(nèi)外使用的示蹤劑很多，如熒光素鈉、氧化銦、六氟化硫(SF6)、二氟二溴甲烷(CF2Br2)、二氟一氯一溴甲烷(CF2CIBr)、二氟二氯甲烷(CF2Cl2)等。國內(nèi)采用的一般是六氟化硫和二氟一氯一溴甲烷。

根據(jù)上面兩種示蹤氣體的性質(zhì)，考慮到氣體購買以及測試的方便性，本次測試選用SF6作為示蹤氣體。

1.2 SF6氣體檢漏儀簡介

1.2.1 功能和特點

本次采空區(qū)漏風(fēng)通道測試采用脈沖釋放方法，測試儀器采用美國TIF5750A型SF6氣體檢漏儀。

經(jīng)過改進后的TIF 5750A型SF6鹵素檢漏儀靈敏度非常高。當(dāng)打開工作按鈕后，此檢漏儀就會自動工作根據(jù)提前設(shè)置的屬性對目標氣體進行追蹤，一旦確定了目標氣體的運動軌跡，就會發(fā)出提示音，空氣中氣體的泄漏量和泄露速度越大，提示音的發(fā)出速度也會隨之越快。同時，需要注意的是，即使空氣中氣體的成分比較混亂，也不會影響檢測儀的檢測速度。

1.2.2 主要技術(shù)規(guī)范

1) 靈敏度范圍：0～4 g/a

2) 響應(yīng)間隔：瞬間響應(yīng)

3) 工作溫度范圍：0～51 ℃

4) 使用壽命：60小時以上

5) 準備時長：4～7 s

6) 重量：帶電池20盎司

7) 探線長度：91 mm

8) 工作時間：連續(xù)，無限止

2 對采空區(qū)漏風(fēng)進行檢測

2.1 脈沖釋放與應(yīng)用

應(yīng)用示蹤氣體檢測礦井漏風(fēng)有兩種方法：示蹤氣體脈沖釋放法和示蹤氣體連續(xù)穩(wěn)定定量釋放法。

脈沖釋放是指在風(fēng)流中通過極短的時間把示蹤氣體釋放出去。利用示蹤氣體檢測技術(shù)檢測礦井漏風(fēng)通常包括示蹤氣體的釋放、觀察取樣、對樣本的分析研究和相關(guān)資料的收集與整理等步驟。

1) 脈沖的釋放方法。

在脈沖釋放前，應(yīng)做好一系列的準備工作。首先，必須要實際勘察與礦井采空區(qū)相連通巷道的風(fēng)流的流動路徑，并根據(jù)流動方向判斷風(fēng)流能量的高低。其次，確定與采空區(qū)相連的自燃煤層及漏風(fēng)源與漏風(fēng)風(fēng)流交匯點。最后，選擇風(fēng)流能量較高的漏風(fēng)地點釋放SF6示蹤氣體。

脈沖釋放時，通常通過注射器、充氣管等裝置，瞬間將SF6氣體注入漏風(fēng)源。

2) 樣本的采集。

為了計算漏風(fēng)風(fēng)速，必須保證能順利收集到純度較高、濃度較大的示蹤氣體，因此樣本的收集需要在示蹤氣體到達各個漏風(fēng)匯之前完成。正確的操作方法是在提前選定的幾個漏風(fēng)匯處用注射器采集氣樣注入密封良好的塑料袋中，并用膠帶密封好，或用硅膠直接封堵注射器針頭，用膠布封好注射器針頭處。每個采樣點的采樣時間可以根據(jù)漏風(fēng)的風(fēng)流速度和風(fēng)量確定，一般的采樣時間控制在10～20 min.

3) 示蹤氣體釋放量的計算。

漏風(fēng)量的大小和氣體的檢測濃度決定了示蹤氣體的釋放量。示蹤氣體釋放量的計算見式(1)：

q=kQCt

(1)

式中：

q—估算釋放量，mL；

Q—釋放點的漏風(fēng)量，m3/min；

C—儀器的適宜檢測濃度，C≈108；

t—示蹤氣體在風(fēng)流中均勻分散所需要的時間，min，般取10～20；

k—漏風(fēng)影響系數(shù)，通常取1.3～2.0.

4) 漏風(fēng)區(qū)域風(fēng)速的計算。

從示蹤氣體釋放到在某個取樣點第一次檢測到示蹤氣體的時間記為t，氣體在采空區(qū)內(nèi)流動路徑的總長度為L，則漏風(fēng)風(fēng)速見式(2)：

(2)

假如Lmax為示蹤氣體釋放位置到取樣地點之間的最大直線距離，則采空區(qū)漏風(fēng)路徑上的最大漏風(fēng)風(fēng)速見式(3)：

(3)

2.2 用示蹤氣體恒流釋放技術(shù)檢測礦井漏風(fēng)

利用示蹤氣體恒流釋放技術(shù)對礦井采空區(qū)的漏風(fēng)情況進行追蹤檢測，其原理是在提前選定的與采空區(qū)相連通的巷道中恒流釋放示蹤氣體，并且沿著風(fēng)流的方向，在其風(fēng)流路徑上布點，通過對各個點的取樣來分析示蹤氣體濃度的變化，根據(jù)不同點之間的濃度變化規(guī)律來計算礦井漏風(fēng)量。見圖1，設(shè)1～2為漏風(fēng)段，在其上風(fēng)側(cè)A點(距漏風(fēng)始1點較遠)釋放，則A點的風(fēng)量為Q，1～2點間的漏風(fēng)量為ΔQ，2點風(fēng)量Q2=Q+ΔQ，分別在B、C號點取樣分析(B點距漏風(fēng)始1點一定距離，C點距漏風(fēng)終點2點一定距離)，B點示蹤氣體濃度為CB，C點示蹤氣體濃度為CC，漏風(fēng)量中示蹤氣體的本底濃度為C0.

設(shè)漏風(fēng)率為x(%)，由漏風(fēng)率定義得式(4)：

(4)

由質(zhì)量守恒原理，得：

(5)

由式(4)、(5)可得：

(6)

若漏風(fēng)量中無示蹤氣體，則C0=0

設(shè)通過釋放點的風(fēng)量為Q0(m3/s)，示蹤氣體釋放量為q(mL/s)，漏風(fēng)區(qū)間上風(fēng)側(cè)的示蹤氣體濃度為C，則：

(7)

運用以上公式可以計算連續(xù)兩點之間的礦井漏風(fēng)量，從而總結(jié)出整個采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)流路徑上的漏風(fēng)規(guī)律。

圖1 示蹤氣體恒流釋放技術(shù)圖

在取樣過程中，由于各個點的標高不同，導(dǎo)致其對應(yīng)的大氣壓也不相同，如果某連續(xù)兩點之間的氣壓差值非常大，可以根據(jù)以下公式對風(fēng)量進行校正：

(8)

式中：

P1，P2—分別為1，2點大氣壓力，Pa；

T1，T2—分別為1，2點絕對溫度，K.

在采空區(qū)漏風(fēng)的檢測中，可以根據(jù)特定的需要和環(huán)境靈活布設(shè)釋放點和取樣點。

2.3 結(jié)果及其分析

在西山煤電集團屯蘭礦12408工作面進行SF6示蹤氣體釋放與檢測試驗。上午9：00將SF6示蹤氣體釋放到工作面進風(fēng)風(fēng)流中，同時安排人員用TIF 5750A型SF6檢漏儀在12407工作面原舊巷密閉處檢測。9：15 SF6檢漏儀開始報警，表明在原密閉處檢測到SF6，見圖2.

圖2 測點布置圖

通過測量可知，從示蹤氣體釋放點距12408工作面采空區(qū)密閉處的距離為500 m，漏風(fēng)風(fēng)速最大值為：

檢測結(jié)果表明，12407工作面采空區(qū)與舊巷密閉

之間存在漏風(fēng)，最大漏風(fēng)風(fēng)速達到0.333 m/s，該風(fēng)速已經(jīng)超過《煤礦安全規(guī)程》中對采煤工作面最低允許風(fēng)速0.25 m/s的要求。

本次測試表明，TIF 5750A型SF6檢漏儀檢測精度較高，在定性檢測漏風(fēng)通道時，可以迅速檢測到釋放的SF6，及時發(fā)現(xiàn)采空區(qū)的漏風(fēng)通道，及時消除采空區(qū)火災(zāi)隱患。

與收集氣樣然后用氣相色譜分析方法相比，該方法簡便快捷，可節(jié)省大量的人力、物力和財力，雖然這種方法的測試精度偏低，但通過有效地控制各種誤差，完全可以滿足煤礦現(xiàn)場的需要。

采空區(qū)漏風(fēng)問題對煤礦井下的正常生產(chǎn)和生活帶來了嚴重的安全隱患。采空區(qū)的漏風(fēng)可促使自燃煤層在短時間內(nèi)形成火災(zāi)，也會有有毒有害氣體涌向回采工作面的通道，對作業(yè)人員造成傷害等重大安全事故。因此，通過示蹤氣體技術(shù)可以準確掌握采空區(qū)的漏風(fēng)路徑，推斷出漏風(fēng)規(guī)律，并及時采取有效的封堵措施，從而防止和抑制采空區(qū)煤炭自燃，為礦井安全生產(chǎn)提供強有力的保障。

3 結(jié) 論

1) 采空區(qū)存在漏風(fēng)通道是導(dǎo)致采空區(qū)煤炭自燃的根本原因之一，示蹤氣體技術(shù)是檢測復(fù)雜采空區(qū)漏風(fēng)通道、判斷漏風(fēng)方向、估計漏風(fēng)風(fēng)速的有效可靠手段。

2) 采用釋放SF6示蹤氣體技術(shù)檢測到屯蘭礦12407工作面的漏風(fēng)通道，并得出了最大漏風(fēng)風(fēng)速。計算結(jié)果表明，漏風(fēng)通道的最大漏風(fēng)風(fēng)速達0.333 m/s.

3) 本次測試表明，便攜式SF6檢漏儀使用方便，在定性檢測漏風(fēng)通道時，可以迅速檢測到釋放的SF6，及時發(fā)現(xiàn)采空區(qū)的漏風(fēng)通道并采取補救措施，消除采空區(qū)火災(zāi)隱患。

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Analysis and Study on Air Leakage Law of Goaf Based on Tracer Gas Methods

LI Jianping

In this paper, the air leakage to the mined-out area in Tunlan coal mine is monitored by SF6 tracer gas detection method, and the air leakage passageway and its direction are analyzed and found out. The maximum air leakage speed is also calculated, and the air leakage law to the goaf side is obtained.

Goaf; Air leakage; Tracer gas methods; Coal spontaneous combustion

2017-03-15

李建平(1976—)，男，山西大同人，2014級太原理工大學(xué)在讀工程碩士研究生，政工師，主要從事企業(yè)管理工作

(E-mail)64084158@qq.com

TD728

B

1672-0652(2017)05-0031-04