大氣壓力變化與礦井瓦斯涌出規(guī)律探究

李小波

【摘 要】大氣壓力變化引起礦區(qū)氣壓變化，進而影響礦井工作面采空區(qū)、采空區(qū)密閉內(nèi)部瓦斯涌出量變化，通過對煤礦回采工作面、采空區(qū)永久密閉進行觀測，驗證結(jié)果表明無論回采工作面采空區(qū)還是采空區(qū)永久密閉都符合理想氣體狀態(tài)方程，大氣壓變化導致采空區(qū)內(nèi)部氣體收縮或膨脹，瓦斯涌出量相應的降低或增加。但當大氣壓力在急劇變化下，瓦斯涌出量迅速增加，應該在此時期加強瓦斯防治工作。

【關鍵詞】大氣壓力；瓦斯涌出

瓦斯不規(guī)律涌出是制約煤礦安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，在瓦斯治理過程中，瓦斯異常涌出主要是破煤處于地質(zhì)破碎帶附近、采空區(qū)瞬間冒落及工作面周期來壓等，往往忽視了大氣壓力變化對瓦斯涌出的影響。經(jīng)過我礦近年來在瓦斯治理過程中的分析研究，發(fā)現(xiàn)礦井瓦斯涌出量與大氣壓力有密切的聯(lián)系，氣壓變化礦井瓦斯也隨之變化，探究大氣壓力與瓦斯涌出的變化規(guī)律，對今后瓦斯治理工作具有指導意義。

一、礦區(qū)氣壓變化規(guī)律

地球表面覆蓋的一層厚厚的由空氣組成的大氣層，處于大氣層中的物體，都受到空氣分子撞擊產(chǎn)生的壓力，簡稱大氣壓力。受到地心引力作用，距地球表面越近，地球吸引力越大，空氣分子撞擊物體表面的頻率越高，產(chǎn)生的大氣壓力就越大；反之，欲小。據(jù)測定， 旬耀礦區(qū)地面大氣壓力變化在一年內(nèi)可達500～2000pa，特殊情況下一天變化可達200～400pa，每天早晨氣壓上升，下午氣壓下降；冬季氣壓高，夏季氣壓低，但是如某一次寒流到來，氣壓相應增高，但是冷空氣一過，氣壓緩慢下降，因此某一固定區(qū)域的內(nèi)大氣壓力變化，必然導致礦井內(nèi)部大氣壓變化，進而影響礦井內(nèi)部瓦斯變化。

二、瓦斯涌出來源及運移規(guī)律

1.礦井瓦斯涌出來源

根據(jù)礦井瓦斯涌出地點不同，分為采掘工作面割煤煤壁破壞；已掘巖巷、煤巷逐漸釋放；采空區(qū)遺煤釋放；鄰近煤層瓦斯涌出。

2.瓦斯運移規(guī)律

瓦斯在煤層中的賦存形式主要有兩種狀態(tài)：一種稱為游離瓦斯，滲透于煤層裂隙當中；另一種稱為吸附瓦斯，主要吸附在煤的微孔表面和儲存煤的微粒內(nèi)部。實測表明，煤層中吸附瓦斯量占70%～95%，而游離瓦斯量占5%～30%。在煤體未被破壞前，游離和吸附瓦斯在壓力作用下處于動態(tài)平衡狀態(tài)。當在井下進行采掘活動時，煤體的平衡狀態(tài)被打破，部分游離瓦斯在壓力作用下從煤層中釋放出來，瓦斯壓力逐漸降低，同時，吸附瓦斯逐漸從煤層中解析，源源不斷的釋放瓦斯。

三、大氣壓力與采空區(qū)永久密閉及采煤工作面的關系

1.大氣壓力與采空區(qū)永久密閉的關系

我們把采空區(qū)永久密閉作為研究對象，假定采空區(qū)永久密閉封閉相當嚴實，是一個理想封閉空間，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程。當壓強增大時，為了保持平衡，體積就得減小，內(nèi)部氣體處于收縮狀態(tài)；當壓強減小時，為了保持平衡，體積就得增大，內(nèi)部氣體處于擴張狀態(tài)。

但在井下采空區(qū)永久密閉外，存在大量裂隙與密閉墻內(nèi)部進行溝通，內(nèi)部氣體會通過裂隙，進行物質(zhì)與能量交換，以趨近動態(tài)平衡。當大氣壓升高時，為了維持平衡，外部氣體必須對密閉墻內(nèi)進行補充，呈現(xiàn)內(nèi)漏；當大氣壓降低時，內(nèi)部氣體必須進行釋放，表現(xiàn)出外漏。

2.大氣壓與采煤工作面的關系

回采期間，受采動影響，瓦斯壓力逐漸釋放，部分游離瓦斯隨著風流進入回風流中，大部分吸附瓦斯來不及釋放直接進入采空區(qū)，致使大部分瓦斯都遺留在采空區(qū)，當大氣壓升高時，采空區(qū)內(nèi)大氣壓也同時升高，但是工作面空間壓力升高較快，壓制著采空區(qū)內(nèi)部瓦斯向外擴散，采空區(qū)內(nèi)瓦斯處于收縮狀態(tài)，瓦斯在工作面顯現(xiàn)不明顯。當大氣壓降低時，采空區(qū)內(nèi)大氣壓也降低，工作面空間壓力降低較快，采空區(qū)瓦斯向工作面風流中進行擴散，采空區(qū)內(nèi)部瓦斯氣體體積膨脹，部分游離瓦斯、吸附轉(zhuǎn)化的瓦斯及部分圍巖瓦斯大量釋放進入工作面。

四、實例分析

1.儀器選擇

測定壓力儀器：選用JFY-2型礦井通風多參數(shù)檢測儀，主要檢測大氣壓力、溫度、濕度等。

測定瓦斯儀器：選用CJG-10/100型光干涉甲烷測定器，主要檢測瓦斯及二氧化碳。

2.觀測區(qū)域

根據(jù)我礦生產(chǎn)情況，選擇42106綜放工作面及42101采空區(qū)永久密閉。

（1）42106綜放工作面連通采空區(qū)面積較大，采空區(qū)內(nèi)部氣體對氣象條件敏感，并且采空區(qū)瓦斯涌出量較大，易于準確掌握。

（2）42101工作面采空區(qū)永久密閉內(nèi)部采空區(qū)面積較大，周邊風流穩(wěn)定，便于長時間觀測。

3.觀測點設置

4.3.1 42106綜放工作面壓力測定點設置在進風隅角，瓦斯監(jiān)測點設置在進風隅角、工作面中部、回風隅角及回風流中。

4.3.2 42101工作面采空區(qū)永久密閉壓力觀測點設置在密閉柵欄內(nèi)，瓦斯監(jiān)測點設置永久密閉觀測孔內(nèi)。

4.觀測方法

根據(jù)42106綜放工作面生產(chǎn)情況，選擇每天上午8點至夜間0點，每1h測定一次大氣壓力及瓦斯?jié)舛龋掷m(xù)觀測1個月。為減少誤差，分別選取1個檢修班和1個生產(chǎn)班，同時在這期間盡量減小風量調(diào)整，保證礦井風壓穩(wěn)定。統(tǒng)計數(shù)據(jù)方面，取每天數(shù)值變化的平均值。

5.監(jiān)測結(jié)果

根據(jù)連續(xù)監(jiān)測，整理得到壓力及各測點瓦斯?jié)舛龋ㄍ咚购投趸紳舛龋?shù)據(jù)，具體見圖：

（1）經(jīng)分析，一般在中午10點～下午17點工作面進風隅角大氣壓力明顯呈下降趨勢，在該對應時刻瓦斯?jié)舛瘸噬仙厔荩谙挛?7點后，大氣壓力呈上升趨勢，對應瓦斯?jié)舛戎饾u下降。

（2）在現(xiàn)場觀測某一天，受到天氣變化影響，氣壓變化范圍較大，工作面瓦斯?jié)舛茸兓草^大。

（3）在觀測采空區(qū)永久密閉中，瓦斯也隨著大氣壓力變化而變化，當大氣壓力升高時，打開觀測孔，觀測到外部氣體向密閉墻內(nèi)進風，瓦斯?jié)舛葹榱悖划敶髿鈮毫档蜁r，打開永久觀測孔，觀測到內(nèi)部氣體向密閉墻外出風，瓦斯?jié)舛容^高，最高瓦斯?jié)舛冗_到40%。

五、結(jié)論

（1）無論是在采空區(qū)永久密閉還是回采工作面，都符合理想氣體狀態(tài)方程，當大氣壓力升高時，采空區(qū)和巷道空間大氣壓力同時升高，但巷道空間大氣壓力上升較采空區(qū)快，氣體向采空區(qū)流動，瓦斯涌出量減少。當大氣壓力降低時，采空區(qū)和巷道空間大氣壓力同時降低，但巷道空間大氣壓力降低較采空區(qū)快，氣體向巷道空間流動，瓦斯涌出量升高。

（2）大氣壓力變化后，瓦斯不是立即發(fā)生變化，一般滯后于大氣壓力變化，雖然給瓦斯治理預留一段時間，但是控制瓦斯應該避免大氣壓力的影響，采取更加有效的瓦斯治理措施進行控制。

（3）對于采空區(qū)永久密閉，密閉墻內(nèi)漏和外漏都直接或間接影響采空區(qū)內(nèi)部氣體流動，增加密閉墻內(nèi)氧氣濃度，不利于采空區(qū)防火工作。尤其要注意季節(jié)變更期間防火管理工作，應加強密閉墻內(nèi)標志性氣體檢測工作。