馬 旭 , 余 陶 , 張連鋒 , 劉建忠

（1. 兗州煤業(yè)有限公司南屯煤礦，山東 鄒城 273500；2. 安徽建筑大學安全工程系，安徽 合肥 ，230022）

0 引 言

煤層開采后形成的封閉采空區(qū)“看不見”、“摸不著”，屬于礦井通風系統(tǒng)的一部分，與周邊風流存在交換通道。由于采掘擾動和通風系統(tǒng)風流變化，往往形成較為穩(wěn)定的漏風通道，此類漏風長期發(fā)展，極易誘發(fā)封閉采空區(qū)遺煤自燃[1-2]。特別是邊角煤開采回收的資源緊張礦井，各采區(qū)的封閉采空區(qū)連成一片，遺煤多，漏風通道多，自燃風險十分嚴峻。在瓦斯礦井，漏風誘發(fā)的煤自燃，已成為礦井瓦斯爆炸重特大事故的新根源[3-4]。如2013 年3.29 吉林八寶煤礦瓦斯爆炸事故，漏風誘發(fā)的煤自燃多次引起瓦斯爆炸，傷亡十分慘重。然而現(xiàn)有的CO 監(jiān)測手段，因為漏風通道不明，無法掌握產(chǎn)生CO 的高溫原點或CO 隨漏風遷移到其他區(qū)域，觀測點無法獲取封閉采空區(qū)的真實情況，此類問題常使現(xiàn)場防火工作無所適從。SF6 常被用于尋找漏風通道，但現(xiàn)場操作諸多不便，如需要接收氣體的端頭多，氣體運移時間不定，都為準確識別漏風通道帶來困難[4.-5]。因此，有必要研究一種簡單有效的方法，識別封閉采空區(qū)與周邊通風系統(tǒng)的漏風通道，掌握整體漏風趨勢。本文研究了一種基于通風能位測定的封閉采空區(qū)漏風通道識別方法，并成功應用于南屯煤礦3304 工作面停采線封閉區(qū)，對推進煤自燃防治的精準化，實現(xiàn)工作面安全高效開采，具有十分重要的意義。

1 通風能位測定技術

1.1 能位測定原理

礦井通風系統(tǒng)中風流流動的源動力是能位差，風流總是從能位高的地方流向能位低的地方，其中的能量消耗主要是通風阻力的作用。主通風機產(chǎn)生通風動力對空氣做功，形成能位差，保證空氣連續(xù)不斷地流動。因此，通過能位測定，定量確定其數(shù)值，可作為識別漏風通道及趨勢的依據(jù)。

礦井通風系統(tǒng)中，兩點之間能位差可由兩點間的能量相減獲得，依據(jù)能量守恒的Bernoulli 方程可知，井下通風系統(tǒng)能位差可按（1）式計算[7]：

式中：Pb1、Pb2分別為 1、2 測點的靜壓，Pa；Pa1、Pa2分別為測定期間固定基點的靜壓，Pa；ρ1、ρ2分別為 1、2兩測點的空氣密度，kg/m3；V1、V2分別為 1、2 兩測點的風速，m/s；g 重力加速度，m/s2；Z12分別 1、2 測點間的標高差，m；ρm121、2 兩測點間的空氣平均密度，kg/m3。

其中空氣密度可按（2）式計算

式中： P 為測得的大氣壓力，kPa；T 為空氣絕對溫度，K；Φ 為空氣相對濕度；Psat為飽和水蒸汽壓，kPa。

方程（1）各項的物理意義為：Pb1- Pb2表示兩測點之間的靜壓差；Pa2- Pa1表示測定時期的大氣壓的變化；兩測點之間的位壓差。

1.2 能位測定步驟

測定能位差測量時使用兩臺精密氣壓計，一臺放在基點不動，每隔一定時間讀一次大氣壓力值，記下讀值時間；另一臺儀器從基點開始，沿預先選定的測定路線逐點測量各點風流的靜壓，并記下測定時間。同時用測量各測點斷面上的平均風速，干濕球溫度，以及標高。固定在基點的儀器用于觀測大氣壓力隨時間的變化規(guī)律，以便校正大氣壓力變化對另一臺儀器測量數(shù)值的影響。測定時首先設置初始點為基點，那么測定路線上各點與基點的能量差，反映了所測路線的能位分布。

2 漏風通道識別方法

封閉采空區(qū)是一個獨立的小環(huán)境，它與周邊通風系統(tǒng)通過一些節(jié)點相聯(lián)，形成自身小環(huán)境與大通風系統(tǒng)的風流交換，這些節(jié)點是研究漏風通道和漏風趨勢的關鍵。常見的關鍵節(jié)點主要為采空區(qū)封閉墻和采空區(qū)與周邊巷道的圍巖裂隙，前者的識別較為簡單，其核心在于掌握封閉墻的漏風趨勢，可以通過觀測孔測量封閉墻內(nèi)外壓差，判別風流的流入流出狀態(tài)及壓差大??；后者的識別較為復雜，受巷道圍巖變形和通風系統(tǒng)能位差綜合影響，因此需要結合能位測定綜合判斷。

風流流動趨勢是從能位高的點流向能位低的點，一般能位差越大，漏風可能性越大。漏風通道識別時，首先要掌握封閉采空區(qū)周邊通風系統(tǒng)風流流動情況，選擇主要風流流動路線上的關鍵節(jié)點為測點，依次測定通風能位，畫出能位差分布圖，從封閉墻漏風狀態(tài)和壓差以及能位差較大點的圍巖狀態(tài)，綜合識別漏風通道和漏風趨勢。

3 漏風通道識別應用

3.1 試驗工作面采空區(qū)概況

南屯煤礦3304 工作面位于三采區(qū)南部，周邊相鄰3302 工作面采空區(qū)與3306 工作面（未采），工作面停采線運順側位于3 煤軌道巷巷中以西50m（沿順槽方向），軌順側較運順側向東調(diào)斜30m。工作面軌順長944.5m、運順長929.5m，傾斜方向最大寬度254.3m。工作面回采3 煤層。3 煤層厚 8.1～8.73m，平均8.40m，分層開采。

3304 工作面回采后，為方便3306 工作面接續(xù)，特將支架臨時封閉在3304 工作面停采線內(nèi)。在3304 軌順進風隅角開始，依次沿傾向向下的121 架、90 架、63架、45 架、3304 運順回風隅角布置束管，取樣監(jiān)測CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2、O2、N2等氣體濃度。并在3304 軌順封閉墻布置一路注氮管路，注氮量約為10m3/min。自6 月6 日開始監(jiān)測，至今3304 運順回風隅角O2取樣濃度未能低于10%，其余各處O2濃度自漏風流方向（即304 軌順進風隅角→121 架→90 架→63 架→45 架）逐漸降低14%～12%，由于3 煤為易自燃煤層，存在一定的煤自燃風險。

3.2 封閉采空區(qū)能位測定

該區(qū)域通風系統(tǒng)復雜，封閉墻多，3304 工作面回采結束后尚未完全壓實，存在可能的漏風通道。普遍認為漏風流由3304 軌順封閉墻進入，從3304 運順封閉墻流出，但O2濃度一直未能有效降低。因而須對此處通風系統(tǒng)進行能位測定，掌握真實漏風趨勢，為防治自然發(fā)火奠定基礎。將局部通風系統(tǒng)簡化后如圖1所示。

依據(jù)3304 封閉墻周邊通風系統(tǒng)，制定能位測定測點布置如圖1 所示，風流形成3 條路線如下：1，- 260 大巷單軌吊四岔口西→2，3302 運順聯(lián)巷→3，3304 軌順封閉墻→4，- 300 軌回通道；1，- 260 大巷單軌吊四岔口西→2，3302 運順聯(lián)巷→5，3304 運順封閉墻→6，三采東區(qū)橫貫東；1，- 260 大巷單軌吊四岔口西→7，七采西部皮帶機巷3302 停采線下。

圖1 3304 停采線封閉區(qū)域通風系統(tǒng)能位測定圖

3.3 封閉采空區(qū)漏風識別

1）風流流動分析。由測定結果可知，軌順封閉墻外側能位高于運輸封閉墻外側能位約19.3Pa，即推知封閉區(qū)域內(nèi)應由軌順流向運順方向；七采西部皮帶機巷3302 停采線下與軌順封閉墻外側能位基本近似，即此處向軌順封閉墻內(nèi)漏風有一定可能性。

圖2 各路線相對能位分布圖

表1 封閉墻壓差測定

2）封閉墻漏風分析。測定了關鍵節(jié)點處封閉墻壓差及漏風狀態(tài)，如表1 所示。分析可知，運順密閉壓差較大，可達113Pa，此處位于3306 軌順掘進回風處，與常規(guī)認識不同，該密閉墻為進氣狀態(tài)，且壓差較大，但3302 運順密閉壓差不大，僅10Pa，加3304 之軌、運順封閉墻外側能位差19.3Pa，推知封閉區(qū)內(nèi)部與低負壓點有聯(lián)通通道。查詢通風系統(tǒng)圖，發(fā)現(xiàn)3304 開切眼處與西翼總回風巷較近，且3304 剛收作不久，采空區(qū)垮落在運順處形成的“落三角”未完全壓實，存在漏風通道。

3.4 封閉采空區(qū)漏風驗證

基于能位測定七采西部皮帶機巷3302 停采線下處于進風通道，有向軌順封閉墻內(nèi)漏風有一定可能性，現(xiàn)場調(diào)查皮帶機較為完好，巷變形不大，且壓差較小，可以排除此處的漏風可能性。

在西翼總回風巷施工向3304 開切眼處的排水鉆孔，發(fā)現(xiàn)出氣大，壓差可達142Pa，可以判定西翼總回風巷與3304 開切眼存在漏風裂隙，即西翼總回風巷是封閉采空區(qū)的最大漏風匯。

4 結 論

本文基于能位測定技術實現(xiàn)了封閉采空區(qū)漏風通道的量化識別，有效應用于南屯煤礦3304 停采線封閉區(qū)，確定了回風區(qū)域封閉墻進風，改變了回風區(qū)域出風的常規(guī)認識，并發(fā)現(xiàn)了封閉采空區(qū)的最大漏風匯西翼總回風巷，最終確定了該封閉采空區(qū)的漏風通道為：3304 軌、運順封閉墻均進風，3304 軌順流向運順方向，經(jīng)由運順未完全壓實采空區(qū)，溝通西翼總回風巷。此漏風通道量化識別方法可為類似條件礦井封閉采空區(qū)漏風識別提供基礎。