趙洪寶，王宏冰，張 歡，王 濤，魏子強(qiáng)

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院 北京 100083；2.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室-省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，河南理工大學(xué)，河南 焦作 454001)

0 引言

近年來(lái)，隨著地下煤炭開(kāi)采強(qiáng)度的增加，特別是涉及瓦斯的礦井安全事故頻繁發(fā)生，給人民的生命財(cái)產(chǎn)造成了巨大損失[1]，其中采空區(qū)瓦斯是誘導(dǎo)事故的主要因素之一，而采空區(qū)構(gòu)筑物漏風(fēng)是在開(kāi)采過(guò)程中不可忽視的問(wèn)題，特別是在有自燃傾向性的煤層中開(kāi)采時(shí)，由于采空區(qū)中集聚了大量的瓦斯，工作面與采空區(qū)之間的漏風(fēng)流一方面將采空區(qū)瓦斯積聚在工作面上隅角中，造成瓦斯含量超限[2]；另一方面漏風(fēng)流增加了采空區(qū)的氧氣濃度，為采空區(qū)發(fā)生瓦斯爆炸(遺煤自燃)提供了氧氣條件，嚴(yán)重威脅著礦區(qū)的安全[3]。

目前針對(duì)井下采空區(qū)沿空留巷構(gòu)筑物漏風(fēng)規(guī)律的研究方法主要有理論分析、數(shù)值模擬、相似模擬實(shí)驗(yàn)等。如章夢(mèng)濤等[4]提出了一種滲流場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型；黃伯軒[5]、李宗翔[6]等相繼提出不同數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法；鄧軍等[7]利用滲流場(chǎng)理論預(yù)測(cè)了采空區(qū)自燃危險(xiǎn)區(qū)域。自20世紀(jì)數(shù)值模擬軟件流行以來(lái)，我國(guó)學(xué)者如胡千庭等[8]、高建良等[9]、梁運(yùn)濤等[10]采用CFD數(shù)值軟件模擬研究了采空區(qū)瓦斯及風(fēng)流流動(dòng)規(guī)律；車(chē)強(qiáng)[11]通過(guò)研究采空區(qū)多組分氣體的運(yùn)移規(guī)律，進(jìn)一步完善了采空區(qū)氣體運(yùn)移的CFD模擬模型；王春等[12]基于Fluent軟件，對(duì)綜放開(kāi)采采空區(qū)遺煤自燃過(guò)程進(jìn)行了三維數(shù)值模擬研究；任擎華[13]、王洪勝[14]、高亮[15]等都以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作面為原型，通過(guò)建立相似模型，研究了在不同的通風(fēng)方式下采空區(qū)內(nèi)部瓦斯運(yùn)移規(guī)律及采空區(qū)內(nèi)部漏風(fēng)規(guī)律。因采用理論分析、數(shù)值模擬及相似模擬實(shí)驗(yàn)的手段對(duì)采空區(qū)漏風(fēng)流場(chǎng)進(jìn)行的研究有時(shí)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況有所差異，嚴(yán)重時(shí)可能偏離了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際問(wèn)題，不能真正的解決現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題，因此需要針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究。

目前主要的井下漏風(fēng)實(shí)測(cè)技術(shù)是SF6示蹤技術(shù)[16-19]，但該技術(shù)操作過(guò)程過(guò)于繁瑣，需要專(zhuān)門(mén)的技術(shù)人員進(jìn)行取樣和檢驗(yàn)操作，不便于及時(shí)的指導(dǎo)工程現(xiàn)場(chǎng)對(duì)采空區(qū)漏風(fēng)的控制。因此本文針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際需要，研發(fā)了一種簡(jiǎn)便經(jīng)濟(jì)適用的井下構(gòu)筑物漏風(fēng)實(shí)測(cè)裝置，并將該裝置應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄留巷構(gòu)筑物漏風(fēng)的情況，能夠準(zhǔn)確、便捷、動(dòng)態(tài)地反映井下采空區(qū)構(gòu)筑物的漏風(fēng)規(guī)律，為采空區(qū)留巷漏風(fēng)治理提供理論依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以保障礦井的高效開(kāi)采和安全生產(chǎn)。

1 井下構(gòu)筑物漏風(fēng)實(shí)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)及測(cè)試原理

1.1 井下構(gòu)筑物漏風(fēng)實(shí)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

該裝置主要包括采氣盒、密封管、設(shè)備固定裝置、氣體壓力測(cè)定裝置和集氣盒。裝置中采氣盒的長(zhǎng)、寬、高分別為100，100和20 mm，是由厚度為0.5 mm的鋁合金材料制成的無(wú)底空心盒，底面緊貼巷道面，頂面焊接通氣管與流量監(jiān)測(cè)裝置相連；密封管是圍繞采氣盒一周的矩形管，是寬度為20 mm，高度為20 mm，厚度為5 mm的無(wú)底空心管。在緊貼煤壁時(shí)，上部2個(gè)注密封膠孔，下部1個(gè)注密封膠孔，通過(guò)孔向管內(nèi)注射密封膠實(shí)現(xiàn)實(shí)測(cè)區(qū)域與四周隔離；設(shè)備固定裝置焊接于密封管四周，每條邊上2個(gè)方向向煤壁上打固定螺絲；氣體壓力測(cè)定裝置為U型管氣體壓力測(cè)定儀，且其通過(guò)管道與采氣盒連接。如圖1為井下構(gòu)筑物漏風(fēng)實(shí)測(cè)裝置圖。

圖1 井下構(gòu)筑物漏風(fēng)實(shí)測(cè)裝置Fig.1 Air leakage measurement device diagram in structures of gob-side entry retaining

1.2 監(jiān)測(cè)原理

1)數(shù)據(jù)采集

將裝置采氣盒固定在井下構(gòu)筑物巷道壁上且其周?chē)芊夤潭?，采空區(qū)中氣體通過(guò)巷壁上的裂隙涌出到采氣盒中，此時(shí)裝置的采氣盒通過(guò)軟膠管與U型管氣體壓力測(cè)定儀相連，這樣采空區(qū)氣體經(jīng)過(guò)采氣盒的積聚進(jìn)入U(xiǎn)型管氣體壓力測(cè)定儀，接著記錄U型管兩端液面的變化示數(shù)，從而確定構(gòu)筑物的漏風(fēng)情況，緊接著將U型管氣體壓力測(cè)定儀中液體放掉，使得采空區(qū)氣體經(jīng)過(guò)U型管直接進(jìn)入集氣盒中，最后對(duì)集氣盒中采空區(qū)氣體進(jìn)行檢測(cè)分析。

2)數(shù)據(jù)處理

(1)

式中：P為靜壓，MPa；ρ為密度；h為液面高度，m；υ為氣體平均流速，m/s；C為常數(shù)。

圖2為U型管氣體壓力測(cè)定儀工作示意圖，通過(guò)對(duì)U型管兩端采用伯努力方程得：

(2)

(3)

由于上式中P為采空區(qū)氣體壓強(qiáng)，MPa；P0為大氣壓強(qiáng)，MPa；h1為左端液面高度，m；h2為右端液面高度，m；υ1為左端氣體流速，m/s；υ2為右端液體速度，m/s；ρ為密度；當(dāng)U型管內(nèi)液體穩(wěn)定時(shí)υ2為0，假設(shè)U型管內(nèi)氣體流動(dòng)的整個(gè)過(guò)程沒(méi)有能量損失，即初始采空區(qū)涌出氣體的能量全部轉(zhuǎn)化為使液體上升所具有的能量，因此將式(2)和式(3)聯(lián)立計(jì)算得：

(4)

通過(guò)該裝置的U型管可以得到采空區(qū)側(cè)構(gòu)筑物巷壁氣體涌出口處的壓強(qiáng)P，最后帶入伯努利方程(4)，計(jì)算出采空區(qū)氣體速度υ1。

圖2 U型管氣體壓力測(cè)定儀工作示意Fig.2 Schematic diagram of gas flow monitoring meter for U tube

2 工程實(shí)踐

2.1 工程背景

本次監(jiān)測(cè)的礦井是山西省長(zhǎng)治市長(zhǎng)子縣霍爾辛赫煤礦3202工作面，施工地點(diǎn)為Y型通風(fēng)的采空區(qū)側(cè)尾巷內(nèi)沿空留巷段，主采3#煤層?；厩闆r如下：3#煤層位于山西組下部，下距9 #煤層55.72～79.70 m，平均58.04 m。煤層厚4.49～7.17 m，平均煤厚為5.65 m。井田內(nèi)3#煤層?xùn)|厚西薄，含泥巖、炭質(zhì)泥巖夾矸0～2層，一般1層，距底板約 0.78 m 左右較為穩(wěn)定(平均厚度 0.30 m)。3#煤層頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，局部為砂巖，底板為黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖，深灰色粉砂巖。該層煤全井田可采，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，厚度變化不大。

2.2 工作面巷道布置

3202工作面位于3#煤層二盤(pán)區(qū)，巷道沿煤層頂板掘進(jìn)，布置上進(jìn)風(fēng)巷、下進(jìn)風(fēng)巷(輔助進(jìn)風(fēng)巷)、沿空留巷、輔助回風(fēng)巷等。具體巷道規(guī)格及支護(hù)形式如表1所示。

表1 巷道規(guī)格及支護(hù)形式Table 1 Specification and support form of laneway

2.3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案

霍爾辛赫礦3202工作面采空區(qū)側(cè)沿空留巷段構(gòu)筑物漏風(fēng)實(shí)測(cè)裝置布置，如圖3所示。

圖3 3202工作面采空區(qū)側(cè)沿空留巷段構(gòu)筑物漏風(fēng)實(shí)測(cè)裝置布置Fig.3 Air leakage measurement device layout in structures of 3202 surface gob-side entry retaining

從上進(jìn)風(fēng)巷流經(jīng)工作面的風(fēng)流，在整個(gè)工作面范圍內(nèi)都有向采空區(qū)漏風(fēng)的情況，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，采空區(qū)中的風(fēng)流一部分會(huì)從工作面下隅角重新涌向工作面，另一部分可能會(huì)從采空區(qū)側(cè)沿空留巷段巷道構(gòu)筑物中孔隙流向留巷中，因此，將漏風(fēng)裝置沿著采空區(qū)側(cè)沿空留巷布置1#～6#監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離端頭支架20 m位置布置，兩相鄰監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間相距20 m。通過(guò)這些漏風(fēng)測(cè)點(diǎn)進(jìn)一步監(jiān)測(cè)采空區(qū)向留巷的漏風(fēng)情況，得出采空區(qū)側(cè)沿空留巷段的漏風(fēng)規(guī)律。

試驗(yàn)方案如下：

①固定設(shè)備。結(jié)合3202工作面實(shí)際情況，在采空區(qū)側(cè)沿空留巷段選取距工作面端頭支架120 m的長(zhǎng)度，每間隔20 m布置1處采氣盒。

②密封設(shè)備。在采氣盒周?chē)媒Y(jié)構(gòu)膠將連接縫隙密封，避免留巷中氣體通過(guò)連接縫隙進(jìn)入采氣盒中，對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果產(chǎn)生干擾。

③連接設(shè)備。采用軟膠管將采氣盒出氣端與U型管氣體壓力測(cè)定儀連接，且保持U型管氣體壓力測(cè)定儀中的液體與采氣盒出氣端口相平。

④記錄數(shù)據(jù)。待U型管氣體壓力測(cè)定儀中液面穩(wěn)定時(shí)，分別記錄每一監(jiān)測(cè)位置處的U型管氣體壓力測(cè)定儀上刻度，將數(shù)據(jù)帶入公式(4)，計(jì)算出采空區(qū)氣體速度。

⑤收集氣體。待漏風(fēng)數(shù)據(jù)記錄完全后，將U型管氣體壓力測(cè)定儀中的液體取出，使得氣體進(jìn)入收集盒中，采用專(zhuān)門(mén)氣體成分分析設(shè)備，得到采空區(qū)中瓦斯的濃度分布情況，為采空區(qū)瓦斯治理措施提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

1)漏風(fēng)處風(fēng)流涌出情況

沿著工作面走向，采用風(fēng)速監(jiān)測(cè)工具(翼式風(fēng)表)從上隅角開(kāi)始每間隔20 m監(jiān)測(cè)向采空區(qū)的漏風(fēng)情況，得到的工作面涌向采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速圖，如圖4所示。

圖4 工作面向采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)流速度Fig.4 Velocity diagram of air leakage from working face to goaf

實(shí)時(shí)記錄漏風(fēng)裝置內(nèi)U型管壓力測(cè)定儀內(nèi)左右液體的變化刻度，進(jìn)而采用式(4)計(jì)算出采空區(qū)氣體的涌出速度，得到的采空區(qū)向沿空留巷段監(jiān)測(cè)點(diǎn)1#～6#漏風(fēng)風(fēng)流速度曲線如圖5所示。

圖5 采空區(qū)向沿空留巷段漏風(fēng)風(fēng)流速度Fig.5 velocity diagram of air leakage from goaf to gob-side entry retaining

2)漏風(fēng)處瓦斯涌出情況

由于采空區(qū)中賦存著大量的瓦斯，在工作面風(fēng)流涌向采空區(qū)時(shí)，與賦存的瓦斯混合，一部分混雜著瓦斯的風(fēng)流通過(guò)工作面下隅角可能涌向工作面，另一部分風(fēng)流可能就從采空區(qū)側(cè)沿空留巷段涌向留巷內(nèi)，因此為了進(jìn)一步監(jiān)測(cè)漏風(fēng)流中瓦斯?jié)舛龋捎迷摿粝飿?gòu)筑物漏風(fēng)實(shí)測(cè)裝置，通過(guò)將U型管內(nèi)液體取出，使得采空區(qū)涌出氣體通過(guò)U型管直接進(jìn)入集氣盒，最后就可以采用傳統(tǒng)的瓦斯?jié)舛葴y(cè)量裝置，在該集氣裝置內(nèi)直接測(cè)量出，避免了外部留巷內(nèi)氣體干擾。采空區(qū)向沿空留巷漏風(fēng)流中瓦斯?jié)舛葘?shí)測(cè)裝置布置如圖6所示；采空區(qū)向沿空留巷段漏風(fēng)流中瓦斯?jié)舛热鐖D7所示。圖6中，C0測(cè)點(diǎn)，采用瓦檢儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)；C1，C2測(cè)點(diǎn)，采用漏風(fēng)實(shí)測(cè)裝置進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖6 采空區(qū)向沿空留巷段漏風(fēng)流中瓦斯?jié)舛葘?shí)測(cè)裝置布置Fig.6 Arrangement of measuring device diagram for gas concentration of air leakage from goaf to gob-side entry retaining

圖7 采空區(qū)向沿空留巷段漏風(fēng)流中瓦斯?jié)舛菷ig.7 Gas concentration diagram of air leakage from goaf to gob-side entry retaining

2.5 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

1)從圖4可以看出，在工作面端頭漏風(fēng)速度發(fā)生了急速改變，之后一段距離內(nèi)基本保持穩(wěn)定，但在靠近工作面末端位置時(shí)，漏風(fēng)速度又急速發(fā)生改變。分析原因：可能是由于風(fēng)流在工作面的上下進(jìn)風(fēng)口位置(上下隅角位置)由于風(fēng)流方向發(fā)生突變，加上其他方向風(fēng)流的擾動(dòng)而形成了一個(gè)風(fēng)流渦區(qū)，風(fēng)流渦區(qū)的存在可能對(duì)漏風(fēng)產(chǎn)生了影響。通過(guò)對(duì)速度曲線進(jìn)行積分可以得出工作面不同位置的漏風(fēng)量，通過(guò)計(jì)算在距離工作面上隅角0～20 m位置的漏風(fēng)量約為總漏風(fēng)量的35%左右，在距離工作面上隅角140～160 m位置的漏風(fēng)量約為總漏風(fēng)量的40%左右。

2)從圖5可以看出，在沿著采空區(qū)走向方向上隨著監(jiān)測(cè)距離長(zhǎng)度增加，采空區(qū)側(cè)漏風(fēng)速度曲線近似呈“L”型下降，且在0～20 m內(nèi)漏風(fēng)速度急速下降，30～120 m內(nèi)漏風(fēng)速度下降的趨勢(shì)有所減弱，通過(guò)對(duì)漏風(fēng)速度圖進(jìn)行積分，可得出漏風(fēng)量隨著距離增加也在減小。分析原因：距離工作面液壓支架越遠(yuǎn)采空區(qū)的壓實(shí)程度越高，其向留巷漏風(fēng)風(fēng)流受到阻礙作用越高，因此風(fēng)速越小。

3)圖6中對(duì)采空區(qū)側(cè)沿空留巷內(nèi)C1，C2這2點(diǎn)采用漏風(fēng)實(shí)測(cè)裝置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)于C0點(diǎn)采用瓦檢儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到如圖7所示2監(jiān)測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛葓D。從圖7可以看出，C0監(jiān)測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛冉橛贑1，C2監(jiān)測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛戎g，而C0，C2監(jiān)測(cè)點(diǎn)的瓦斯?jié)舛榷嫉陀贑1監(jiān)測(cè)點(diǎn)的瓦斯?jié)舛?。分析原因：C0監(jiān)測(cè)點(diǎn)是處于工作面與液壓支架之間位置的瓦斯?jié)舛龋渫咚箒?lái)源一部分包括工作面涌出瓦斯，另一部分包括采空區(qū)通過(guò)漏風(fēng)流涌出的瓦斯；而C1監(jiān)測(cè)點(diǎn)是位于距離工作面20 m位置的瓦斯?jié)舛?，其瓦斯?lái)源一部分包括采空區(qū)遺煤中涌出的瓦斯，另一部分包括工作面涌出瓦斯通過(guò)漏風(fēng)流進(jìn)入采空區(qū)中，而C2監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置采空區(qū)壓實(shí)程度比較高，其瓦斯來(lái)源基本為采空區(qū)遺煤涌出瓦斯。

4)采用Y型通風(fēng)的通風(fēng)方式，其工作面隅角瓦斯?jié)舛瘸蕃F(xiàn)象得到了有效的遏制，保證了工作面的安全生產(chǎn)，但是從圖7可以看出C0的瓦斯?jié)舛刃∮贑1處的瓦斯?jié)舛?，工作面上隅角瓦斯?jié)舛瘸迒?wèn)題并沒(méi)有從真正意義上得到解決，而是轉(zhuǎn)移至采空區(qū)上隅角位置，工作面與采空區(qū)之間的漏風(fēng)流增加了采空區(qū)的氧氣濃度，為采空區(qū)發(fā)生瓦斯爆炸(遺煤自燃)提供了氧氣條件，當(dāng)采空區(qū)頂板垮落時(shí)，矸石間相互摩擦出的火花，可能會(huì)造成采空區(qū)的瓦斯爆炸事故。

2.6 采空區(qū)漏風(fēng)范圍

通過(guò)圖4可以看出，采空區(qū)的漏風(fēng)范圍在距工作面端頭0～20 m的位置，上進(jìn)風(fēng)巷的大量風(fēng)流涌向采空區(qū)，而在距工作面140～160 m的位置采空區(qū)中風(fēng)流通過(guò)漏風(fēng)流涌向工作面下隅角位置，大致風(fēng)流流線如圖8中①，②所示；由圖5可以看出，采空區(qū)走向方向在距離工作面端頭支架0～20 m位置漏風(fēng)速度急速下降，在30～120 m內(nèi)漏風(fēng)速度下降的趨勢(shì)有所減弱，大致風(fēng)流流線如圖8中③，④，⑤所示。因此，通過(guò)圖4，圖5可以判斷出采空區(qū)沿空留巷漏風(fēng)范圍，其漏風(fēng)可以分為3個(gè)區(qū)域：0～20 m的風(fēng)速渦流區(qū)，20～100 m風(fēng)速過(guò)渡區(qū)，100～120 m風(fēng)速穩(wěn)定區(qū)，如圖8所示。

圖8 采空區(qū)漏風(fēng)范圍分布示意Fig.8 Diagram of air leakage range distribution in Goaf

3 結(jié)論

1)為了彌補(bǔ)現(xiàn)有井下采空區(qū)構(gòu)筑物漏風(fēng)實(shí)測(cè)技術(shù)的不足，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下采空區(qū)構(gòu)筑物實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其漏風(fēng)情況，自主研發(fā)了一種井下構(gòu)筑物漏風(fēng)實(shí)測(cè)裝置，提供了一種便捷經(jīng)濟(jì)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)漏風(fēng)情況的手段。

2)由該裝置的工作原理及其在實(shí)際工程中的應(yīng)用可得，井下采空區(qū)構(gòu)筑物漏風(fēng)實(shí)測(cè)裝置具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值，可反應(yīng)出井下構(gòu)筑物漏風(fēng)的實(shí)際情況，能夠準(zhǔn)確、便捷、動(dòng)態(tài)地反映井下采空區(qū)構(gòu)筑物的漏風(fēng)規(guī)律，為采空區(qū)留巷漏風(fēng)治理提供理論依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果表明，沿著采空區(qū)走向方向隨著監(jiān)測(cè)距離長(zhǎng)度增加，采空區(qū)側(cè)漏風(fēng)規(guī)律大致呈“L”型下降，即在0～20 m內(nèi)漏風(fēng)速度急速下降，20～120 m內(nèi)漏風(fēng)速度下降的趨勢(shì)有所減弱，通過(guò)對(duì)漏風(fēng)速度圖進(jìn)行積分，其漏風(fēng)量隨著距離增加也在減小。采空區(qū)漏風(fēng)可以分為3個(gè)區(qū)域：0～20 m的風(fēng)速渦流區(qū)，20～100 m風(fēng)速過(guò)渡區(qū)，100～120 m風(fēng)速穩(wěn)定區(qū)。通過(guò)對(duì)采空區(qū)涌出氣體收集分析，反映出采空區(qū)中瓦斯?jié)舛确植记闆r，為針對(duì)采空區(qū)瓦斯治理提供了一種新的監(jiān)測(cè)技術(shù)手段，能有效地降低采空區(qū)瓦斯事故發(fā)生率，保證礦井的安全生產(chǎn)，具有廣泛推廣意義。