CN113700472B - 一种采空区漏风方向确定及漏风量测量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种采空区漏风方向确定及漏风量测量的方法，包括以下步骤：将SF6气体释放装置放置在进风巷道，将工作面平均分为n份，在各个分割点位置上分别放置一台SF6气体浓度实时监测装置，进行SF6气体的瞬时释放操作，等SF6气体浓度实时监测装置示数归零后，停止测量；根据SF6气体浓度实时监测装置所实时测得的SF6示踪气体浓度，建立浓度时间曲线；根据曲线围成面积，寻找漏风方向转变点k所在位置，如果沿途不漏风或者向采空区漏风，则沿途各点风流中的示踪气体浓度所围成的面积保持不变；如果当沿风流方向有漏风涌入时，会使井巷中示踪气体浓度所围成的面积发生变化呈下降趋势。本发明可以详细描述采空区与工作面之间整个气体扩散变化过程。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿安全领域，具体地说是涉及一种采空区漏风方向确定及漏风量测量的方法。
背景技术
目前我国的煤矿安全问题比较突出，而煤层自燃更是各矿区的主要灾害之一。根据煤层自燃机理，遗煤自燃必须满足以下四个条件：①具有自燃倾向的煤呈破碎堆积状态；②充足的氧气；③较好的蓄热环境；④达到自燃发火期。其中的第二个条件提到的充足氧气正是通过采空区的漏风来的，本身采空区的遗煤就处于封闭状态，可以很好的自热蓄热，一旦由采空区漏风而给遗煤带来充足的氧气，遗煤很容易发生自燃，因此想控制采空区遗煤的自燃，只能通过限制通风供氧来实现。采空区遗煤自燃所需氧气主要来源于工作面向采空区的漏风，也就是采空区火灾的主要影响因素。从上述分析可以看出，要想减少因为采空区漏风所带来的危害，清晰的掌握采空区的漏风情况是必不可少的。另一方面，采空区向工作面漏风的情况以及漏风量的大小又与瓦斯气体涌出量息息相关，对于工作面的安全生产及减少瓦斯事故发生有重大意义。
目前，常规的漏风测量方法主要有风表测量法和示踪技术测量法，采用风表测量漏风时，受断面形状及空间设备材料的影响，往往造成测量结果不准确，且漏风量较小时测量误差较大。另外，由于采空区是人员进出不便的地方，用传统的风表测量法测定漏风量、研究风流流动规律更是不便和不可行的。经过多年的研究，目前国内外应用比较普遍的矿井漏风测量方法是示踪技术法，即应用示踪剂来研究气体流动踪迹及其规律的一项专门技术。
但是，现有示踪技术法对于采空区的漏风测量都相对粗糙，实验方案布置相对简单，只是将采空区的漏风区简单分为两种：工作面向采空区漏风和采空区向工作面漏风，而无法准确的描述工作面与采空区之间的漏风分布规律以及任意两点间的漏风量大小。另外，现有示踪技术法多是需要持续释放示踪气体，测量成本高，也存在一定的危害性。
发明内容
基于上述技术问题，本发明提出一种采空区漏风方向确定及漏风量测量的方法，该方法能将采空区与工作面之间的相互漏风关系，以及漏风量等信息描清楚。
本发明所采用的技术解决方案是：
一种采空区漏风方向确定及漏风量测量的方法，包括以下步骤：
(1)将第一瞬时SF6气体释放装置放置在进风巷道远离下隅角位置，该位置记为第1点，在进风巷道下隅角位置放置一台SF6气体浓度实时监测装置，该位置记为第2点，将工作面平均分为n份，在各个分割点位置上分别放置一台SF6气体浓度实时监测装置，各个分割点位置从靠近进风巷道到回风巷道依次记为第3点，第4点……第n+2点；将第二瞬时SF6气体释放装置放置在回风巷道的上隅角处，该处位置记为第n+3点，在第二瞬时SF6气体释放装置的下风向放置有一台SF6气体浓度实时监测装置，该处位置记为第n+4点；
(2)先在回风巷道进行SF6示踪气体瞬时释放，开启第二瞬时SF6气体释放装置，以及第n+4点处的SF6气体浓度实时监测装置，通过监测第n+4点的示踪气体浓度，以及公式(1)来计算第n+4点处回风巷道的风量；
Q＝107q/∑C (1)
式(1)中：q-SF6气体瞬时释放量，l/s；
C-SF6气体浓度，ppm；
Q-第n+4点处的风量，m3/s；
(3)关闭第n+3点的第二瞬时SF6气体释放装置，同时在第n+4点留下一人观察当第一瞬时SF6气体释放装置瞬时释放SF6气体时，该处SF6气体浓度实时监测装置的测量数据，其余人员在前往第1点的过程中打开所有各点处的SF6气体浓度实时监测装置，并打开进风巷道第1点位置处放置的第一瞬时SF6气体释放装置，进行SF6气体的瞬时释放操作，等回风巷道第n+4点SF6气体浓度实时监测装置示数归零后，停止测量；
(4)将测量数据从SF6气体浓度实时监测装置导入到计算机中，判断工作面与采空区之间的漏风方向，并求解工作面与采空区之间的漏风量；
①定性判断采空区与工作面之间漏风方向
第一瞬时SF6气体释放装置与最接近的进风巷道下隅角位置处所放置的一台SF6气体浓度实时监测装置相隔一段距离，经过该段距离SF6示踪气体与巷道风流充分均匀混合，各点处风量和SF6示踪气体浓度进行如下表示：第2点处的风量为Q2，m3/s；示踪气体浓度为C2，ppm；第3点处的风量为Q3，m3/s；示踪气体浓度为C3，ppm……第n+4点处的风量为Qn+4，m3/s；示踪气体浓度为Cn+4，ppm；
根据SF6气体浓度实时监测装置所实时测得的SF6示踪气体浓度，建立SF6示踪气体浓度时间曲线；根据曲线围成面积，即计算∑C2……∑Cn+4，寻找漏风方向转变点k所在位置，如果沿途不漏风或者向采空区漏风，则沿途各点风流中的示踪气体浓度所围成的面积保持不变；如果当沿风流方向有漏风涌入时，会使井巷中示踪气体浓度所围成的面积发生变化呈下降趋势；由此可以根据曲线围成面积∑C的大小变化找出漏风方向转变点k所在位置，k点的上风侧为工作面向采空区漏风区段I；k点的下风侧为采空区向工作面漏风区段II；
②定量计算采空区向工作面漏风量
当采空区向工作面漏风时，虽然SF6气体浓度会被逐渐稀释，但是不会有SF6气体的丢失，因此可对转折点k之后的任意两个检测点之间应用质量守恒定律，得到以下公式：
Qk∑Ck＝Qk+1∑Ck+1＝Qk+2∑Ck+2＝……＝Qn+4∑Cn+4 (2)
式中：C-SF6气体浓度，ppm；
Q-某一点的风量，m3/s；
应用步骤(2)求得的位于回风巷道的第n+4点处的风量：
Qn+4＝107q1/∑Cn+4
再结合公式(2)可求解转折点k以后的任意一点x处的风量：
式中：Cx-第x点处SF6气体浓度，ppm；
Cn+4-第n+4点处SF6气体浓度，ppm；
Qx-第x点处的风量，m3/s；
Qn+4-第n+4处的风量，m3/s；
而当各点处的风量计算出来以后，就可以定量计算两点间的漏风量，如检测点k与检测点k+1之间的漏风量ΔQk：
ΔQk＝Qk+1-Qk (5)
式中：Qk-第k点处的风量，m3/s；
Qk+1-第k+1点处的风量，m3/s；
ΔQk-第k点与第k+1点之间的漏风量，m3/s；
通过这种方式，就可以计算出各段巷道之间的漏风量。
优选的，在进风巷道和回风巷道各设置一台风量测量装置，通过风量测量装置所测得的风量值，结合SF6气体浓度实时监测装置的量程以及公式(1)，反向确定出第一瞬时SF6气体释放装置和第二瞬时SF6气体释放装置的SF6气体释放量合理范围。
优选的，所述第一瞬时SF6气体释放装置和第二瞬时SF6气体释放装置的结构相同，均包括高压储气瓶，在高压储气瓶的出口处设置有控制阀门，高压储气瓶的出口通过气体输送管路与瞬时释放装置连接，在气体输送管路上设置有气体流量计。
优选的，所述瞬时释放装置为气球，当气体流量计测量到气球充注SF6气体量达到设定值后，关闭高压储气瓶出口处的控制阀门；需要瞬时释放SF6气体时，采用尖锐物将气球刺破，完成瞬时释放。
本发明的有益技术效果是：
本发明可以详细描述采空区与工作面之间整个气体扩散变化过程，能将采空区与工作面之间的相互漏风关系、漏风量等信息描清楚，适用于采空区与巷道的漏风位置细化；同时本发明还具有操作简单、可重复性好、监测结果准确等优点。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：
图1为本发明的原理示意图，主要示出瞬时SF6气体释放装置与若干个SF6气体浓度实时监测装置的布置位置示意图；
图2为本发明中第一瞬时SF6气体释放装置或第二瞬时SF6气体释放装置的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种采空区漏风方向确定及漏风量测量的方法，包括以下步骤：
(1)将第一瞬时SF6气体释放装置放置在进风巷道远离下隅角位置，该位置记为第1点，在进风巷道下隅角位置放置一台SF6气体浓度实时监测装置，该位置记为第2点，将工作面平均分为n份，在各个分割点位置上分别放置一台SF6气体浓度实时监测装置，各个分割点位置从靠近进风巷道到回风巷道依次记为第3点，第4点……第n+2点。将第二瞬时SF6气体释放装置放置在回风巷道的上隅角处，该处位置记为第n+3点，在第二瞬时SF6气体释放装置的下风向放置有一台SF6气体浓度实时监测装置，该处位置记为第n+4点。
(2)先在回风巷道进行SF6示踪气体瞬时释放，开启第二瞬时SF6气体释放装置，以及第n+4点处的SF6气体浓度实时监测装置，通过监测第n+4点的示踪气体浓度，以及公式(1)来计算第n+4点处回风巷道的风量。
Q＝107q/∑C (1)
式(1)中：q-SF6气体瞬时释放量，l/s；
C-SF6气体浓度，ppm；
Q-第n+4点处的风量，m3/s。
(3)关闭第n+3点的第二瞬时SF6气体释放装置，同时在第n+4点留下一人观察当第一瞬时SF6气体释放装置瞬时释放SF6气体时，该处SF6气体浓度实时监测装置的测量数据。其余人员在前往第1点的过程中打开所有各点处的SF6气体浓度实时监测装置，并打开进风巷道第1点位置处放置的第一瞬时SF6气体释放装置，进行SF6气体的瞬时释放操作，等回风巷道第n+4点SF6气体浓度实时监测装置示数归零后，停止测量。
(4)将测量数据从SF6气体浓度实时监测装置导入到计算机中，判断工作面与采空区之间的漏风方向，并求解工作面与采空区之间的漏风量。
①定性判断采空区与工作面之间漏风方向
第一瞬时SF6气体释放装置与最接近的进风巷道下隅角位置处所放置的一台SF6气体浓度实时监测装置相隔一段距离，经过该段距离SF6示踪气体与巷道风流充分均匀混合。各点处风量和SF6示踪气体浓度进行如下表示：第2点处的风量为Q2，m3/s；示踪气体浓度为C2，ppm；第3点处的风量为Q3，m3/s；示踪气体浓度为C3，ppm……第n+4点处的风量为Qn+4，m3/s；示踪气体浓度为Cn+4，ppm。
根据SF6气体浓度实时监测装置所实时测得的SF6示踪气体浓度，建立SF6示踪气体浓度时间曲线。根据曲线围成面积，即计算∑C2……∑Cn+4，寻找漏风方向转变点k所在位置，如果沿途不漏风或者向采空区漏风，则沿途各点风流中的示踪气体浓度所围成的面积保持不变。如果当沿风流方向有漏风涌入时，会使井巷中示踪气体浓度所围成的面积发生变化呈下降趋势。由此可以根据曲线围成面积∑C的大小变化找出漏风方向转变点k所在位置，k点的上风侧为工作面向采空区漏风区段I；k点的下风侧为采空区向工作面漏风区段II。
由于示踪气体模拟的是瓦斯气体在井下的运移扩散模型，而采空区向工作面漏风量的大小与瓦斯气体涌出量息息相关，对于工作面的安全生产及减少瓦斯事故发生有重大意义，因此本方法将定量计算采空区向工作面的漏风量。
②定量计算采空区向工作面漏风量
当采空区向工作面漏风时，虽然SF6气体浓度会被逐渐稀释，但是不会有SF6气体的丢失，因此可对转折点k之后的任意两个检测点之间应用质量守恒定律，得到以下公式：
Qk∑Ck＝Qk+1∑Ck+1＝Qk+2∑Ck+2＝……＝Qn+4∑Cn+4 (2)
式中：C-SF6气体浓度，ppm；
Q-某一点的风量，m3/s。
应用步骤(2)求得的位于回风巷道的第n+4点处的风量：
Qn+4＝107q1/∑Cn+4
再结合公式(2)可求解转折点k以后的任意一点x处的风量：
式中：Cx-第x点处SF6气体浓度，ppm；
Cn+4-第n+4点处SF6气体浓度，ppm；
Qx-第x点处的风量，m3/s；
Qn+4-第n+4处的风量，m3/s。
而当各点处的风量计算出来以后，就可以定量计算两点间的漏风量，如检测点k与检测点k+1之间的漏风量ΔQk：
ΔQk＝Qk+1-Qk (5)
式中：Qk-第k点处的风量，m3/s；
Qk+1-第k+1点处的风量，m3/s；
ΔQk-第k点与第k+1点之间的漏风量，m3/s；
通过这种方式，就可以计算出各段巷道之间的漏风量。
如图2所示，上述第一瞬时SF6气体释放装置和第二瞬时SF6气体释放装置的结构相同，均包括高压储气瓶101，在高压储气瓶101的出口处设置有控制阀门，高压储气瓶的出口通过气体输送管路102与瞬时释放装置103连接，在气体输送管路102上设置有气体流量计104。所述瞬时释放装置103可设置为气球，当气体流量计104测量到气球充注SF6气体量达到设定值后，关闭高压储气瓶出口处的控制阀门。需要瞬时释放SF6气体时，采用尖锐物将气球刺破，完成瞬时释放。
作为对本发明的进一步设计，在进风巷道和回风巷道各设置一台风量测量装置，通过风量测量装置所测得的风量值，结合SF6气体浓度实时监测装置的量程以及公式(1)，可以反向确定出第一瞬时SF6气体释放装置和第二瞬时SF6气体释放装置的SF6气体释放量合理范围。上述气体流量计104的设定值，应处于相应的SF6气体释放量合理范围之内，以防止出现超出SF6气体浓度实时监测装置量程等问题。在所确定出的SF6气体释放量范围，进行SF6气体瞬时释放。
上述第一瞬时SF6气体释放装置和第二瞬时SF6气体释放装置由于在方法中是先后进行SF6气体瞬时释放，因此也可共用一台装置。具体测量准备时，仅需准备一套瞬时SF6气体释放装置即可。
上述方法中，SF6气体作为常见的示踪气体，主要作用是用来替代瓦斯气体，观察气体在井下工作面和采空区之间的漏风情况。瞬时SF6气体释放装置用来进行SF6气体的瞬时释放。SF6气体浓度实时监测装置用来监测SF6气体浓度变化状态，并进行实时数据记录，以便进行后期的计算。
上述方法还包括测量前准备步骤：进行测量前对SF6气体浓度实时监测装置进行检查、调零操作，观察SF6气体浓度实时监测装置是否能正常使用。将瞬时SF6气体释放装置各部件相连接，检查装置是否密封良好以及是否能正常进行气体释放操作(此时可释放少量气体，用SF6气体浓度实时监测装置对SF6气体进行监测，同时观察监测装置以及释放装置能否正常使用)。同时将其他实验设备进行检查后，一同带到需要进行漏风测量的工作面附近。
上述方法中先在回风巷道进行一次单独的SF6示踪气体瞬时释放，之所以选择回风巷道除了用于第n+4点处的风量计算，还有一部分原因是防止SF6示踪气体在巷道内残留，进而避免对下一次即进风巷道第一瞬时SF6气体释放装置SF6示踪气体瞬时释放造成影响。
本发明方法适用于测量井下采空区与工作面之间的漏风关系；适用于采空区与巷道的漏风位置细化；以及适用于测量分析不同矿井采空区、不同采空区与工作面的漏风情况下，采空区与工作面之间的风量交换状态：风流方向的判断以及风流量大小的计算，研究采空区漏风的规律，有利于细化采空区的具体漏风位置以及漏风量。另外，本发明方法还具有操作简单，测量结果准确，重复性好，所采用装置成本低，体积小，占用空间少等优势。
上述方式中未述及的部分采取或借鉴已有技术即可实现。
需要说明的是，在本说明书的教导下，本领域技术人员所作出的任何等同替代方式，或明显变形方式，均应在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种采空区漏风方向确定及漏风量测量的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将第一瞬时SF6气体释放装置放置在进风巷道远离下隅角位置，该位置记为第1点，在进风巷道下隅角位置放置一台SF6气体浓度实时监测装置，该位置记为第2点，将工作面平均分为n份，在各个分割点位置上分别放置一台SF6气体浓度实时监测装置，各个分割点位置从靠近进风巷道到回风巷道依次记为第3点，第4点……第n+2点；将第二瞬时SF6气体释放装置放置在回风巷道的上隅角处，该处位置记为第n+3点，在第二瞬时SF6气体释放装置的下风向放置有一台SF6气体浓度实时监测装置，该处位置记为第n+4点；
(2)先在回风巷道进行SF6示踪气体瞬时释放，开启第二瞬时SF6气体释放装置，以及第n+4点处的SF6气体浓度实时监测装置，通过监测第n+4点的示踪气体浓度，以及公式(1)来计算第n+4点处回风巷道的风量；
Q＝107q/∑C (1)
式(1)中：q—SF6气体瞬时释放量，l/s；
C—SF6气体浓度，ppm；
Q—第n+4点处的风量，m3/s；
(3)关闭第n+3点的第二瞬时SF6气体释放装置，同时在第n+4点留下一人观察当第一瞬时SF6气体释放装置瞬时释放SF6气体时，该处SF6气体浓度实时监测装置的测量数据，其余人员在前往第1点的过程中打开所有各点处的SF6气体浓度实时监测装置，并打开进风巷道第1点位置处放置的第一瞬时SF6气体释放装置，进行SF6气体的瞬时释放操作，等回风巷道第n+4点SF6气体浓度实时监测装置示数归零后，停止测量；
(4)将测量数据从SF6气体浓度实时监测装置导入到计算机中，判断工作面与采空区之间的漏风方向，并求解工作面与采空区之间的漏风量；
①定性判断采空区与工作面之间漏风方向
第一瞬时SF6气体释放装置与最接近的进风巷道下隅角位置处所放置的一台SF6气体浓度实时监测装置相隔一段距离，经过该段距离SF6示踪气体与巷道风流充分均匀混合，各点处风量和SF6示踪气体浓度进行如下表示：第2点处的风量为Q2，m3/s；示踪气体浓度为C2，ppm；第3点处的风量为Q3，m3/s；示踪气体浓度为C3，ppm……第n+4点处的风量为Qn+4，m3/s；示踪气体浓度为Cn+4，ppm；
根据SF6气体浓度实时监测装置所实时测得的SF6示踪气体浓度，建立SF6示踪气体浓度时间曲线；根据曲线围成面积，即计算∑C2……∑Cn+4，寻找漏风方向转变点k所在位置，如果沿途不漏风或者向采空区漏风，则沿途各点风流中的示踪气体浓度所围成的面积保持不变；如果当沿风流方向有漏风涌入时，会使井巷中示踪气体浓度所围成的面积发生变化呈下降趋势；由此可以根据曲线围成面积∑C的大小变化找出漏风方向转变点k所在位置，k点的上风侧为工作面向采空区漏风区段Ⅰ；k点的下风侧为采空区向工作面漏风区段Ⅱ；
②定量计算采空区向工作面漏风量
当采空区向工作面漏风时，虽然SF6气体浓度会被逐渐稀释，但是不会有SF6气体的丢失，因此可对转折点k之后的任意两个检测点之间应用质量守恒定律，得到以下公式：
Qk∑Ck＝Qk+1∑Ck+1＝Qk+2∑Ck+2＝......＝Qn+4∑Cn+4 (2)
式中：C—SF6气体浓度，ppm；
Q—某一点的风量，m3/s；
应用步骤(2)求得的位于回风巷道的第n+4点处的风量：
Qn+4＝107q1/∑Cn+4
再结合公式(2)可求解转折点k以后的任意一点x处的风量：
式中：Cx—第x点处SF6气体浓度，ppm；
Cn+4—第n+4点处SF6气体浓度，ppm；
Qx—第x点处的风量，m3/s；
Qn+4—第n+4处的风量，m3/s；
而当各点处的风量计算出来以后，就可以定量计算两点间的漏风量，如检测点k与检测点k+1之间的漏风量ΔQk：
ΔQk＝Qk+1-Qk (5)
式中：Qk—第k点处的风量，m3/s；
Qk+1—第k+1点处的风量，m3/s；
ΔQk—第k点与第k+1点之间的漏风量，m3/s；
通过这种方式，就可以计算出各段巷道之间的漏风量。
2.根据权利要求1所述的一种采空区漏风方向确定及漏风量测量的方法，其特征在于：在进风巷道和回风巷道各设置一台风量测量装置，通过风量测量装置所测得的风量值，结合SF6气体浓度实时监测装置的量程以及公式(1)，反向确定出第一瞬时SF6气体释放装置和第二瞬时SF6气体释放装置的SF6气体释放量合理范围。
3.根据权利要求1所述的一种采空区漏风方向确定及漏风量测量的方法，其特征在于：所述第一瞬时SF6气体释放装置和第二瞬时SF6气体释放装置的结构相同，均包括高压储气瓶，在高压储气瓶的出口处设置有控制阀门，高压储气瓶的出口通过气体输送管路与瞬时释放装置连接，在气体输送管路上设置有气体流量计。
4.根据权利要求3所述的一种采空区漏风方向确定及漏风量测量的方法，其特征在于：所述瞬时释放装置为气球，当气体流量计测量到气球充注SF6气体量达到设定值后，关闭高压储气瓶出口处的控制阀门；需要瞬时释放SF6气体时，采用尖锐物将气球刺破，完成瞬时释放。
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