基于示蹤氣體技術的采空區漏風規律分析研究

李建平

(太原理工大學 礦業工程學院，山西 太原 030024)

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·試驗研究·

基于示蹤氣體技術的采空區漏風規律分析研究

李建平

(太原理工大學 礦業工程學院，山西 太原 030024)

針對采空區漏風的危害大、治理難等特點，應用SF6示蹤氣體技術檢測法對屯蘭礦采空區的漏風情況進行了現場監測，分析找出了采空區的漏風通道、漏風方向，并通過計算得出了最大漏風風速，并得出了采空區的漏風規律。

采空區；漏風；示蹤氣體技術；煤層自燃

采空區漏風會引發煤層自燃，CO、SO2等有毒有害氣體流向回采工作面，導致井下空氣質量下降，從而引發一系列安全事故。因采空區漏風控制不好造成采空區煤炭自燃從而引發采空區火災的現象屢見不鮮。如汾西某礦的保護煤柱存在漏風現象，致使自燃煤層在風流作用下范圍擴大，最后釀成大火災。因此，對礦井漏風地點進行嚴格排查，總結各個漏風地點的漏風規律，積極采取相應的礦井漏風封堵措施，為礦井安全高效生產提供必要的保障。

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

當前，針對礦井漏風檢測技術的研究越來越多，存在各種各樣的追蹤手段，但礦井內部各種巷道與采空區錯綜復雜的連接關系，使得追蹤采空區漏風規律的難度增大，不能通過某種單一的技術得出其漏風規律。

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，該氣體的物理化學性質保持穩定性。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。國內采用的一般是六氟化硫和二氟一氯一溴甲烷。

根據上面兩種示蹤氣體的性質，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

本次采空區漏風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。

經過改進后的TIF 5750A型SF6鹵素檢漏儀靈敏度非常高。當打開工作按鈕后，此檢漏儀就會自動工作根據提前設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 主要技術規范

1) 靈敏度范圍：0～4 g/a

2) 響應間隔：瞬間響應

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，無限止

2 對采空區漏風進行檢測

2.1 脈沖釋放與應用

應用示蹤氣體檢測礦井漏風有兩種方法：示蹤氣體脈沖釋放法和示蹤氣體連續穩定定量釋放法。

脈沖釋放是指在風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檢測礦井漏風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相連通巷道的風流的流動路徑，并根據流動方向判斷風流能量的高低。其次，確定與采空區相連的自燃煤層及漏風源與漏風風流交匯點。最后，選擇風流能量較高的漏風地點釋放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氣體注入漏風源。

2) 樣本的采集。

為了計算漏風風速，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匯之前完成。正確的操作方法是在提前選定的幾個漏風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漏風的風流速度和風量確定，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—釋放點的漏風量，m3/min；

C—儀器的適宜檢測濃度，C≈108；

t—示蹤氣體在風流中均勻分散所需要的時間，min，般取10～20；

k—漏風影響系數，通常取1.3～2.0.

4) 漏風區域風速的計算。

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，氣體在采空區內流動路徑的總長度為L，則漏風風速見式(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，則采空區漏風路徑上的最大漏風風速見式(3)：

(3)

2.2 用示蹤氣體恒流釋放技術檢測礦井漏風

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

設漏風率為x(%)，由漏風率定義得式(4)：

(4)

由質量守恒原理，得：

(5)

由式(4)、(5)可得：

(6)

若漏風量中無示蹤氣體，則C0=0

設通過釋放點的風量為Q0(m3/s)，示蹤氣體釋放量為q(mL/s)，漏風區間上風側的示蹤氣體濃度為C，則：

(7)

運用以上公式可以計算連續兩點之間的礦井漏風量，從而總結出整個采空區漏風風流路徑上的漏風規律。

圖1 示蹤氣體恒流釋放技術圖

在取樣過程中，由于各個點的標高不同，導致其對應的大氣壓也不相同，如果某連續兩點之間的氣壓差值非常大，可以根據以下公式對風量進行校正：

(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.

在采空區漏風的檢測中，可以根據特定的需要和環境靈活布設釋放點和取樣點。

2.3 結果及其分析

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風流中，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工作面采空區密閉處的距離為500 m，漏風風速最大值為：

檢測結果表明，12407工作面采空區與舊巷密閉

之間存在漏風，最大漏風風速達到0.333 m/s，該風速已經超過《煤礦安全規程》中對采煤工作面最低允許風速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，在定性檢測漏風通道時，可以迅速檢測到釋放的SF6，及時發現采空區的漏風通道，及時消除采空區火災隱患。

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場的需要。

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

3 結 論

1) 采空區存在漏風通道是導致采空區煤炭自燃的根本原因之一，示蹤氣體技術是檢測復雜采空區漏風通道、判斷漏風方向、估計漏風風速的有效可靠手段。

2) 采用釋放SF6示蹤氣體技術檢測到屯蘭礦12407工作面的漏風通道，并得出了最大漏風風速。計算結果表明，漏風通道的最大漏風風速達0.333 m/s.

3) 本次測試表明，便攜式SF6檢漏儀使用方便，在定性檢測漏風通道時，可以迅速檢測到釋放的SF6，及時發現采空區的漏風通道并采取補救措施，消除采空區火災隱患。

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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級太原理工大學在讀工程碩士研究生，政工師，主要從事企業管理工作

(E-mail)64084158@qq.com

TD728

B

1672-0652(2017)05-0031-04