CN108303158A - 一种浅埋煤层工作面采空区地表漏风量的计算方法 - Google Patents

一种浅埋煤层工作面采空区地表漏风量的计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种浅埋煤层工作面采空区地表漏风量的计算方法，具体是(1)开采之前，SF6示踪气体法测量邻近采空区漏风量，记录为V；(2)开采之后，监测矿压，并在地表观测裂隙发育，发生周期来压且在地表观测到大量裂隙，开始测量井下与地表压强，同时检测该压差下的采空区总漏风量，记录为V1，地表漏风量记录为V1‑V，重复以上监测矿压、观测裂隙、检测漏风量的步骤10次以上，并将采空区总漏风量依次记录为V2，V3，……，Vn，地表漏风量依次记录为V2‑V，V3‑V，……，Vn‑V；(3)将每次周期破断后且相同压差下的地表漏风量函数拟合，并进行现场验证及校正。本发明方法简单，可靠性高，操作性强，可应用于我国西部浅埋煤层开采过程中地表漏风量的确定。

Description

一种浅埋煤层工作面采空区地表漏风量的计算方法
技术领域
本发明涉及煤炭开采过程中的防火技术领域，特别是一种浅埋煤层工作面采空区地表漏风量的计算方法。
背景技术
煤层开采后遗留在采空区的破碎煤体在工作面及工作面上覆煤岩体裂隙持续漏风的条件下极易发生自燃。自燃的煤炭不完全燃烧产生大量CO、C2H6等有害气体，导致井下有害气体浓度超标，危害矿井工作人员的生命安全，影响煤矿的正常生产。
我国西部浅埋煤层，由于煤层厚度大，地质条件好，一般采用大采高一次采全高的综采采煤方式，这就导致了采空区遗煤厚度较大，为采空区遗煤自燃提供了条件。此外，由于西部矿区煤层间距近(20m～50m)、埋藏浅(30m～250m)、易自燃、基岩薄，沙土地质特征，煤层开采后采动裂隙往往会发育到地表，形成从地表至采空区的漏风通道，在矿井负压通风作用下，空气从地表渗入采空区，为采空区遗煤自燃持续提供氧气，加剧了采空区遗煤自燃。如何迅速、准确、高效地确定地表漏风量成为了浅埋煤层矿井迫切需要解决的难题。
示踪气体法是目前检测采空区地表漏风量的常用方法。然而，随着工作面的开采，覆岩周期破断，裂隙持续向工作面开采方向延伸，裂隙处于动态演化中。同时，西部地区昼夜温差大，气压波动幅度大，在这种复杂的漏风条件下，示踪气体法只能检测一时的漏风量，而矿井下通过持续释放示踪气体检测漏风量又难以实现。
发明内容
本发明的目的是提供一种浅埋煤层工作面采空区地表漏风量的计算方法，可靠性高，操作性强，可应用于浅埋煤层开采过程中地表漏风量确定。
为实现上述目的，本发明提供一种浅埋煤层工作面采空区地表漏风量的计算方法，包括以下步骤：
S1：在工作面开采之前，采用SF6示踪气体法测量临近采空区漏风量，记录为V；
S2：在工作面开采之后，监测井下矿压，同时在地表观测裂隙发育，当发生周期来压且在地表观测到大量裂隙时，开始测量井下与地表压强，分别记录为P1、P2；同时采用SF6示踪气体法测量该压差下的采空区总漏风量，记录为V1，地表漏风量记录为V1-V；重复监测矿压、观测裂隙、测量相同压差下的采空区总漏风量的步骤10次以上，并将采空区总漏风量依次记录为V2，V3，……，Vn，地表漏风量依次记录为V2-V，V3-V，……，Vn-V；
所述的大量裂隙是指覆岩周期破断导致地表产生一条平行于工作面倾向的宽度较大的主裂隙(一般宽度在1m以上，根据煤层采深不同而略有不同)以及大量平行于该主裂隙的小裂隙；
S3：将每次覆岩周期破断后相同压差下的地表漏风量采用Origin软件进行周期破断次数与地表漏风量的函数拟合，将得到的拟合函数应用于现场进行验证以及校正。
步骤S1和步骤S2中，采用SF6示踪气体法测量漏风量的步骤是：在井下工作面进风巷释放点以15L/min～25L/min的流速连续定量释放六氟化硫示踪气体，气体释放3～5min后，在工作面回风巷接收点检测回风巷中稳定的六氟化硫气体浓度，采用漏风量计算公式(1)得出漏风量。
式中，ν为六氟化硫气体的释放流量，L/min；C为回风巷接收点的六氟化硫气体浓度，ppm；V进为释放气体时进风巷的风量，m3/min。
六氟化硫气体浓度检测采用便携式六氟化硫检测仪。
所述稳定的六氟化硫气体浓度是指显示在便携式六氟化硫检测仪上的数据波动在±0.02以内，且数据稳定时间在30s以上。
步骤S2中，监测井下矿压的步骤是：在上一个工作面的液压支架或者工作面顶板上安装压力传感器，压力传感器对采集的液压支架或工作面顶板的压力信号进行数据分析后显示矿压数值，根据上一个工作面周期来压时的矿压数值设置周期来压阈值，若矿压显示大于该阈值，则视为发生了周期来压。
步骤S3中，进行现场验证及校正的步骤是：在覆岩的第n+1次周期破断后，测量该次周期破断后的地表漏风量，然后与拟合函数的第n+1次计算得到的漏风量进行对比，若误差在5％以内则认为该拟合函数可以准确表达地表漏风量随着周期破断的变化规律；若误差大于5％，则再次测量n次地表漏风量，与之前的n次地表漏风量一起重新进行函数拟合，直到得到准确的拟合函数。
本发明根据覆岩周期破断特征的相似性，测量每次周期破断后相同压差下的地表漏风量，经过拟合得到了地表漏风量随工作面推进距离的变化规律。该方法在工作面开采初期得到地表漏风量与工作面推进距离的拟合函数后，可实时准确计算浅埋煤层工作面整个开采过程中的地表漏风量，克服了因无法及时确定地表漏风从而导致漏风量过大，工作面出现低氧现象以及发生采空区遗煤自燃的缺点，为及时采取减小地表漏风量的安全措施提供了参考依据，保证了浅埋煤层工作面的安全高效开采。本发明操作简单，可靠性高，实用性强，在浅埋煤层开采矿井确定地表漏风量具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明浅埋煤层工作面采空区地表漏风量的计算方法流程图；
图2是本发明实施例中示踪气体释放点和接收点布置图；
图3是本发明浅埋煤层工作面采空区地表漏风量拟合函数图。
图中，1、采空区，2、工作面，3、回风巷，4、进风巷。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步的说明。
实施背景：神东某矿三盘区12煤煤层埋藏深度为96～233m，上覆基岩厚度为50～240m，松散层厚度为5～15m，煤层倾角为1～3°，煤层平均厚度为7.07m，容重1.29×103kg/m3，设计采高6.8m。三盘区工作面回采后，顶板垮落裂隙与上覆采空区导通，上下采空区贯通形成复合采空区，采空区内漏风严重，存在自燃发火的可能性，给矿井安全生产造成严重威胁。
22309工作面于2016年10月上旬开始回采，回采前工作面供风量为1700m3/min左右；工作面回采后供风量为2100m3/min左右。为了确定地表漏风量，保障矿井的安全生产，利用本发明提供的方法计算地表漏风量，具体步骤如下：
如图1和图2所示，图2中箭头所示方向为工作面开采方向，工作面2开采之前，在井下工作面2进风巷4释放点即进风巷4进风隅角处(图2中A点位置)以15L/min～25L/min(本实施例优选20L/min)的流速连续定量释放六氟化硫示踪气体，气体释放3～5min后，在回风巷3接收点即回风巷3回风隅角处(图2中B点位置)采用便携式六氟化硫检测仪测量回风巷中六氟化硫气体浓度，待便携式六氟化硫检测仪上的浓度稳定，即浓度数据波动在±0.02以内，且数据稳定时间在30s以上，记录下回风巷3内六氟化硫浓度为11.58ppm，释放气体时进风巷4的风量为1713m3/min。采用漏风量计算公式(1)，得出临近采空区漏风量为14m3。
式中，ν为六氟化硫气体的释放流量，L/min；C为回风巷3接收点的六氟化硫气体浓度，ppm；V进为释放气体时进风巷4的风量，m3/min。
通过安装在上一个工作面的液压支架上的压力传感器，测得正常来压期间工作面矿压在260-300bar之间，而周期来压时，矿压普遍达到400bar以上，因此将400bar设为周期来压的阈值。压力传感器也可以预先安装在上一个工作面的顶板上，采集工作面顶板的压力信号。
工作面2开采至58m时，覆岩初次周期来压，地表观测人员在地表未观测到采动裂隙。当工作面2开采至143m，覆岩第五次周期来压，之后地表观测人员在地表观测到一条最大宽度为2.73m，平行于工作面2方向的大裂隙，且在裂隙两侧出现大量平行于该裂隙的小裂隙。此时地表裂隙观测人员使用压强计测量地表压强为887.3hpa，并采用矿用小灵通通知井下工作人员开始测量地表漏风量以及井下压强。井下工作人员在收到通知后，在工作面进风巷4进风隅角处A以20L/min的流速连续定量释放六氟化硫示踪气体，释放气体时进风巷风量为2138m3/min。气体释放3～5min后，采用便携式六氟化硫检测仪在回风巷3回风隅角处B测得回风巷3中稳定的六氟化硫浓度为9.16ppm，使用压强计测得回风巷3压强为884.4hpa，采用漏风量计算公式(1)得到采空区总漏风量为45.41m3，则地表漏风量为31.41m3。
重复以上检测矿压，观测裂隙以及测量采空区总漏风量的步骤，共测得矿井12天的漏风量数据，其结果如下表所示：
将上述地表漏风量数据输入Origin软件进行函数拟合，得到的拟合函数如图3所示。拟合函数相关系数为0.97733，拟合较成功，将函数应用于现场进行验证。在覆岩发生第十六次周期破断后，裂隙第十二次发育到地表，在井下工作面进风隅角处以20L/min的流速连续定量释放六氟化硫示踪气体，此时工作面进风巷风量为2172m3/min，便携式六氟化硫检测仪检测到回风巷内的气体浓度为8.39ppm，经过式(1)计算得采空区总漏风量为211.79m3，地表漏风量是197.79m3，而采用拟合公式计算得到的地表漏风量为202.08m3，拟合得到的地表漏风量与实际测量的地表漏风量误差为2.17％，说明拟合得到的函数关系可以较好地计算该工作面的地表漏风量。

Claims (5)

1.一种浅埋煤层工作面采空区地表漏风量的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在工作面(2)开采之前，采用SF6示踪气体法测量临近采空区漏风量，记录为V；
S2：在工作面(2)开采之后，监测井下矿压，同时在地表观测裂隙发育，当发生周期来压且在地表观测到大量裂隙时，开始测量井下与地表压强，分别记录为P1、P2；同时采用SF6示踪气体法测量该压差下的采空区总漏风量，记录为V1，地表漏风量记录为V1-V；重复监测矿压、观测裂隙、测量相同压差下的采空区总漏风量的步骤10次以上，并将采空区总漏风量依次记录为V2，V3，……，Vn，地表漏风量依次记录为V2-V，V3-V，……，Vn-V；
S3：将每次覆岩周期破断后相同压差下的地表漏风量采用Origin软件进行周期破断次数与地表漏风量的函数拟合，将得到的拟合函数应用于现场进行验证以及校正。
2.根据权利要求1所述的浅埋煤层工作面采空区地表漏风量的计算方法，其特征在于，步骤S1和步骤S2中，采用SF6示踪气体法测量漏风量的步骤是：在井下工作面(2)进风巷(4)释放点以15L/min～25L/min的流速连续定量释放六氟化硫示踪气体，气体释放3～5min后，在工作面(2)回风巷(3)接收点检测回风巷(3)中稳定的六氟化硫气体浓度，采用漏风量计算公式(1)得出漏风量；
式中，ν为六氟化硫气体的释放流量，L/min；C为回风巷(3)接收点的六氟化硫气体浓度，ppm；V进为释放气体时进风巷(4)的风量，m3/min。
3.根据权利要求1或2所述的浅埋煤层工作面采空区地表漏风量的计算方法，其特征在于，步骤S2中，监测井下矿压的步骤是：在上一个工作面的液压支架或者工作面顶板上安装压力传感器，压力传感器显示矿压数值，根据上一个工作面周期来压时的矿压数值设置周期来压阈值，若矿压显示大于该阈值，则视为发生了周期来压。
4.根据权利要求1或2所述的浅埋煤层工作面采空区地表漏风量的计算方法，其特征在于，步骤S3中，进行现场验证及校正的步骤是：在覆岩的第n+1次周期破断后，测量该次周期破断后的地表漏风量，然后与拟合函数的第n+1次计算得到的漏风量进行对比，若误差在5％以内则认为该拟合函数可以准确表达地表漏风量随着周期破断的变化规律；若误差大于5％，则再次测量n次地表漏风量，与之前的n次地表漏风量一起重新进行函数拟合，直到得到准确的拟合函数。
5.根据权利要求2所述的浅埋煤层工作面采空区地表漏风量的计算方法，其特征在于，所述六氟化硫气体浓度检测采用便携式六氟化硫检测仪。
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