测定采空区内部漏风量和外部漏风量的方法

技术领域

本发明涉及煤炭开采领域，具体而言，涉及一种测定采空区内部漏风量和外部漏风量的方法。

背景技术

浅埋煤田大部分矿井采用井工开采，所采煤层一般为易自燃煤层，采空区自然发火威胁较大。导致煤矿采空区自然发火的主要因素有三个，分别为浮煤堆积、供氧条件和蓄热条件。由于供氧条件和蓄热条件都与漏风有关，所以引起采空区自然发火的主要原因为漏风，精确地测定采空区漏风量尤其重要。漏风主要分为两类：一是外部漏风，即地表漏风，一般来说，煤层埋藏越浅，漏风量越大；二是采空区内部漏风，由于工作面进回风之间存在压差，且采空区存在漏风通道，所以造成采空区内部漏风。因此，防灭火措施的关键在于找到主要漏风位置并控制漏风，所以一般也采用漏风量的变化指标来验证防灭火措施效果。

目前测定采空区内外部漏风的方法主要有风表法、示踪气体法等，但是这些方法存在许多问题。风表法直接测漏风误差大。风表法测漏风方法为用风表分别测工作面进、回风流的风量，两者相减即为漏风量。风表法测漏风的缺陷为在漏风量较小时，测量误差大，甚至测不出结果。由于井下巷道设备较多，对通风断面影响较大，巷道的通风断面检测结果不准确，且巷道断面中各点风速受巷壁、设备轮廓阻滞影响，各点风速并不一致，导致风表测风量误差大，有时误差甚至超过漏风量。示踪气体法测漏风一般为示踪气体释放后，有外部漏风加入时，会被稀释，可根据示踪气体稀释程度来计算漏风量。示踪气体测漏风的缺陷为：只能测外部漏风，不能测内部漏风，且测量技术复杂，所需人员多，误差难以控制，所使用的六氟化硫示踪气体温室效应强，不环保，不能作为日常测漏风的技术手段。

也就是说，现有技术中测定采空区内外部漏风的方法存在测量误差大的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种测定采空区内部漏风量和外部漏风量的方法，以解决现有技术中测定采空区内外部漏风的方法测量误差大的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种测定采空区内部漏风量和外部漏风量的方法，包括：步骤S10：获取校准巷道和被校准巷道；步骤S20：测量开采时校准巷道和被校准巷道的风量；步骤S30：根据开采时校准巷道和被校准巷道的风量来确定地表漏风量；步骤S40：根据气体分析法测量总漏风量；步骤S50：根据总漏风量确定内部漏风量。

进一步地，在步骤S10中包括：选取工作面的进风巷道或回风巷道中断面规整、无大型设备影响的巷道作为校准巷道；选取除校准巷道以外的巷道作为被校准巷道。

进一步地，在步骤S10与步骤S20之间还包括：测量开采前校准巷道和被校准巷道的风量以确定被校准巷道的等效通风断面的面积。

进一步地，在测量开采前校准巷道和被校准巷道的风量以确定被校准巷道的等效通风断面的面积过程中包括：在校准巷道内选取一个断面作为校准测风站；测量校准测风站的巷道断面的面积为校准面积；测量校准测风站的校准风速；根据校准风速和校准面积确定校准风量；在被校准巷道内选取一个断面为被校准测风站；测量被校准测风站的被校准风速；开采前校准风量和被校准风量满足公式(1)，

Q

被校准风量满足公式(2)，

S

根据公式(1)和公式(2)确定被校准巷道的等效通风断面的面积；

其中，Q

进一步地，步骤S20包括：获取开采时的校准测风站的校准开采风速；根据公式(3)确定校准巷道的校准开采风量，

Q′

获取开采时被校准测风站的被校准开采风速；

根据公式(4)确定被校准巷道的被校准开采风量，

Q′

其中，Q'

进一步地，步骤S30包括：根据公式(5)确定地表漏风量，

Q

其中，Q'

进一步地，步骤S40包括：选取一种气体作为测定总漏风量的测定气体；将工作面回风隅角处的采空区气体涌出点作为采空区气样采样点；测量校准开采风量、校准巷道中测定气体的浓度、被校准开采风量、被校准巷道中测定气体的浓度、采样点处测定气体浓度，并根据公式(6)得到总漏风量，

Q

其中，Q

进一步地，在选取一种气体作为测定总漏风量的测定气体的过程中，选取采空区特有的气体或主要来源的气体中含量较少的气体作为测定气体。

进一步地，在测量校准开采风量、校准巷道中测定气体的浓度、被校准开采风量、被校准巷道中测定气体的浓度、采样点处测定气体浓度，并根据公式(6)得到总漏风量的过程中，采用气相色谱仪对采集的气样进行分析得到校准巷道中测定气体的浓度、被校准巷道中测定气体的浓度、采样点处测定气体浓度。

进一步地，在步骤S50中，用总漏风量减去地表漏风量，得到内部漏风量，计算公式如下：

Q

其中，Q

应用本发明的技术方案，测定采空区内部漏风量和外部漏风量的方法包括：步骤S10：获取校准巷道和被校准巷道；步骤S20：测量开采时校准巷道和被校准巷道的风量；步骤S30：根据开采时校准巷道和被校准巷道的风量来确定地表漏风量；步骤S40：根据气体分析法测量总漏风量；步骤S50：根据总漏风量确定内部漏风量。

通过步骤S10在开采工作开始前获取校准巷道和被校准巷道，避免被校准巷道存在的较大误差影响漏风量的测量。通过步骤S20测量开采时校准巷道和被校准巷道的风量，此时测量的风量由于漏风情况的存在，校准巷道和被校准巷道的风量并不相同，进而能够通过步骤S30来确定地表漏风量。通过步骤S40根据气体分析法测量总漏风量，选取一种特殊气体分析气体成分占比从而得到采空区的总漏风量，总漏风量即为地表漏风量和内部漏风量的总和，也就是总漏风量和地表漏风量的差值即为内部漏风量。通过分别明确内部漏风量和外部漏风量，能够监控采空区漏风的主要来源，有针对性地对内部或者外部漏风区域进行封堵，避免事故的发生。本发明解决了现有技术中测定采空区内外部漏风的方法测量误差大的问题。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明任一实施例的工作面漏风过程示意图；

图2示出了图1中的测定采空区内部漏风量和外部漏风量方法的流程示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

1、校准巷道；2、被校准巷道；3、地表漏风量；4、内部漏风量；5、采空区；6、校准测风站；7、被校准测风站；8、工作面回风隅角；9、工作面；10、新鲜风；11、污风；12、工作面进风隅角。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本发明。

为了解决现有技术中测定采空区内外部漏风的方法测量误差大的问题，本发明提供了一种测定采空区内部漏风量和外部漏风量的方法。

如图1和图2所示，测定采空区内部漏风量4和外部漏风量的方法包括：步骤S10：获取校准巷道1和被校准巷道2；步骤S20：测量开采时校准巷道1和被校准巷道2的风量；步骤S30：根据开采时校准巷道1和被校准巷道2的风量来确定地表漏风量3；步骤S40：根据气体分析法测量总漏风量；步骤S50：根据总漏风量确定内部漏风量4。

通过步骤S10在开采工作开始前获取校准巷道1和被校准巷道2，避免被校准巷道2存在的较大误差影响漏风量的测量。通过步骤S20测量开采时校准巷道1和被校准巷道2的风量，此时测量的风量由于漏风情况的存在，校准巷道1和被校准巷道2的风量并不相同，进而能够通过步骤S30来确定地表漏风量3。通过步骤S40根据气体分析法测量总漏风量，选取一种特殊气体分析气体成分占比从而得到采空区5的总漏风量，总漏风量即为地表漏风量3和内部漏风量4的综合，也就是总漏风量和地表漏风量3的差值即为内部漏风量4。通过分别明确内部漏风量4和外部漏风量，能够监控采空区漏风的主要来源，有针对性地对内部或者外部漏风区域进行封堵，避免事故的发生。

需要说明的是，地表漏风量3即为外部漏风量。

实施例一

如图1所示，以典型的U型通风综采工作面为例来说明，矿井采用主要通风机全负压通风，井下所有巷道及用风地点均为负压。工作面通风系统由进风巷道(进风顺槽)、工作面9、工作面回风巷道(回风顺槽)三部分组成，新鲜风10经工作面进风巷道进入，经过工作面9，最后由回风巷道将污风11排出。

工作面9的采空区5漏风分为地表漏风、内部漏风，地表漏风主要通道为地表空气经采空区5塌陷裂隙进入采空区5，最后主要在工作面回风隅角8进入工作面9；内部漏风主要通道为工作面风流的一部分在工作面进风隅角12进入采空区5，在工作面回风隅角8流出采空区5并进入工作面9。

在步骤S10中包括：选取工作面的进风巷道或回风巷道中断面规整、无大型设备影响的巷道作为校准巷道1；选取除校准巷道以外的巷道作为被校准巷道2。断面规整、无大型设备影响的巷道中风流分布均匀，测风条件较好，任意位置的风速差别很小，由巷道本身带来的误差较小，因此可以作为校准巷道1。其他巷道由于安设胶带输送机等大型设备，对巷道风速分布及通风断面影响很大，导致风量测量误差大，因此选择这种条件的巷道为被校准巷道2。

需要说明的是，当工作面有多条进风或回风巷道时，将巷道断面中含有大型设备所在进风或回风巷道作为被校准巷道2，优选地，被校准巷道2一般只有一条且为胶带输送机巷道，其他巷道均为校准巷道1。

具体的，在步骤S10与步骤S20之间还包括：测量开采前校准巷道1和被校准巷道2的风量以确定被校准巷道2的等效通风断面的面积。在综采工作面及进、回风巷道设备全部安装到位，初采开始前，测定被校准巷道2的等效通风断面。在开采前由于采空区5尚未形成，因此无地表漏风量3，校准巷道1和被校准巷道2的风量相同。确定被校准巷道2的等效通风断面的面积能够避免被校准巷道2自身条件的影响为漏风量的测量带来较大误差，保证漏风量测量结果的准确性。

具体的，在测量开采前校准巷道1和被校准巷道2的风量以确定被校准巷道2的等效通风断面的面积过程中包括：在校准巷道1内选取一个断面作为校准测风站6；测量校准测风站6的巷道断面的面积为校准面积；测量校准测风站6的校准风速；根据校准风速和校准面积确定校准风量；在被校准巷道2内选取一个断面为被校准测风站7；测量被校准测风站7的被校准风速；开采前校准风量和被校准风量满足公式(1)，

Q

被校准风量满足公式(2)，

S

根据公式(1)和公式(2)确定被校准巷道2的等效通风断面的面积；

其中，Q

通过在校准巷道1内选取一个断面作为校准测风站6，测量校准测风站6的巷道断面的面积为校准面积和校准风速，根据公式(1)得到在校准测风站6处的校准风量，由于开采前无地表漏风，因此校准风量和被校准风量相等，再测量被校准测风站7处的被校准风速，根据公式(2)得到被校准巷道2的等效通风断面的面积。等效通风断面可以取代实测断面，以消除不规则通风巷道的测风误差。

需要说明的是，采用风表测量校准测风站6和被校准测风站7的风速。

具体的，步骤S20包括：获取开采时的校准测风站6的校准开采风速；根据公式(3)确定校准巷道1的校准开采风量，

Q′

获取开采时被校准测风站7的被校准开采风速；

根据公式(4)确定被校准巷道2的被校准开采风量，

Q′

其中，Q'

在开采过程进行后，测量校准测风站6处的校准开采风速，根据公式(3)得到此时校准巷道1的校准开采风量。测量被校准测风站7处的被校准开采风速，根据公式(4)得到被校准巷道2的被校准开采风量。

具体的，步骤S30包括：根据公式(5)确定地表漏风量3，

Q

其中，Q'

由于在开采过程进行后采空区5产生地表漏风，校准开采风量和被校准开采风量并不相同，根据公式(5)确定地表漏风量3为校准开采风量减去被校准开采风量。

具体的，步骤S40包括：选取一种气体作为测定总漏风量的测定气体；将工作面回风隅角8处的采空区5气体涌出点作为采空区5气样采样点；测量校准开采风量、校准巷道1中测定气体的浓度、被校准开采风量、被校准巷道2中测定气体的浓度、采样点处测定气体浓度，并根据公式(6)得到总漏风量，

Q

其中，Q

采空区5气体成份与风流中气体成份有差别，采空区5漏风将改变风流中的气体成份，采空区5的漏风量越大，风流中的气体成份改变越大。由于综采工作面回风隅角8是采空区5漏风的主要通道，其漏风量一般占采空区5漏风的绝大部分，在工作面回风隅角8处的采空区5气体涌出点作为采空区5气样采样点，可以测得采样点处的气体浓度。测量校准开采风量、校准巷道1中测定气体的浓度、被校准开采风量和被校准巷道2中测定气体的浓度，可以得到校准巷道1中测定气体的量和被校准巷道2中测定气体的量，二者的差值即为工作面9中测定气体的增加量。再根据公式(6)将测定气体的增加量除以采样点处的测定气体的浓度，所得数值即为总漏风量。

具体的，在选取一种气体作为测定总漏风量的测定气体的过程中，选取采空区5特有的气体或主要来源的气体中含量较少的气体作为测定气体。将采空区5特有的气体或主要来源的气体中含量较少的气体作为测定气体，可以避免工作面9中产生的测定气体成分对测量结果产生干扰，减小测量漏风量的误差，保证测定气体在风流中含量很小，增加测量过程的灵敏度。

可选地，将一氧化碳选为测定气体，进风流中一氧化碳含量很小，主要在采空区浮煤氧化过程中产生。

具体的，在测量校准开采风量、校准巷道1中测定气体的浓度、被校准开采风量、被校准巷道2中测定气体的浓度、采样点处测定气体浓度，并根据公式(6)得到总漏风量的过程中，采用气相色谱仪对采集的气样进行分析得到校准巷道1中测定气体的浓度、被校准巷道2中测定气体的浓度、采样点处测定气体浓度。采用气相色谱仪对采集的气样进行分析可以减小误差，保证测量结果的准确性。

具体的，在步骤S50中，用总漏风量减去地表漏风量3，得到内部漏风量4，计算公式如下：

Q

其中，Q

根据公式(7)将总漏风量减去地表漏风量3，得到的数值即为内部漏风量4。到此完成采空区5内部漏风量4和地表漏风量3的测量。

以一个例子来进行说明，某矿为浅埋藏易自燃煤层，地表漏风严重，再加上采空区5的内部漏风，采空区5自然发火问题较为突出。经研究，决定采取以堵漏为主的防灭火措施，并日常测量内、外部漏风量，以评估堵漏效果。但由于漏风测量方法的限制，一直没有明确采空区5的漏风量。采用本方法测内、外部漏风量后，可随时得到采空区5的漏风量变化，对防灭火措施效果评价起到关键性的作用。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

1、采用风表、气体浓度测量等常规手段，实现对综采工作面9的内部漏风和地表漏风全面测量；

2、采用比对法来测量等效通风断面，消除不同巷道因巷道中设备影响导致测风结果的不一致性，保证了漏风量测量结果的准确性；

3、选取采空区5特有气体或主要来源气体为测量对象，根据该气体在巷道风流中的总量变化来计算总漏风量，保证了测量总漏风量的准确性。

显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。