0.   引言

在煤炭开采过程中漏风会引起采空区煤自燃灾害，并导致有害气体在工作面聚集，引发中毒等事故^[1-4]。漏风是指煤矿开采过程中通过与生产无关路径漏失的部分风流^[5-6]。将采空区漏风控制在安全范围内，可有效预防煤自燃灾害的发生^[7-8]。

目前，国内众多学者对复合采空区漏风规律进行了大量研究。文献[9-11]采用SF₆示踪气体法检测工作面采空区漏风，研究漏风规律，但在示踪气体释放位置的选择上有较强主观性，且其精确度无法得到充分保证，难以处理复杂的漏风通道问题。文献[12-13]结合能位测定与示踪技术，显著提升了对复杂采空区漏风检测的精确度。文献[14]采用双元示踪技术对工作面采空区地表漏风规律进行测试，提高了漏风检测的效率和准确性。文献[15]采用能位测定、气体成分分析和双元示踪技术精确分析了工作面采空区流场及复杂漏风网络体系，提出了“喷注+密封圈二次堵漏+两道两线隔断”的综合立体漏风防控技术。

上述研究中，示踪技术主要应用于U型通风工作面采空区，但针对无煤柱开采Y型通风工作面采空区与相邻采空区群的连通性研究较少。无煤柱开采漏风特征涉及多个关键方面：采用沿空留巷时，巷道与采空区相邻，顶板垮落形成的裂隙成为主要漏风通道；工作面与邻近采空区贯通开采过程中，工作面与相邻采空区之间可能通过未压实区域或裂隙形成漏风。无煤柱开采因缺乏煤柱隔离，采空区漏风通道和漏风量较传统方法会显著增加，从而增大采空区遗煤氧化自燃的风险^[16]。本文以中煤新集能源股份有限公司新集一矿360606工作面为研究背景，通过能位测定与示踪技术相结合的方法，研究无煤柱开采Y型通风工作面采空区漏风规律，并提出综合漏风防治技术，为采空区煤自燃防治提供技术指导。

1.   工作面概况

360606工作面位于新集一矿3608（6）采区东翼中部，是该采区第7个综采工作面，属于6−1煤层。360606工作面切眼至终采线范围：运输巷（南帮）长901.2 m，可采走向长506.7 m；回风巷（北帮）长919.6 m，可采走向长506.7 m（回风巷切顶留巷）；工作面平均可采走向长506.7m。切眼倾斜长227.8 m（工作面平均倾斜长222.5 m）；斜面积为112 941 m²。回风巷底板标高为−657.8～−683.1 m，运输巷底板标高为−716.5～−720.4 m。360606工作面采空区与其临近采空区分布如图1所示。

图  1  360606工作面采空区及其临近采空区分布

Figure  1.  Goaf area of the 360606 working face and its adjacent goaf areas

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360606工作面西起3608（6）采区运输上山南段和集中运输上山西段。由图1可知，360606工作面南侧为360608工作面，北侧为6−1煤层未采动区域，上部为24085工作面（2005年、2006年回采）及360804工作面（2020年回采）采空区。

2.   3608（6）采区能位测定

2.1   测试目的

由于360606工作面上覆采空区、临近空区及沿空留巷可能存在贯通，使采空区呈现出多源多汇漏风形式，为采空区遗煤提供了良好的供氧环境，存在煤自燃风险。

通过能位测定可获取360606工作面及其周围临近采空区各密闭墙及各风流分、汇点之间的能位关系，从而判断360606工作面及其周围采空区是否有漏风通道，为初步判定360606工作采空区漏风源和漏风汇分布提供依据^[17]。

2.2   测试原理

在流体能位测定领域，气压测定法和压差分析法是2种常规检测手段。本文选用气压计逐点测定法作为检测方案，其技术原理：通过气压计分别获取2个测点的静压差值，结合流道断面间动能压差和重力势能差进行计算评估，最终推导出监测点间的能量位势关联参数。该方法的实施流程包含静压参数采集、动能势能差计算和综合能量分析3个关键步骤^[18]。新集一矿能位测定需要计算巷道测段风量、测段阻力等^[19]。

测点风量计算公式为

式中：${Q_i}$为测点$ i $的风量，m³/s；$ {s_i} $为测点$ i $所在巷道断面的面积，m²；$ {v_i} $为测点$ i $所在巷道断面的平均风速，m/s。

测段风量计算公式为

式中${Q_{\left( {i,i + 1} \right)}}$为测点$ i $与测点$ i + 1 $间的风量，m³/s。

通风阻力计算公式为

式中：$ {h_{(i,i + 1)}} $为测点$ i $与测点$ i + 1 $间的通风阻力，Pa；$ {h_{{\mathrm{v}}(i,i + 1)}} $为测点$ i $与测点$ i + 1 $间的动压差，Pa；$ {h_{\mathrm{s}}}_{(i,i + 1)} $为测点$ i $与测点$ i + 1 $间的静压差，Pa；$ {h_{{\mathrm{z}}(i,i + 1)}} $为测点$ i $与测点$ i + 1 $间的能位差，Pa。

动压差计算公式为

式中：$ {\rho _i} $为测点i的空气密度，kg/m³；$ {V_i} $为测点i的风速，m/s。

空气密度受温度、气压和湿度影响，计算公式为

式中：$ {P_i} $为测点$ i $的大气压力，Pa；$ {\phi _i} $为测点$i$的空气相对湿度，%；$ {P_{{\mathrm{sat}}}} $为测点$i$的饱和水蒸气压，Pa；$ {R_{{\mathrm{da}}}} $为干空气气体常数，287 J/（kg·K）；$ {T_i} $为测点$i$的空气绝对温度，K。

静压差计算公式为

式中：${k_{\mathrm{x}}}$为井下精密气压计校正系数；$ {P_{i}} $为检测仪器在测点i的静压读数，Pa；${k_{\mathrm{s}}}$为地面精密气压计校正系数；$ {P'_{i}} $为检测仪器在测点i检测时地面上仪器对应的大气压读数，Pa。

因为测量静压差的工具已内置温度补偿功能，无需额外校正，即井下精密气压计校正系数与地面精密气压计校正系数取值为1。

能位差计算公式为

式中：$ {\rho _{\mathrm{m}}} $为测点i与测点i+1的平均空气密度，kg/m³；$g$为重力加速度，m/s²；$ {Z_i} $为测点i的标高，m。

测段平均密度计算公式为

2.3   测点布置

新集一矿分为东区和西区，根据测试需要，将测试范围内的风流分、汇点与密闭墙处定为1—19号测点。根据所标记的测点，分别在东区与西区沿着风流方向确定实际测试路线。沿着测试路线，根据测定需要在巷道某处设测点，并在通风系统图上按顺序编号（31—40号测点）。

西区测试路线为31→32→12（12→19）→14→33（33→13）→34（34→15）→36→8→9→10→17，东区测试路线为38（38→37→11→12）→39→1→2→3→40→4→5→6→7。西区能位测点布置如图2所示，测点具体信息见表1。

图  2  新集一矿西区能位测点布置

Figure  2.  Energy potential measurement point arrangement in the west area of Xinji No.1 Mine

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表  1  新集一矿西区能位测点信息

Table  1.  Energy potential measurement point information in the western area of Xinji No.1 Mine

测点编号	测点名称
8	−415 m西大巷密闭墙
9	−415 m辅助回风上山密闭墙
10	−415 m井底车厂密闭墙
12	360808工作面运输巷密闭墙
13	360802工作面运输巷密闭墙
14	360804回风联巷密闭墙
15	3608采空区轨道上（下）山密闭墙
17	−550 m西胶带大巷密闭墙
19	360804工作面进风巷密闭墙

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测点分为测风点和测压点。压力测点应尽量在网络图中的节点上（包括封闭墙处）。在进行风速测量时，测点的选择需遵循以下准则，以确保风速测量的准确性和可靠性^[20]。

1） 测点应位于气流分支或汇合区域的前后位置，以确保速度场的稳定性。若测点位于气流分支或汇合区域的前方，则距离应不小于巷道宽度的3倍；若位于后方，则距离应不小于巷道宽度的8倍。

2） 当测点需设置在巷道转弯处或断面变化显著的区域时，若位于气流分支或汇合区域的前方，距离应不小于巷道宽度的3倍；若位于后方，距离应不小于巷道宽度的8倍。

3） 测点前后3 m范围内的巷道断面应保持规则形状，支护结构应完好，且巷道内不得有杂物堆积。

2.4   测试结果与分析

新集一矿西区能位测定结果见表2。

表  2  新集一矿西区能位测定结果

Table  2.  Energy potential measurement results in the western area of Xinji No.1 Mine

测段	巷道名称	支护 形式	断面 形状	测段阻 力/Pa	测段风 量/(m3·s−1)	测段 长度/m	百米阻 力损失	能位 差/Pa	静压 差/Pa	风阻	周长/m	阻力 系数	备注
30—31	360606工作面运输巷	锚喷	梯形	28.7	1.9	820	20	470	−337	0.2025	16.13	0.0521	有门框
31—32	工作面	锚喷	梯形	22.0	1.6	265	38	−647	717	0.2093	15.68	0.1445	工作面支架
32—12	360606工作面回风巷	锚喷	梯形	36.0	1.7	850	23	−189	338	0.1480	19.31	0.0901	有门框
12—33	西区−700～−620 m 运输斜巷	锚喷	梯形	48.8	7.1	667	60	606	93	0.1666	10.88	0.0073	14—33测段断面小， 风速超限
33—34	3608采区回风上山	锚喷	梯形	101.2	9.4	240	66	−39	72	0.0155	13.66	0.0059	风桥
34—35	−680 西区回风石门	锚喷	U形	106.0	10.6	150	75	−203	373	0.0100	13.15	0.0051	风速大，有小断面
35—10	西三回风下山	锚喷	U形	93.3	7.1	1460	34	−3144	3814	0.0564	15.06	0.0058	有冒顶，小断面
10—8	井底车场绕道	锚喷	U形	32.7	2.6	85	18	0	50	0.0141	14.80	0.0227	正常巷道
15—34	36采区避难硐室	锚喷	U形	106.2	7.0	80	966	−72	915	0.0686	16.26	0.1880	有风门
13—33	西区−700～−620 m 运输斜巷	锚喷	梯形	26.1	3.7	90	569	48	519	0.7503	11.04	0.2635	有控风设施

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为了使所有关注的密闭墙能位均为正，从而更好地描述各密闭墙的能位高低，以30号测点360606工作面运输巷作为参考点，假设其能位是2 000 Pa，其他点能位相对于30号测点依次减小，计算得到其他密闭墙相对于该密闭墙的能位，见表3。为直观显示，绘制了能位图，如图3所示。

表  3  工作面及临近采空区群测点能位计算结果

Table  3.  Calculated energy potential results at measurement points in working face and adjacent goaf areas

测点位置	序号	密闭墙编号/测段位置	测试地点	能位/Pa
密闭墙	8	C−13−418	−415 m西大巷	379
	9	C−13−417/C−13−147	−415 m辅助回风上山	379
	10	C−13−419	−415 m井底车场绕道	379
	12	C−08−144	360808工作面运输巷	1540
	13	C−08−131	360802工作面运输巷	1254
	14	C−08−134	360804工作面回风联巷	1264
	15	C−13−147/C−08−147	3608采区轨道上（下）山	1756
360606工作面	30	运输巷	运输巷外口	2000
	31	运输巷	运输巷里口	1833
	32	回风巷	回风巷里口	1731
	12	回风巷	回风巷外口	1540

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图  3  工作面及临近采空区群测点能位

Figure  3.  Energy potential at measurement points in working face and adjacent goaf areas

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图3中3608采区轨道下山密闭（15号测点）能位为1 756 Pa，能位较高，但是该密闭墙距离360606工作面比较远，成为漏风源的可能性较小。360804工作面进风巷密闭墙（19号测点）和360608工作面运输巷密闭墙（12号测点）与360606工作面外口能位相近，且与360606工作面的距离较近，由图3可知，360608工作面运输巷密闭墙（12号测点）能位为1 540 Pa，小于参考点360606工作面运输巷外口能位2 000 Pa，如果上覆采空区与360606工作面之间存在漏风，从该密闭墙往外漏风的可能性较大。8号—10号测点虽与360606工作面相距较远，但能位均为379 Pa，与参考点存在较大能位差，负压作用下，存在工作面往8号—10号测点漏风的可能性。−550 m西翼胶带石门（北）密闭墙（7号测点）处于两区贯通的进风侧，靠近新集一矿西区总进风，能位较高，如果上覆采空区与360606工作面之间存在漏风，则该处密闭墙为漏风源。

综上所述，漏风源可能的位置是7号测点密闭墙（−550m西翼胶带石门（北）密闭墙），漏风汇密闭墙的可能位置是8—10号、19号、12号测点。

3.   无煤柱开采采空区群漏风规律

360606工作面上覆24085和360804采空区，且2个采空区相邻。受采动影响，上覆采空区可能与360606工作面采空区贯通。采用示踪技术检测360606工作面采空区与周围相邻采空区连通情况，从而找出360606工作面采空区周围区域漏风源、漏风汇分布。

3.1   示踪气体采样

在漏风源处定量释放SF₆气体，利用铝箔取样袋在漏风汇处连续收集气体，分析各取样点是否含有SF₆，以此判断采空区之间贯通情况^[21-23]。

根据能位测定结果，7号测点密闭墙（位于−550 m西翼胶带石门（北））的漏风点可能位于8—10号、19号、12号测点。确定SF₆气体检测点为8—10号测点、12号测点、360606工作面回风隅角和360606工作面柔模墙。

对6个取样点分别进行编号，1—6号取样点依次为−415 m西大巷密闭墙、415 m辅助回风上山密闭墙、−415 m井底车场绕道密闭墙、360608运输巷密闭墙、360606回风隅角和360606工作面柔模墙取气孔。示踪气体取样点如图4所示。

图  4  测点平面分布

Figure  4.  Planar distribution of measurement points

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在−550 m西翼胶带石门（北）密闭墙处释放示踪气体，8:00开始连续释放，持续30 min，6个地点分为2组进行采样，2组同时进行，交替换班。采样时间从8:00开始，每隔1 h采样1次，持续3 d。

3.2   示踪气体检测结果及分析

示踪气体从释放点到达取样点1—6号的距离长，而且受到采空区内流场不稳定、工作面风流较大的影响，SF₆会受到很大程度的稀释，所以进行实验时，SF₆体积分数的单位采用10⁻⁹，以直观地看出各取样点是否接收到SF₆。

第1天，第1组取样点（1—3号）检测到SF₆，第2组取样点（4—6号）没有检测到SF₆。其中2号取样点只有2次取到SF₆，在15:00检测到SF₆体积分数为62.2×10⁻⁹，21:00检测到SF₆体积分数为55.9×10⁻⁹。1号、3号取样点多次检测到SF₆，如图5所示。

图  5  1号、3号取样点SF₆检测结果

Figure  5.  SF₆ detection results at sampling points No.1 and No.3

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第2天，第1组取样点检测到SF₆体积分数为0，第2组取样点检测到SF₆体积分数分别在9:00（释放时间为1 500 min）到13:00（释放时间为1 740 min）之间有明显变化。SF₆气体浓度如图6所示。

图  6  4—6号取样点SF₆检测结果

Figure  6.  SF₆ setection results at sampling points No.4 to No.6

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考虑到气样污染及仪器分析的误差，以SF₆体积分数1×10⁻⁹以上为有效值，在图5、图6中作基准线。可看出，4号、6号取样点连续很多次接收到SF₆的体积分数超过1×10⁻⁹，5号取样点2次接收到SF₆的体积分数超过1×10⁻⁹。因此4—6号取样点存在漏风。

根据漏风源与6个取样点之间的直线距离和接收气体所消耗的时间，可计算出漏风源与6个取样点之间的最大漏风速度^[24-25]，见表4。

表  4  取样点最大漏风速度

Table  4.  Maximum air leakage velocity at sampling points

取样点	距离/m	耗时/min	速度/（m·min−1）
1号	1 950	120	16.25
2号	1 980	540	3.67
3号	2 030	60	33.9
4号	1 800	1 560	1.15
5号	1 400	1 500	0.93
6号	1 000	1 560	0.64

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3.3   漏风状态检测结论

应用能位测定法和SF₆示踪技术对新集一矿360606工作面及相邻采空区漏风状态进行检测的结论如下：

1） 6个取样点都分析到了SF₆气体，说明−550 m西翼胶带石门（北）密闭墙与−415 m西大巷密闭墙、−415 m辅助回风上山密闭墙、−415 m井底车场绕道密闭墙、360608运输巷密闭墙、360606回风隅角和360606工作面柔模墙之间存在漏风。

−550 m西翼胶带石门（北）密闭墙为漏风源，−415 m西大巷密闭墙、−415 m辅助回风上山密闭墙、−415 m井底车场绕道密闭墙、360608运输巷密闭墙、360606回风隅角和360606工作面柔模墙这6个取样点为漏风汇。可以得出24085和360804工作面采空区上覆采空区与360606工作面采空区贯通，360606工作面采空区与周围相邻采空区连通存在漏风通道。

2） 比较6个取样点的SF₆浓度，第1组取样点检测的浓度最大值比第2组取样点高9倍，说明第1组取样点漏风的可能更大，这是由于第1组取样点处在回风系统中，且与−550 m西翼胶带石门（北）密闭墙的能位差更大所导致。

3） 第1组取样点的漏风流速明显高于第2组取样点，说明第1组取样点的漏风量比第2组取样点大。漏风源相同，到达取样点3号的速度明显大于另外几个取样点，也是因为漏风压差大导致漏风量更大。

4） 2号取样点SF₆只检测到2次，且SF₆到达时间比1号、3号测点晚。这是因为2号取样点最大漏风速明显小于另外2个取样点，风流经过2号取样点和1号取样点后汇合到3号取样点。

5） 3号取样点检测到的SF₆气体浓度有随时间逐渐增大的趋势，说明−550 m西翼胶带石门（北）密闭墙处释放的SF₆气体随着采空区风流逐渐积聚在−415 m井底车场绕道密闭墙内。

6） 6个取样点中出现SF₆检测浓度不连续的情况，说明360606工作面采空区与周围相邻采空区之间的漏风存在变化，漏风源与6个漏风汇的漏风不稳定。

4.   漏风防治技术与效果

根据能位测定与示踪气体法检测结果，选取360606工作面漏风汇作为监测点，对采取漏风防治技术前后监测点的CO及O₂浓度进行对比分析。

4.1   漏风防治前监测点CO与O₂浓度

地面主要安设RackMount PC−610型主机显示屏1套，井下安设JSG7−Z型火灾束管监测系统，通过BQY80/300气体采样泵将井下各测点的气样抽取到井下束管监测分析站进行分析，将分析结果通过光纤上传至地面主机，24 h实时监测工作面、上隅角、回风流及采空区有害气体浓度变化情况。工作面共设置5个束管测点：回风侧采空区（即工作面测点）、回风巷口、回风巷距离工作面10 m处、采空区（距工作面24，48 m处）。

360606工作面回采期间，在沿空留巷的柔模墙10号观测孔（即柔模墙测点）取气，对CO与O₂气体进行监测，结果如图7、图8所示。可看出，360606工作面回风侧采空区、柔模墙测点CO体积分数在5×10⁻⁶上下有较大波动，O₂体积分数保持在20%左右。

图  7  防治前回风侧采空区气体浓度

Figure  7.  Gas concentration in the return air side goaf area before treatment

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图  8  防治前柔模墙测点气体浓度

Figure  8.  Gas concentration at flexible wall measurement point before treatment

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4.2   漏风综合防治技术

根据新集一矿360606工作面及其与相邻采空区漏风通道的特点，提出如下建议：

1） 360606工作面采用Y型通风方式，其沿空留巷由于来压过大造成变形，采空区遗煤堆积与漏风为煤自燃灾害提供了条件。因此，应对沿空留巷定期采取喷浆堵漏措施。

2） 停采后，工作面拆架应回收，采空区的碎煤因为长期接触O₂会发生自燃，应在进风巷、回风巷与工作面出口设置风帘。

3） 在示踪气体检测中发现360608运输巷密闭墙存在漏风情况，应对360608运输巷密闭墙采取注浆堵漏措施。

4） 根据新集一矿通风系统图可知，漏风源−550 m西翼胶带石门（北）密闭墙在进风侧，增加了密闭墙内外的压差。应在漏风源−550 m西翼胶带石门（北）密闭墙的上风侧设置风门、栅栏等阻型通风构筑物，以降低漏风源的能位。

5） 在进风侧、回风侧与工作面出口的架后喷洒浓度不低于15%的阻化剂，以防止煤柱线发生煤自燃。

6） 对工作面进行注凝胶充填，并确保封堵严密，以减少采空区漏风。

4.3   漏风防治后监测点CO与O₂浓度

采用漏风防治技术后，360606工作面回风侧采空区、柔模墙测点CO及O₂浓度如图9、图10所示。柔模墙测点CO体积分数基本为0，O₂体积分数维持在15%左右；回风侧采空区CO体积分数大部分为0。回风侧采空区、柔模墙测点的CO与O₂浓度均在正常范围内，说明360606工作面采空区群的漏风得到了控制，降低了360606工作面采空区自燃的可能性，从而验证了防治措施的有效性。

图  9  防治后回风侧采空区气体浓度

Figure  9.  Gas concentration in return air side goaf area after treatment

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图  10  防治后柔模墙测点气体浓度

Figure  10.  Gas concentration at flexible wall measurement point after treatment

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5.   结论

1） 基于能位测定结果初步确定3608（06）采区进风系统能位高于回风系统，−415 m西大巷密闭墙、−415 m辅助回风上山密闭墙、−415 m井底车场绕道密闭墙和360608运输巷密闭墙能位较低，可能为漏风汇，−550 m西翼胶带石门（北）密闭墙可能为漏风源。

2） 通过示踪技术分析出360606工作面采空区与上覆采空区（24085，360804采空区）贯通，且与相邻360608工作面采空区存在漏风通道。释放气体后，在6个取样点连续多次都收集到SF₆，说明−550 m西翼胶带石门（北）密闭墙是主要漏风源，−415 m西大巷密闭墙、−415 m辅助回风上山密闭墙、−415 m井底车场绕道密闭墙、360608运输巷密闭墙、360606回风隅角和360606工作面柔模墙取气孔为漏风汇。

3） 针对360606工作面漏风情况，采取喷浆、注浆技术及设置风帘等煤自燃防治措施，使360606工作面柔模墙测点与回风侧采空区CO体积分数基本降为0，控制O₂体积分数为20%左右，且未出现煤自燃征兆，有效控制了360606工作面采空区漏风。