基于SF6连续恒量释放法的综放工作面漏风测定

魏秉生

(西山煤电集团 镇城底矿，山西 古交 030200)



·试验研究·

基于SF6连续恒量释放法的综放工作面漏风测定

魏秉生

(西山煤电集团 镇城底矿，山西 古交 030200)

介绍了SF6示踪技术测定漏风的原理、仪器装置和测量方法。通过确定SF6的释放量，取样点与SF6释放点的间距，运用SF6连续恒量释放法对某大型煤矿8上108综放工作面的漏风情况进行定量分析，得出该工作面的漏风来源主要是采空区，漏风量为68.47 m3/min，漏风率为3.5%，该研究结果为采取针对性的漏风防治措施提供理论依据。

示踪技术；漏风；SF6气体；连续恒量释放

矿井漏风既减少了用风地点的有效风量，造成供风不足，且连续的漏风供氧易造成采空区、高冒落点和密闭等处发生煤炭自燃、有害气体超限、瓦斯异常涌出或爆炸等事故[1]. 而综放工作面由于顶煤冒落空间大、遗留浮煤多、冒落不严实，漏风现象更严重，由漏风造成的事故发生概率更大。因此，对综放工作面的漏风情况进行有效、准确的检测，以便提出有针对性的堵漏风措施，是保证工作面安全高效生产的重要手段。

漏风的测量方法主要有风表测量法和示踪气体测定法两种，风表测量法受巷道断面形状和风表精度的影响，测量结果不准确，尤其当漏风量小时，测量误差较大，且采空区、密闭等处因人员不便进入，难以用风表测量法得到其漏风规律；而示踪气体法具有简便、灵活和易于操作等优点，不仅能检测出漏风风速和漏风通道，还能精确检测漏风量大小，是目前生产实际中应用最广泛的漏风测量技术[2].

1 工作面概况

山西省境内某大型煤矿年生产能力核定为1 000万t/a，属于瓦斯矿井，井田内可采煤层共6层，主要可采煤层为7#煤层、8上煤层和8#煤层。8上108综放工作面东邻8上109工作面，西邻8上106-2和8上106-4采空区及构造保护煤柱，南邻8上煤井田边界构造保护煤柱，北邻南坪沟水源地，煤层埋藏深度165～278 m. 工作面走向长度2 150 m，倾斜长度210 m，开采煤层厚度12.58 m，煤层倾角0.5°～2.1°. 工作面采用综采放顶煤一次采全高，机采高度4.0 m；放煤高度8.3 m，月推进长度235 m. 工作面采用U型通风，风流从8上108辅运巷流入，经工作面由8上107胶运巷流出。经鉴定，该煤层具有Ⅱ级自燃倾向性，煤的自然发火期为35～55 d，煤尘爆炸指数为33.89%～45.93%，具有爆炸性。

在初期回采过程中，发现工作面上隅角存在瓦斯异常涌出现场，经调研分析，主要是由于放顶煤周期来压步距大，造成采空区孔隙率大，导致漏风量大，将采空区内积聚的瓦斯带入工作面。

2 SF6示踪气体测定漏风的原理与方法

2.1 测定原理

SF6是一种人工合成的无色、无味、无嗅、无毒的不可燃气体，在常温常压下具有较好的稳定性，不和与之接触的物质发生化学反应，是煤矿井下常用的示踪剂[3]. 利用SF6示踪气体脉冲释放法在短时间内把示踪气体从进风口释放到风流中去，然后在几个预先估计的漏风通道出口采取气样，通过分析采集的气样中是否含有SF6以及根据到达接收点的时间来确定具体漏风通道。

根据对漏风检测要求的不同，采用SF6示踪测定漏风的方法主要有瞬时释放、连续定量释放和多示踪气体测定3类[4]. 其中，连续定量释放法可定量检测矿井漏风量的大小，其基本原理是[5]：在所考查的井巷风流中，连续定量释放SF6示踪气体，之后分别在下风流方向预定的采样点采集气样，分析沿风流方向SF6的浓度变化情况，如果沿途不漏风或向外漏风，则风流沿途各点SF6浓度保持不变；如果沿途向巷道内漏风，则风流沿途各点SF6浓度呈下降趋势变化。通过取样分析SF6的浓度变化，求出沿途的漏风量，从而找出漏风规律。

假设示踪气体的释放速度为q，采样时示踪气体已与空气充分均匀混合，整个测段布置n个采样点，进风采样点i处的SF6气体浓度为Ci，下风向采样点i+1处的SF6气体浓度为Ci+1，由质量守恒定律知，q=Ci·Qi=Ci+1·Qi+1，则漏风量ΔQi,i+1为：

(1)

式中：

q—SF6释放量，L/min；

ΔQi,i+1—测点i、i+1间的漏风体积流量，m3/min;

Ci—进风巷SF6气体浓度，×10-6;

Ci+1—回风巷SF6气体浓度，×10-6.

由式(1)可求得各分测段的漏风量，则可累积得到整个测量段的漏风量ΔQ：

(2)

由于工作面湿度大、温度高，流经工作面的新鲜风流的温度、压力等物理参数势必会发生变化，若各采样点的大气参数变化较大时，可用下式对风量进行校正：

(3)

式中：

Pi、Pi+1—分别为采样点i、i+1处的绝对压力，Pa;

Ti、Ti+1—分别为采样点i、i+1处的绝对温度，K.

则：漏风率K为：

(4)

2.2 释放装置及测定仪器

工作面采空区漏风量测定采用SF6连续释放系统，该系统具有较高的气密性，主要由钢瓶、减压阀、稳流阀、稳压阀和流量计组成，见图1. 系统经二级稳压、一级稳流，可以连续定量的释放SF6气体，实际应用过程中，可以将稳压阀和流量计之间的连接铜管压扁以增加气体流动阻力，进一步提高气体释放的稳定性。为了能准确把握采样点开始采样的时间，避免盲目采样而造成的数据不准，在本次现场实测过程中，事先在最末端的采样点附近放置一台XP-1A型SF6定量检漏仪，用来检测风流中是否含有SF6示踪气体，当检漏仪检测到示踪气体发出稳定的报警声，即可开始对各采样点进行气体采集。

1—气体钢瓶 2—减压阀 3—稳压阀 4—稳流阀 5—流量计图1 SF6连续释放系统示意图

2.3SF6释放量的选取

SF6的释放量取决于巷道风量及分析仪器的最小检测浓度，其流量可用下式估算：

q=kCQ

(5)

式中：

k—误差系数，取4～5；

C—预计风流中最小的SF6浓度，取10-8；

Q—巷道风量，m3/min.

经测量，8上108辅运巷巷道断面积为18.42m2，风速在1.73m/s左右，计算得巷道风量约为1 910m3/min，将这些参数代入公式(5)，得出SF6释放量为72～90mL/min，为了便于计算，本次测试中SF6释放量取100mL/min.

2.4 取样点与SF6释放点间距的确定

取样点与SF6释放点以及取样点与取样点的间距根据下式来计算[6]：

L≥32S/U

(6)

式中：

S—巷道断面积，m2；

U—巷道周界长度，m.

工作面断面积为18.36 m2，周界长为17.6 m. 经计算，工作面测量漏风的间距不低于32.9 m，取40 m.

3 8上108综放工作面漏风检测分析

3.1 测点布置

漏风检测过程中的示踪气体释放点和采样点布置情况见图2. 其中，工作面处的示踪气体释放位置距入风口30 m，每间隔40 m布置一采样点，共5个采样点，依次标号为1#～5#，当事先放置在5#采样点附近的检漏仪检测到稳定浓度的SF6气体，开始依次对采样点进行取样，并对取样气带做好标记，每个采样点取3次样，取样间隔时间为5 min，由于工作面断面积较大，每个采样点在巷道断面左、中、右3处分别取样，以其平均值作为一次取样的SF6浓度值。

3.2 检测结果与分析

通过对工作面不同时间点的SF6的采样分析，得出测点分析结果见表1. 在不考虑入风流经过工作面时的遇热膨胀作用，工作面的漏风量为：

(7)

图2 释放点与采样点布置图

实测过程中，工作面瓦斯涌出量为8.05 m3/min，工作面入风侧温度为18 ℃，回风侧温度为20 ℃，则入风流1 935.35 m3/min经工作面后体积膨胀至为1 947.78 m3/min. 因此，采空区向工作面实际漏入风量为：

ΔQ实= 88.94-8.04-(1 947.78-1 935.35)=

68.47 m3/min

(8)

进而可知，漏风率：

(9)

表1 本工作面采空区SF6气体漏风测定数据表

4 结 语

1) 利用SF6连续恒量释放法可定量测定、分析工作面漏风情况，操作简单，检测精度高，值得推广应用。

2) 通过对8上108综放工作面进行漏风测试，得出该工作面的漏风来源主要是采空区，漏风量为68.47 m3/min，漏风率为3.5%.

3) 针对该工作面采空区漏风情况，可通过在采空区“两道”侧构筑隔离墙、灌浆封堵裂隙等措施来减少漏风。

[1] 于树江,杨成轶,徐纪元.SF6连续恒量释放法在矿井巷道漏风监测中的应用[J].科技导报,2014,32(15):58-61.

[2] 刘国忠,李国华,王正辉,等.SF6示踪气体连续释放法在采空区漏风检测中的应用[J].煤矿安全,2011,42(9):114-147.

[3] 王辉跃.基于SF6示踪气体检测综放工作面周边漏风通道技术[J].矿业安全与环保,2014,41(3):92-95.

[4] 王永安.示踪技术在哈拉沟矿漏风检测中的应用[J].煤,2008,17(7):91-93.

[5] 李迎春,杨胜强,张 帅.基于示踪气体采空区漏风通道定性识别[J].煤矿安全,2013,44(1):185-188.

[6] 何俊忠,杨宏伟.SF6示踪气体在采空区漏风量测定及注氮优化中的应用[J].煤矿安全,2012(S1):119-121.

Measurement of Air Leakage in Fully Mechanized Caving Face with Method of Continuous Quantitative Releasing SF6

WEI Bingsheng

Introduces the principle, instrument and measuring method of air leakage by SF6tracing technique. The air leakage was analyzed quantitatively in 8上108 fully mechanized caving face with the method of continuous and constant quantitative releasing of SF6, of sampling points and its space between each point, the results provide a theoretical basis for taking targeted measures to prevent and control air leakage.

Tracer technique; Air leakage; SF6 gas; Continuous and constant quantitative releasing

2017-02-27

魏秉生(1976—)，男，山西汾阳人，2014年毕业于太原理工大学，助理工程师，主要从事煤矿井下通风安全技术管理工作

(E-mail)604990911@qq.com

TD728

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1672-0652(2017)04-0004-03