SF6示踪气体瞬时-连续联合释放法在工作面漏风检测中的应用

吴玉国 王涌宇

(太原理工大学矿业工程学院，山西省太原市，030024)

SF6示踪气体瞬时-连续联合释放法在工作面漏风检测中的应用

吴玉国 王涌宇

(太原理工大学矿业工程学院，山西省太原市，030024)

针对平朔井工一矿4109工作面漏风现象，基于SF6气体的示踪原理，采用瞬时-连续联合释放法对4109工作面内-外漏风进行系统分析。试验结果表明，4109综放工作面外部漏风通道主要是地表裂隙通道，内部漏风主要来自于采空区和回风巷，并进一步计算出漏风量和漏风率，为矿井火灾的防治提供了依据。

矿井漏风 SF6示踪气体 瞬时-连续联合释放法 内-外漏风 火灾防治

AbstractAiming at the air leakage problem in 4109 work face of Pingshuo Underground No. 1 Mine, based on the tracer principle of SF6gas, the instantaneous-continuous joint releasing method was used to systematically analyze the internal-external air leakage of 4109 work surface. The experimental results showed that the external air leakage channel of 4109 fully mechanized caving face was mainly surface fissure channel, while the internal air leakage channel was mainly from the gob and return air roadway. Besides, the air leakage amount and leakage rate were measured to provide the basis for prevention and control of mine fire.

Keywordsmine air leakage, SF6tracer gas, instantaneous-continuous joint releasing method, internal-external air leakage, fire prevention

矿井漏风是井下通风普遍存在的一种现象。矿井漏风会浪费通风能量，降低矿井的有效风量率，造成用风地供风不足，同时，连续的漏风供氧加速了工作面、采空区、密闭内遗煤的氧化，容易造成采空区内煤炭自燃、瓦斯异常涌出等现象，甚至会产生瓦斯爆炸等事故。矿井漏风已经成为影响矿井安全生产的一个重要隐患。

随着机械化开采的普及，井下巷道交错，漏风形式多种多样，程度也不尽相同，因此必须采取有效、准确的方法进行漏风检测，找出漏风通道，确定漏风规律,为矿井火灾的防治提供依据。目前国内外普遍使用基于SF6示踪气体的漏风检测技术对矿井漏风进行测定和定量计算。

1 示踪气体原理

示踪技术测量矿井风量的基本原理是示踪气体质量守恒方程。示踪气体释放后与巷内空气迅速而充分混合，当巷道风量一定，在一定时间后，接收点的示踪气体浓度将为常数。示踪气体测定漏风技术可以分为瞬时释放和连续定量释放。

(1)瞬时释放法。在漏风源一次瞬时释放一定数量的SF6气体，同时在漏风汇集处取样分析(一般每间隔5～20 min取样一次)，通过分析采集气样中是否含有SF6来确定是否存在漏风、漏风通道、漏风速度和漏风方向。

(2)连续定量释放。在井巷进风流中，连续稳定地释放SF6气体，然后分别在沿风流方向设定的采样点采集气样。如果沿途有风漏入时，则井巷中风量逐渐增加，风流中SF6浓度逐渐下降。通过对采样点SF6浓度变化的分析，即可求得漏风量，从而找出漏风规律。

图1 连续稳定释放SF6测定漏风原理

连续稳定释放SF6测定漏风原理如图1所示，设在1处连续稳定释放SF6气体，在2处采集气样，假设环境中SF6浓度可以忽略不计，只需要在巷道沿风流方向选择多个采样点，并同时采样，测定气样中的SF6浓度，便可计算出各采样点的风量，从而求出漏风量：

(1)

式中：ΔQ——漏风量，m3/min；

Q1——流经1点出的风量，m3/min；

Q2——流经2点出的风量，m3/min；

q——1点处SF6气体释放量，m3/min；

C1——1点处SF6浓度，%；

C2——2点处SF6浓度，%。

同时可以进一步求得漏风率K：

(2)

2 漏风检测方法的确定

平朔井工一矿煤层属于埋藏浅、近距离煤层，特别是4109工作面，其上部还存在小窑破坏区，漏风成为4109工作面自燃火灾的重大隐患。通过勘探分析，4109工作面主要有地表漏风、4109工作面上部小窑破坏区及邻近工作面通过采动裂隙的漏风以及本层工作面内部漏风3个漏风通道，按照漏风通道的不同可以分为外部漏风和内部漏风，因此本文利用瞬时-连续联合释放法，系统地对4109工作面内-外漏风系统进行分析。

2.1 瞬时释放法

根据勘探分析，4109工作面唯一的漏风汇在回风隅角处，根据示踪气体漏风测定技术的特点，利用SF6气体瞬时释放法对4109工作面外部漏风进行研究，具体步骤如下：

(1)在4109综放工作面所处的井上位置靠近回风巷一侧选择了2处较宽较深的地表裂缝作为SF6气体释放点，使SF6气体最大可能地漏入井下采空区。

(2)在4109综放工作面上部小窑底板处和南部4111工作面的回风巷道处，分别选择2处释放SF6气体。

为降低试验偶然性，在每个地方选定2个释放点轮流释放SF6气体，首先在第一个释放点释放5 min，随后在另一个释放点继续释放5 min，轮流释放完20 min后，在4109综放工作面的回风上隅角进行采样分析，每隔10 min采样一次，共采气样球15个。

2.2 连续释放法

为进一步确定4109综放工作面内部的漏风规律，采用连续释放SF6气体法对内部漏风通道、漏风量、漏风率等具体参数进行研究。

(1)SF6气体释放量的大小取决于巷道的风量和地表漏风量及分析仪器的检测浓度。其稳定连续释放流量可用式(3)估算：

q>(2.5～3.5)QM×C

(3)

式中：QM——巷道风量，m3/min；

C——仪器的适应检测浓度，%。

将4109综放工作面进风巷道风量1436 m3/min代入式(3)，得SF6气体释放量为63 ml/min。

(2)采样点的布置要满足SF6气体充分释放且均匀混合。SF6示踪气体在巷道中沿径向扩散，距离释放点越远，扩散越均匀，当巷道断面中心的浓度是巷道壁面浓度的0.95倍时，可认为示踪气体扩散已经达到均匀。通过实践发现，SF6在释放120 m后，这个比值可以达到0.95，因此选择在距释放源120 m处开始布置采样点。

4109综放工作面进回风巷释放点及采样点的布置情况如图2所示，释放源距离工作面160 m，在距释放源下风流120 m，每隔20 m布置一个采样点，共3个，编号1，2，3；然后在对应的回风巷道内同样布置3个采样点，编号4，5，6。当从释放源释放气体后经过1 h开始采样，在各个采样点分别采样两次，两次采样的时间间隔为10 min。

图2 4109综放工作面SF6释放点及采样点布置方式

3 漏风检测结果及分析

3.1 瞬时释放法漏风检测结果及分析

在4109综放工作面地表裂隙、小窑底板等区域进行瞬时释放SF6气体后，监测SF6气体浓度变化趋势如图3所示。由图3可以看出，在回风隅角处检测到的小窑底部破坏区和邻近工作面所释放的SF6气体浓度很低，变化幅度小，表明这两处所释放的SF6气体并未充分到达4109综放工作面，也就是说从这两处到4109综放工作面并无明显漏风裂隙和通道；而地表裂隙处的SF6气体浓度明显高于其他两处，其SF6气体浓度呈现先增加后稳定、最后迅速降低的趋势，这主要是由于地表裂隙处释放的SF6气体通过裂隙通道逐渐到达4109综放工作面处，然后在一段时间内浓度保持稳定，随后随着释放的停止浓度逐渐降低。地表裂隙处SF6气体浓度变化规律表明了从地表裂隙处到4109综放工作面有明显的漏风通道，需要进行有效治理。

图3 瞬时释放法SF6气体浓度变化趋势

3.2 连续释放法漏风检测结果及分析

巷道内各个采样点连续两次检测SF6气体的浓度值情况见表1。由表1可以看出，沿着风向流动的方向，SF6浓度逐渐降低，而采样点的风量却逐渐增加，表明4109综放工作面存在明显漏风。根据漏风采样地点的不同，可以将4109综放工作面漏风地点划分为进风巷、采空区、回风巷3个不同区域，3个不同区域的具体漏风参数(平均值)见表2。

表1 4109综放工作面内部采样点漏风量测定结果

表2 4109工作面漏风量及漏风率

(1)进风巷道，采样点1-2-3。结合表1和表2可以看出，进风通道内部的采样点SF6气体与巷道内空气混合均匀，浓度变化不大，漏风量及漏风率很小。

(2)采空区，采样点3-4。当风流从采样点3流向4后，SF6气体浓度急剧降低，漏风量和漏风率也明显高于进风巷道，表明采空区内存在明显漏风。由于4109综放工作面构造复杂，采空区漏风主要来源于邻近采空区及地表裂隙，通过瞬时释放法也得出，地表裂隙向4109综放工作面漏风量明显，造成采空区漏风增加。

(3)回风巷，采样点4-5-6。经检测回风巷道内部的漏风量在55 m3/min左右，漏风率在3.5%左右，说明回风巷道存在漏风现象。这主要是由于在回风巷道内侧留有一定的隔离煤柱，在矿压的作用下，煤柱受压变形出现裂隙，形成漏风通道，导致回风巷道出现较大漏风。

工作面漏风的存在会诱导浮煤的氧化自燃，通过利用瞬时-连续联合释放SF6法，对4109综放工作面的内外漏风通道进行系统研究，发现4109综放工作面外部漏风通道主要是地表裂隙通道，内部漏风主要来自于采空区和回风巷，针对主要漏风通道，应及时采取有效的堵漏措施，减少风流通过漏风通道，从根本处上切断供氧源，防止4109综放工作面的浮煤自燃。

4 结论

采用瞬时-连续联合释放法确定了4109综放工作面外部漏风通道主要是地表裂隙通道，通过合理布置了示踪气体释放点与采样点的位置，发现内部的漏风通道主要来自于采空区和回风巷漏风，并进一步计算出漏风量和漏风率，为矿井火灾的防治提供了依据；采用瞬时-连续联合释放法避免了单一方法的局限性，具有一定的推广意义。

[1] 张国枢，戴广龙．煤炭自燃理论与防治实践[M]．北京:煤炭工业出版社，2002

[2] 陈开岩，李尚国．示踪气体测风方法有关理论问题的探讨[J]. 中国矿大学报，2007(12)

[3] 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(1)

[4] 秦波涛，李增华．利用SF6气体测定矿井漏风技术[J]． 河北煤炭，2001(1)

[5] 任晓鹏. SF6示踪气体在矿井近距离煤层漏风检测中的应用[J].煤炭技术，2013(6)

[6] 舒祥泽，商登莹.示踪技术在矿井漏风状况定量分析中的应用[J].煤炭学报，1991(2)

[7] 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(9)

[8] 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)

[9] 杨勇，史惠堂.应用示踪技术检测矿井采空区漏风[J].中国煤炭，2009(2)

[10] 王海桥.掘进工作面射流通风流场研究[J].煤炭学报，1999(5)

[11] 李增华，程远平，彭担任.示踪气体连续释放技术及其在矿井外部漏风检测中的应用[J].煤矿安全，1992(5)

(责任编辑 张艳华)

Applicationofworkfaceairleakagemonitoringbythejointreleasingmethodofinstantaneous-continuousSF6tracergas

Wu Yuguo, Wang Yongyu

(College of Mining Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan, Shanxi 030024, China)

TD728

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吴玉国，王涌宇. SF6示踪气体瞬时-连续联合释放法在工作面漏风检测中的应用[J].中国煤炭，2017，43(9)：108-111. Wu Yuguo, Wang Yongyu. Application of work face air leakage monitoring by the joint releasing method of instantaneous-continuous SF6tracer gas [J]. China Coal, 2017, 43(9):108-111.

吴玉国(1978-)，男，湖南汨罗人，副教授，长期从事煤炭自燃火灾防治的研究。