3. 采空区漏风通道识别与测定方法

采空区漏风是埋管抽采效果被稀释、遗煤自燃风险升高的共同根源。要控制漏风,第一步不是“加大抽采”,而是把漏风从哪里来、往哪里走、量有多大搞清楚。漏风通道识别与测定,本质上是一次“通风系统的溯源排查”:先判断通道类型,再用示踪手段确认连通路径,用气压与风压数据判断漏风动力方向,最后把漏风量估算出来,形成可比较、可复测的量化结论。

一、漏风通道的三种基本类型

按漏风与工作面推进方向的几何关系,采空区漏风通常分为三类。第一类是工作面后方漏风,即风流从进风侧经采空区浅部向回风侧运移,主要发生在支架后方与垮落带边缘,是遗煤氧化最直接的风源。第二类是邻近采空区漏风,通过采空区之间的隔离煤柱裂隙、废弃巷道或封闭墙不严处串入,这类漏风往往隐蔽、路径长、风量不稳定。第三类是地表与浅部漏风,通过地表塌陷裂缝、小窑老巷或浅埋煤层上覆岩层裂隙进入采空区,在浅埋深、厚煤层条件下尤为突出。

三类通道的识别重点不同:工作面后方漏风看支架—垮落带边界;邻近采空区漏风看煤柱完整性与闭墙气密性;地表漏风看塌陷裂缝分布与地表负压。识别时应先根据开采条件、埋深、煤柱尺寸、闭墙台账做一次“通道清单”初判,再进入现场测定。

二、示踪气体法测定漏风路径

示踪气体法是判定“两点是否连通、沿哪条路径连通”最直接的手段。常用示踪剂有SF₆、六氟化硫混合气、以及部分矿井使用的氚、溴化物等,其中SF₆因本底低、检测灵敏度高、化学惰性好而应用最广。其基本逻辑是:在假定进风侧(或疑似漏风源)释放示踪剂,在下风侧、回风隅角、闭墙观测孔、地表钻孔等候选接收点连续采样,若某接收点在预期运移时间后出现明显浓度峰,则说明该点与释放点之间存在连通通道。

现场实施要点如下:释放点应选在进风侧靠近采空区边界的位置,释放方式采用恒流释放或脉冲释放,脉冲释放便于用“峰值到达时间”反算运移速度;采样点按“回风隅角—支架后方—闭墙观测孔—地表裂缝”由近及远布置;采样用气袋或吸附管,采样间隔在释放后前30分钟宜加密到2~5分钟一次,之后逐步放稀。判定时不能只看“有没有检出”,还要看浓度峰值、到达时间和峰形:峰值高、到达快,说明通道短而畅通;峰值低、拖尾长,说明路径曲折或存在多点汇入。

示踪试验应选择工作面风量、风压相对稳定的时段进行,避开停风、调风、放炮等扰动;同一测点建议做两次平行释放,用重复性判断结果可靠性。示例参数(教学假设):SF₆释放速率约1 L/min,释放持续10 min,回风隅角采样间隔2 min,若峰值在释放后约18 min出现,可据此估算该路径的等效运移时间。

三、气压与风压分布测量

漏风的动力来自压差。采空区内部与工作面、闭墙、地表之间存在压差,风流便从高压侧流向低压侧。因此,测压是判断“漏风方向”的关键。常用做法是:在工作面进风侧、回风侧、支架后方、闭墙观测孔、地表钻孔布置测点,用U形水柱计、数字微压计或补偿式微压计测量各点相对同一基准的静压,同时记录工作面风量、风阻与主扇工况。

测量时须统一基准面并说明符号约定:本文约定“以工作面进风侧静压为基准,测点静压高于基准记为正、低于基准记为负”。若闭墙观测孔压力高于采空区浅部、而地表钻孔压力低于采空区,则说明存在由闭墙向采空区、再由采空区向地表的漏风趋势。把各测点压力按位置画成压力分布曲线,压力梯度大的区段就是漏风活跃段。测压应与示踪试验同步进行,才能把“连通”与“流向”对应起来。

四、漏风量估算方法

漏风量估算常用三种途径,精度依次提高但工作量也递增。第一种是风量平衡法:在工作面进风巷与回风巷分别测风,回风量减去进风量中扣除抽采与瓦斯涌出影响后的差值,即为外部漏入量;该方法简单,但受测风误差影响大,适合做总量校核。第二种是示踪稀释法:在漏风通道上游恒流释放示踪剂,在下游测点测浓度,按 Q = q / C 估算漏风量(q为示踪剂释放速率,C为下游稳定浓度),适合单条通道定量。第三种是压差—阻力反算法:把通道简化为等效风阻,用实测压差 Δp 与等效风阻 R 按 Q = √(Δp/R) 估算,适合闭墙、煤柱等固定通道的日常估算。

以教学示例说明:某闭墙观测孔与采空区浅部实测压差约120 Pa,经同类通道标定其等效风阻约为3.0×10⁴ N·s²/m⁸,则估算漏风量约为 √(120/3.0×10⁴) ≈ 0.063 m³/s,即约3.8 m³/min。该值应结合示踪试验的连通结论与风量平衡结果交叉验证,单一方法不宜直接作为治理依据。

采空区漏风通道识别与测定技术路线 漏风通道类型 工作面后方漏风 邻近采空区漏风 地表与浅部漏风 现场测定手段 示踪气体法(SF₆) 气压 / 风压分布测量 风量平衡与压差反算 识别结论(可复测) • 连通路径:释放点 → 接收点 • 漏风方向:高压侧 → 低压侧 • 漏风量:Q = q/C 或 √(Δp/R) • 活跃区段:压力梯度最大处 示踪气体试验时序与浓度响应示意(教学示例) 0 min 10 min 释放结束 18 min 峰值到达 40 min SF₆ 恒流释放 峰值浓度 C 采样点布置(由近及远) 回风隅角 → 支架后方 → 闭墙观测孔 → 地表裂缝 前30 min 每2~5 min 采样 符号约定:以进风侧静压为基准,高于基准为正、低于基准为负;漏风由高压侧流向低压侧。

五、结果判读与交叉验证

单一手段的结论都应视为“待验证假设”。工程上建议形成三步交叉:先用示踪试验确认连通关系,再用测压数据判断流向与活跃段,最后用风量平衡或压差反算给出量级,三者一致才可作为治理设计依据。若示踪检出但压差方向相反,应检查测点基准是否统一、闭墙是否漏气、采样是否受到抽采负压干扰;若压差明显但示踪无响应,则可能是通道极曲折或采样点未覆盖,应扩大接收点范围。

识别成果最终应落到一张“漏风通道台账”上:记录通道类型、起止位置、连通判据(示踪峰值与到达时间)、压差方向与量值、估算漏风量、测定日期与复测要求。台账既是埋管抽采参数调整的依据,也是后续封闭、注浆、均压等治理措施效果对比的基准。只有把“通道在哪、风往哪走、量有多大”三件事同时说清楚,漏风协同控制才真正具备可操作性。