封閉采空區瓦斯涌出影響因素及防治措施

程磊

【摘 要】季節變化和晝夜交替會引起地面大氣壓變化，地面大氣壓的變化使得礦井封閉區域內外壓力相對發生變化，并導致工作面的瓦斯異常涌出。論文分析了大氣壓變化和瓦斯異常涌出之間的關聯性，指出弄清封閉區域臨界壓力的方法，通過采取采空區瓦斯抽采、工作面均壓通風、巷道噴涂堵漏風等技術措施，有效抵御了大氣參數變化引起的瓦斯異常涌出。

【Abstract】Seasonal variations and diurnal alternation can cause changes in surface atmospheric pressure.The change of surface atmospheric pressure makes the pressure inside and outside the closed area of the mine relatively change， and leads to the abnormal gas emission of the working face. The paper analyzes the relationship between atmospheric pressure change and abnormal gas emission， and points out the method of clarifying the critical pressure in closed area. The abnormal gas emission caused by the variation of atmospheric parameters is effectively resisted by adopting the technical measures of gas drainage in goaf， uniform pressure ventilation in working face and air leakage stopping by spraying in roadway.

【關鍵詞】大氣壓；封閉區域；瓦斯；異常涌出；臨界壓力

【Keywords】atmospheric pressure； closed ares； gas； abnormal emission

【中圖分類號】TD712.62 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2018）11-0194-03

1 地面大氣壓的變化

地面大氣壓不同的時間、氣候和地點，其值不盡相同，但是地面氣壓的變化并非無規律可尋，實際情況看，地面的大氣壓主要存在以下規律。

隨著標高的變化，標高越高，空氣密度越小，造成氣壓越低；相同條件下，干空氣的氣壓比濕空氣氣壓高，造成從赤道到南北極，氣壓不斷變大；一年四季的不同季節的大氣壓也是不同的，比如陸地上冬天的大氣壓比夏天高的原因就是不同季節陸地和海洋之間的空氣擴散方向不同；另外就是氣候條件的不同造成氣壓不同，比如陰雨天氣的空氣濕度大，造成大氣密度降低，氣壓相對晴天較低；最明顯的就是一天的大氣壓的變化，通過觀測，上午9～10時為一天的氣壓最高值，下午15～16時為一天氣壓的最低值，這主要和大氣的輻射運動有關[4]。

2 封閉區域瓦斯運移決定因素

以井下采空區封閉墻為例，認為封閉區域內的氣體參數不變，那么封閉墻內氣體能量也不變，決定封閉墻內外漏風方向的動力就是封閉墻內外能量高低。根據能量守恒定律及伯努利方程[2]，巷道中某點的能量= 動能+重力勢能+壓力勢能，由于封閉墻內外標高相同，忽略墻外風流流動產生的動能，那么封閉墻內外能量比較就是通風靜壓的比較，在通風系統穩定情況下，封閉墻外通風靜壓就是決定封閉墻漏風方向的決定因素，封閉墻外絕對靜壓發生變化時，表現為采空區瓦斯異常涌出或外界向采空區漏風的“吞吐”現象[3]。

3 封閉采空區瓦斯涌出與大氣壓的關系

3.1 大氣壓與井下風流絕對靜壓同步變化的原因分析

從式（1）反映了礦井通風系統阻力和自然風壓、風機入口絕對靜壓的關系，通常hv4不大，某一段時間內變化不大，HN隨著季節變化，一般礦井，其值不大，因此h4基本上反映了礦井通風阻力和通風機靜壓大小；同時式（2）反映風機相對靜壓（近似看成通風機通風負壓）和風機入口的絕對靜壓和大氣壓有關，圖中礦井在正常通風過程中，在井下通風系統沒有大的變化情況下，水柱計讀數是定值，即h4相對不變，忽略進回風井標高差，地面大氣壓P01是不斷變化的，所以說主要通風機入風口風流絕對靜壓也是不斷變化而且是和大氣壓的同步變化，所有說井下巷道任意地點的絕對靜壓也是隨大氣壓變化而同步變化的。

3.2 封閉區域瓦斯涌出與地面大氣壓的關系驗證

3.2.1 井下氣壓和地面大氣壓同步變化驗證

選擇井下不同地點不同日期在一天中大氣壓較低時刻測量相關大氣參數，分別選擇我礦西進風井下口、西二回風石門、18516上順槽封閉墻外、11223下順槽掘進工作面回風流4處地點，通過具體的觀察得出：隨著溫度不斷降低地面大氣壓也不斷降低，同時井下各處地點的大氣壓也隨著地面大氣壓降低而不斷降低，且降低數值和地面大氣壓降低值基本相同。如2月28日地面大氣壓相比2與22日地面大氣壓相比降低13hPa，而18516上順槽封閉墻外氣壓2月22日比28日同樣降低13hPa，說明井下氣壓不僅僅和地面的氣壓變化趨勢相同，同時變化數值也能吻合。

3.2.2 “臨界壓力”確定

在不同日期觀測18516上順槽封閉進出風及壓差情況并取樣分析，通過觀察可以看出，地面大氣壓力的變化直接影響該封閉觀察孔進出風情況及瓦斯涌出，比如12月29日和2月16日數據相比，地面大氣壓分別是1034.1hPa和1009.3hPa，而封閉墻由進風31mmH20變成出風170mmH20，前后封閉墻壓差相差2010Pa，觀察孔內的甲烷濃度也由0.5%變成41%，可想而知大氣壓對封閉墻影響是非常明顯的，所以質量達標的封閉墻就是墻內為高濃度氣體，墻內外壓差大但是墻外空間無瓦斯積聚。

根據表中數據可以利用插值法求得當觀察孔處于不出不進狀態即壓差為零時的大氣壓力為1029.2hPa，在此處稱為“臨界壓力”，也就是說當在地面同一地點測得大氣壓為1029.2hPa時可以不用下井觀測就可以預測該處封閉墻處于不出不進狀態。由此我們對于井下每一處封閉區域都可以測出其臨界壓力值，這樣在一定情況下都可以在地面預測該封閉區域的進出風趨勢。尤其對于那些封閉內部空間相對獨立的區域，臨界壓力相對固定，若封閉區域內漏風通道復雜則受外界因素影響可能臨界壓力不是一成不變的，但是該方法對于瓦斯涌出異常的預測可以起到至關重要的作用。

4 防治瓦斯異常涌出措施

據上所述，地面大氣壓對封閉區域的瓦斯涌出的影響已經非常清楚，在瓦斯管理中重點要做的就是在地面大氣壓突然降低時，能做到防治井下封閉區域的瓦斯突然大量涌出，如2017年2月19日我礦11123下順槽沿空掘進工作面回風流瓦斯突然增加，在下午15：03分時預警，回風流甲烷探頭達到0.60%。分析其原因就是當天溫度突然上升，氣壓急劇降低改變了沿空幫內外壓力平衡狀態，導致瓦斯突然涌出。為了做到防治封閉區域瓦斯異常涌出，必須從以下幾點采取措施。

4.1 降低封閉區域內能量

對封閉區域進行抽采，降低封閉區域內瓦斯量，從而降低內部壓力，例如對11123下順槽臨近的11223采空區進行抽采，抽采負壓要根據該區域平時和瓦斯異常涌出時氣壓差值確定，開啟抽采后，該掘進工作面當班回風流瓦斯在一小時內迅速降低至0.30%，抽采時間根據瓦斯情況而定，在抽采過程中加強防火觀測，發現一氧化碳及時停抽或控制抽采。

4.2 增加封閉區域外能量

調整通風系統，增加風排量，同時在回風側施工通風設施，采取均壓措施，目的就是增加封閉區域外部壓力。

4.3 提高封閉質量

要著重提高和封閉區域隔絕的封閉設施的質量，對于沿空掘進工作面沿空側必須采取噴注漿措施堵漏，采空區封閉墻按照規定掏槽雙墻噴注漿，達到墻內為高濃度氣體，墻內外壓差大但是墻外空間無瓦斯積聚。

5 結論

①大氣壓力的變化影響井下通風參數，能夠準備判斷并掌握變化規律，對煤礦井下瓦斯、防火管理起到不可忽視的作用。

②井下封閉墻進出風變化一個重要原因就是地面大氣壓的變化導致，使得封閉墻出現“吞吐”現象，關鍵是明確封閉區域處“臨界壓力”，這樣才能做到有的放矢。

③為了防止大氣壓力變化造成封閉墻瓦斯事故，主要從以下幾點入手：一是在采區安全措施前提下，對封閉區域進行抽采，降低內部瓦斯量，減少封閉區域內部能量；二是增加風量，確保風量充足；三是采區均壓方法，具體可以在封閉區域回風系統施工設施進行調控，達到增加封閉墻外壓力；四是封閉墻嚴格按照標準進行雙墻噴注，確保墻體不漏風。

【參考文獻】

【1】張國樞. 通風安全學[M]. 徐州： 中國礦業大學出版社， 2007.

【2】俞啟香.礦井瓦斯防治[M].徐州：中國礦業大學出版社，1992.

【3】郭翔.采空區呼吸現象原因分析及瓦斯治理技術研究[J].能源技術與管理，2016.

【4】孫學會，王剛，于貴生.“三個壓力”對工作面采空區瓦斯涌出影響試驗研究[J].煤炭安全，2014.