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矿井采空区漏风的定量检测 ① 郝圣艾 ②1 ,张作华2,赵红梅2,贺俊杰2 1. 平朔煤炭工业公司通风处,山西 朔州 036800 ; 2.中国矿业大学能源与安全学院,江苏 徐州 221008 摘 要矿井采空区漏风量小,当需要定量检测漏风量时,可采用示踪气体连续定量释放法,该方法原理简 单,操作简便,释放量小,检测精度高,可以定量分析漏风情况。为准确测定漏风量,需对示踪气体释放量、 释 放点和采样点的位置等参数进行准确计算,并对实验分析条件有较高的要求。本文对此进行了深入的分析, 并结合现场进行了漏风实测,取得了良好的效果。 关键词示踪气体;释放量;实验条件;漏风量 中图分类号 TD722 文献标识码 A 文章编号 1672 - 7169200702 - 0005 - 03 在浅埋厚煤层开采中,尤其是采用综采放顶 煤开采工艺时,容易导致采空区地表的漏风,目前 在国内外采用SF6示踪气体测定矿井漏风已成为 一项主要的测漏技术,根据检测的目的不同该方 法又可分为脉冲释放法和连续定量释放法,当需 要准确测定漏风量时,需采用连续定量释放法。 1 示踪气体的选用 用示踪气体作为标识气体进行漏风测量,其 所选用的示踪气体应具有如下要求[1] 1 无毒 无腐蚀性,对人体无害、 不易燃易爆 ; 2 不溶于 水,具有化学惰性,不与周围气体和物质发生化学 反应 ;3 在井下环境中自然含量低,能够方便地 被检测出来,检测手段简单 ;4 成本低而且具有 较高的测量精度,在井下释放和接收简捷和便利; 5密度与空气接近。能在较短时间内迅速和空 气混合均匀。常用的示踪气体有SF6、 氟里昂、 CO2、NO2、CO、C2H6、CH4等。示踪气体直接决定 气体分析仪的种类及释放示踪气体所需费用,因 此示踪气体的选择非常重要。SF6基本具备上述 条件,一般被认为是在检测矿井漏风方面最为理 想的示踪气体。 2 技术要求 211 释放量的确定 释放量的大小取决于巷道的风量和地表漏风 量及分析仪器的检测浓度。通常采用气相色谱仪 分析气体,以保证检测浓度在检测线性范围内对 于SF6为10 - 9～10- 11 为原则。释放前,为准确 标定释放量,最好在现场用皂膜流量计标定,并调 整好示踪气体的释放量。其稳定连续释放流量可 用下式估算[2][3] q≥215 - 315 Q C1061 式中 QM 巷道风量m3/ min ; C 仪器的适应检测浓度,C≈10 - 9。 如在现场标定不方便,可在地面标定后按下 式进行换算 q P0q0T PT0 2 式中 P0 地面标定时的气压,Pa ; q0 地面标定时的流量,mL/ min ; T0 地面标定时的温度,℃; P 现场气压,Pa ; T 现场温度,℃。 212 释放点和采样点位置的确定 为确保释放一定时间后示踪气体到采样点时 已混合均匀,释放点到采样点距离通常不少于25 倍[4]的巷道水力当量直径。 213 实验条件 实验条件对测定结果的影响很大,本实验采 用的北京东西分析仪器厂生产的GC4000A气相 色谱仪。色谱柱选用5A分子筛,柱长1 m ,内径 2 mm ,柱温60℃;汽化室温度设定值150℃; ECD检测器温度设定值200℃;载气为高纯氮,流 速40 mL/ min ;进样量1 mL。 5 第4卷 第2期 华北科技学院学报 2007年4月 ① ②作者简介郝圣艾1965 - ,男,安徽萧县人,高级工程师,平朔煤炭工业公司通风部主任工程师。 收稿日期2007203210 3 连续定量释放装置及原理 311 示踪气体连续释放装置 示踪气体连续释放装置必须能保证气体连续 稳定地释放,而且释放量可调节,整个系统必须有 高度的气密性,图1为中国矿业大学安全工程实 验室设计的SF6示踪气体连续释放装置。该装置 由SF6气体钢瓶1、 减压阀2、 稳压阀3、 稳流阀4 和流量计5组成[5]。稳流阀调节控制释放量,SF6 的稳定释放量为10～100 mL/ min。 图1 DF6示踪气体连续释放装置示意图 1 气体钢瓶;2 减压阀;3 稳压阀;4 稳流阀;5 流量计 312 连续定量释放SF6测定漏风的原理 在需要考察的井巷进风风流中,连续稳定定 量地释放SF6气体,然后分别在顺风流方向设定 的采样点采集气样。如果沿途不漏风或者向外漏 风,则沿途各点风流中的SF6浓度保持不变;如果 沿途当沿风流方向有漏风涌入时,会使井巷中 SF6气体浓度发生变化呈下降趋势。通过对采样 点的SF6浓度变化的分析,即可求得漏风量,从而 找出漏风规律。 设SF6气体的释放量为q,进风采样点的SF6 气体浓度为C1,回风采样点的SF6气体浓度为 C2,则漏风量 ΔQ q C2 - q C1 1033 式中 ΔQ 漏风体积流量,m3/ min ; q 示踪气体释放量,ml/ min ; C1 进风巷示踪气体浓度,ppb; C2 回风巷示踪气体浓度,ppb。 为准确测量漏风量,当进回风巷两侧空气密 度变化较大时,应根据质量流量来求漏风量 ΔM q C2 ρ 2- q C1 ρ 1103 式中 ΔM 漏风质量流量,m3/ min ; ρ1 进风巷空气密度,kg/ m3; ρ2 回风巷空气密度,kg/ m3。 4 现场应用 安家岭井工矿一号井S4102工作面,煤层埋藏 浅,距地表约130 m ,煤层厚度平均为1311 m ,采煤 方式为综放开采,采煤过程地表出现大量裂缝,上 隅角CO浓度升高,怀疑地表漏风进入采空区。为 此,我们采用示踪气体测漏技术对该工作面进行了 漏风定量测定。巷道形状为矩形,支护方式为锚网 支护,宽512 m ,高317 m ,当日风量约1500 m3/ min ,根据以上参数和公式,得以下参数当量水力 直径4s/ c 4132 m ,释放量为3175 - 5125 mL/ min ,释放点到采样点最短距离413225 108 m。 根据以上资料,我们在现场对示踪气体释放 量进行了标定,标定量为7134 mL/ min。释放点 选在进风巷距工作面120 m ,采样点分别选在工 作面进风口和回风巷距工作面120 m处。9 10 开始释放,由于考虑了采空区的影响,将采样时间 选在了释放2小时后,采样时做到两端同时采样, 每5分钟采样一次,两端各采集气样5个,上井后 进行色谱分析,具体结果如下表1所示。 表1 S4102工作面采空区漏风体积量 时 间 时间长度 min 回风侧浓度 ppb 进风侧浓度 ppb 回风侧风量 m3min - 1 进风侧风量 m3min - 1 漏风风量 m3min - 1 11 105491683725217481477134513911522851823 11 151049180569521783391473172713901588831139 11 201549183428531000031472188213841905871976 11 252049179158521796861474114513901234831911 11 302549177661521838941474158813891127851461 6 第4卷 第2期 华北科技学院学报 2007年4月 经过计算,可以看出在整个释放期间,风流比 较稳定,漏风体积流量量稳定在8311 m3/ min - 8719 m3/ min之间。 根据现场测定,进风侧空气密度为110467 kg m - 3 ,回风侧空气密度为11068 kgm - 3 ,为排除 空气密度变化的影响,将漏风量转化为漏风质量 流量,如下 表2 S4102工作面采空区漏风质量流量 时 间 时间长度 min 回风侧浓度 ppb 进风侧浓度 ppb 回风侧风量 kgmin - 1 进风侧风量 kgmin - 1 漏风风量 kgmin - 1 11 105491683725217481576175814941367821391 11 151049180569521783391572189714931364791533 11 201549183428531000031571199514871261841734 11 252049179158521796861573134314921984801359 11 30254917766152183894157318161491179582102 可以看出,当采用质量流量时,漏风量稳定在 79153 kg/ min - 84173 kg/ min之间。 5 结论 1 通过采用示踪气体连续定量测漏法,证实 了采空区地表漏风的存在,且准确测量出了漏风 量,为下一步的防漏和堵漏提供了科学的依据。 2 为准确测量漏风量,应排除空气密度变化 的影响,最好采用质量流量来求漏风量。 3 用示踪气体进行漏风测量时,示踪气体释 放点到采样点一定要有足够的距离,以确保示踪 气体与风流完全均匀混合,从而保证其测量精度。 4 为准确测定漏风量,示踪气体释放流量标 定必须准确,要求标定不少于3次,误差不大于 5 。 5 示踪气体测量是一种方便、 简捷、 精确的 测量方法,尤其是巷道漏风测量时,有其它测量方 法不可比拟的优点。 参考文献 [1] 王海桥.示踪气体测量理论及在矿井通风中的 应用[J ].工业安全与防尘,20002 [2] 刘泽功.矿井外部漏风检测方法及应用实例 [J ].煤矿安全,1996 ,No. 9 [3] 张国枢.矿井实用通风技术[M].北京煤炭工 业出版社,1992 50 - 100 [4] 朱能.示踪气体跟踪测量方法在空调通风上的 应用[J ].暖通空调,1999 ,292 [5] 秦波涛,李增华.利用SF6气体测定矿井漏风 技术[J ].河北煤炭,20011 Quantitative Determination of Air2leakage in Gob Area HAO Sheng2ai1, ZHAN G Zuo2hua2, ZHAO Hong2mei2, HE Jun2jie2 1. Ventilation Department ,Pingshuo Coal Industry Corporation , Shanxi Pingshuo 036800 ; 2. China University of minimg and Technology , Jiangsu Xuzhou 221008 Abstract Tracing2gas must be released quantitatively and continuously for measuring air2leakage quantitatively , because of the lower air2leakage in gob area. This is simple in theory and operation , and high detecting accuracy and less releasing gas for analyze air2leakage quantitatively. Releasing rate , releasing points and sampling points must be ascertained accurately , and it required higher lab conditionsfor air2leakage determination. This paper analyzed the deeply and determined in local with good results. Key word Tracing2gas;Release rate ;Experiment condition;Air2leakage 7 第2期 郝圣艾等矿井采空区漏风的定量检测