地面大氣壓力對(duì)井下瓦斯涌出量的影響研究

徐彥偉

摘要：本文主要對(duì)試驗(yàn)區(qū)瓦斯涌出變化情況以及對(duì)地面大氣壓力變化數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)觀測、統(tǒng)計(jì)。據(jù)此，繪制了瓦斯及大氣壓力變化曲線，分析了采掘工作面瓦斯涌出來源及瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律，總結(jié)了大氣壓力變化與采、掘工作面以及采空區(qū)瓦斯涌出變化的關(guān)系及規(guī)律。根據(jù)得到的規(guī)律，采取相應(yīng)的瓦斯治理措施，有效減小采空區(qū)高濃度瓦斯通過頂、底板裂隙及管縫錨桿向采掘空間涌出，降低采掘工作面回風(fēng)流中的瓦斯含量，提高了礦井生產(chǎn)效率，為礦井實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效提供安全保障。

關(guān)鍵詞：大氣壓力;瓦斯涌出量;研究;瓦斯治理

引言

礦井可以看作是一個(gè)與大氣層連接的巨大連通器，大氣壓力的變化必然要引起礦井內(nèi)空氣壓力的變化[1]，而礦井中的風(fēng)流是井下瓦斯向外涌出的載體，它的物理特性參數(shù)發(fā)生變化將會(huì)對(duì)井下所有瓦斯涌出來源的游離態(tài)瓦斯向風(fēng)流的運(yùn)動(dòng)從而影響礦井的瓦斯涌出量[2]。平煤股份二礦庚組煤層呈現(xiàn)越往深部煤層越厚的狀況，煤層的賦存條件又導(dǎo)致了瓦斯的富集，從而造成瓦斯涌出量增大，嚴(yán)重威脅礦井的安全生產(chǎn)。所以，研究地面大氣壓力對(duì)井下瓦斯涌出量的影響，對(duì)于該礦井瓦斯的日常管理工作及瓦斯災(zāi)害的治理有著一定的指導(dǎo)意義。

1 礦井概況及試驗(yàn)區(qū)選擇

平煤股份二礦位于平頂山礦區(qū)中部。礦井地面為低山丘陵地貌，地形北高南低，北部為低山，地面海拔標(biāo)高110～480m。礦井開拓方式為斜井-立井多水平分區(qū)式，采煤方法為走向長臂陷落法。礦井通風(fēng)方式為中央邊界式，通風(fēng)方法為抽出式。根據(jù)2009年礦井瓦斯等級(jí)鑒定結(jié)果為低瓦斯礦井。相對(duì)瓦斯涌出量為3.82 m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量為15.93m3/min。礦井可采煤層為己組和庚組煤層，均具有爆炸危險(xiǎn)性和自燃發(fā)火傾向性。

2 礦井瓦斯的涌出來源

在進(jìn)行采掘作業(yè)后，原有的瓦斯壓力動(dòng)平衡狀態(tài)受到破壞，形成了瓦斯流動(dòng)場[3]，在壓力梯度和濃度梯度的雙重作用，使得瓦斯氣體連續(xù)由煤巖體中向采掘空間涌出。采落的煤體和采空區(qū)冒落的破碎煤巖可以看作是松散介質(zhì)，其中的瓦斯在濃度梯度的作用下，以濃度擴(kuò)散的形式運(yùn)移和釋放的。

所以，礦井瓦斯按其涌出源的不同可分為掘進(jìn)區(qū)、回采區(qū)和采空區(qū)三種瓦斯涌出來源[4]：

（1）掘進(jìn)區(qū)瓦斯涌出可分為煤壁和采落煤炭的瓦斯涌出;（2）回采區(qū)瓦斯涌出一部分來自本煤層瓦斯，另一部分來自圍巖和其上、下鄰近煤巖層瓦斯;（3）采空區(qū)瓦斯涌出主要來自于老空區(qū)遺煤和邊界煤柱的瓦斯。

3 大氣壓力對(duì)礦井瓦斯涌出影響的分析

3.1 地面大氣壓與礦井靜壓的關(guān)系分析

不論流動(dòng)的空氣還是靜止的空氣都能產(chǎn)生一種壓力，即靜壓。靜壓產(chǎn)生的原因是為數(shù)巨大的空氣分子熱運(yùn)動(dòng)與重力的影響，其特點(diǎn)是各向同值且垂直作用于器壁（井巷壁）。靜壓的大小隨井巷所處位置標(biāo)高的不同而不同。

從圖1中可以看出，對(duì)于壓入式通風(fēng)的礦井，由于風(fēng)流中任一點(diǎn)A的絕對(duì)靜壓PA一般比同標(biāo)高的當(dāng)?shù)卮髿鈮篜0大，所以，A點(diǎn)的絕對(duì)靜壓PA：

對(duì)于抽出式通風(fēng)的礦井，由于風(fēng)流中任一點(diǎn)B的絕對(duì)靜壓PB始終比同標(biāo)高的大氣壓P0小，所以，B點(diǎn)的絕對(duì)靜壓PB：

式中：ha、hb—分別表示壓入式、抽出式通風(fēng)礦井的通風(fēng)壓力（即相對(duì)靜壓），（Pa）

3.2 大氣壓力對(duì)礦井瓦斯涌出影響的理論分析

不同來源的瓦斯涌出均隨其邊界條件——瓦斯涌出源附近的采場大氣壓力變化而變化，而采場大氣壓力是受地面大氣壓力變化影響的。無論在壓入式還是抽出式通風(fēng)系統(tǒng)中，井下采場某一點(diǎn)的相對(duì)靜壓h a或h b由礦井主扇所分配，其值是基本不隨地面大氣壓力的變化而變化的，所以，當(dāng)?shù)孛娲髿鈮毫0下降（或上升）時(shí)，由（公式1）、（公式2）可知井下采場某一點(diǎn)的絕對(duì)靜壓PA或PB必然減小（或增加）。

3.3 大氣壓力對(duì)煤礦瓦斯涌出影響的規(guī)律性分析

圖2～圖5分別是2010年8、9月份庚20-21050風(fēng)巷、庚20-21020風(fēng)巷回風(fēng)、庚20-21050機(jī)巷、庚20-21020機(jī)巷瓦斯隨大氣壓力變化長期趨勢圖。除了庚20-21050機(jī)巷外，其它3個(gè)掘進(jìn)工作面瓦斯均隨大氣壓力變化：當(dāng)大氣壓力突然下降時(shí)，瓦斯曲線上升，說明采空區(qū)積存的瓦斯更多地涌入風(fēng)流中，使礦井瓦斯涌出量增大;當(dāng)大氣壓力變大時(shí)，瓦斯曲線下降，礦井瓦斯涌出量會(huì)明顯減小，由此說明井下瓦斯涌出量大小隨大氣壓力變化而變化，并且大氣壓力變化速率對(duì)瓦斯涌出量影響較大[4]。根據(jù)實(shí)測資料，當(dāng)大氣壓力下降速率達(dá)60 Pa/h時(shí)，對(duì)采空區(qū)瓦斯涌出影響明顯，當(dāng)大氣壓力下降速率達(dá)100 Pa/h時(shí)，采空區(qū)瓦斯大量涌出。

4 地面大氣壓變化與礦井瓦斯涌出的關(guān)系

4.1 大氣壓力與采煤工作面瓦斯涌出的關(guān)系

與當(dāng)天的大氣壓力變化曲線圖3進(jìn)行對(duì)比可以看出：庚20-21080、庚20-21090兩采面瓦斯變化曲線與地面大氣壓力的變化曲線間沒有明顯關(guān)系，其瓦斯曲線發(fā)生波動(dòng)的原因主要是采煤機(jī)在割煤時(shí)從采落煤體中涌出的瓦斯所致。

4.2 大氣壓力與掘進(jìn)工作面瓦斯涌出的關(guān)系

圖6～圖9分別是庚20-21050機(jī)巷、庚20-21050風(fēng)巷、庚20-21020機(jī)巷和庚20-21020風(fēng)巷回風(fēng)流2010年9月12日瓦斯?jié)舛茸兓膶?shí)時(shí)曲線。經(jīng)過與當(dāng)天的大氣壓力變化曲線圖3進(jìn)行對(duì)比可以看出：

①庚20-21050機(jī)巷瓦斯?jié)舛茸兓€與地面大氣壓力的變化之間沒有明顯關(guān)系，其瓦斯曲線發(fā)生波動(dòng)的原因主要是在掘進(jìn)機(jī)割煤時(shí)從采落煤體中涌出的瓦斯所致。

②庚20-21050風(fēng)巷、庚20-21020機(jī)巷和庚20-21020風(fēng)巷回風(fēng)流的瓦斯?jié)舛茸兓€以一天作為一個(gè)時(shí)間段，一般12：00左右瓦斯逐漸增高，并在15：00～16：00之間瓦斯處于最大值，18：00以后瓦斯逐漸下降，20：00以后到次日12：00之間瓦斯處于最低值并基本穩(wěn)定，其瓦斯變化曲線與大氣壓力變化曲線基本吻合，即：庚20-21050風(fēng)巷、庚20-21020機(jī)巷和庚20-21020風(fēng)巷回風(fēng)流的瓦斯?jié)舛入S地面大氣壓力變化而變化。

4.3 大氣壓變化與采空區(qū)瓦斯涌出的關(guān)系

經(jīng)過現(xiàn)場查看實(shí)際情況發(fā)現(xiàn)：庚20-21020機(jī)巷由于巷道北側(cè)為采空區(qū)，每天中午12：00以后，從裂隙和巷道下幫錨桿管縫中向機(jī)巷涌出大量高濃度的瓦斯（往外出風(fēng)），晚上19：00以后逐漸減小到0.1%以下（往里進(jìn)風(fēng)），形成有規(guī)律的“呼吸”狀態(tài)[8]。

而庚20-21050風(fēng)巷在掘進(jìn)期間采用錨網(wǎng)支護(hù)巷幫，采空區(qū)瓦斯通過破碎的煤柱以及管縫錨桿向風(fēng)巷大量涌出，造成風(fēng)巷外瓦斯傳感器顯示增大，多次造成瓦斯超限事故，給正常的掘進(jìn)作業(yè)帶來嚴(yán)重的安全隱患。

5 瓦斯治理措施與實(shí)施效果

5.1 瓦斯治理措施

針對(duì)以上分析結(jié)果，結(jié)合二礦實(shí)際情況，大氣壓變化導(dǎo)致采空區(qū)瓦斯異常涌出的解決途徑概括為“一抽、二堵、三增風(fēng)、四均壓”。具體如下：

（1）“抽”即采用現(xiàn)有的瓦斯抽放系統(tǒng)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行瓦斯抽放，降低瓦斯涌出量，減緩風(fēng)排瓦斯的壓力。

（2）“堵”：即使用黃泥、水泥等封堵材料對(duì)采空區(qū)密閉、頂板裂隙及漏氣的管縫錨桿等處進(jìn)行封堵，或?qū)β獾牟煽諈^(qū)密閉、裂隙等處進(jìn)行噴漿堵漏處理，以隔絕采空區(qū)瓦斯向采掘空間的漏風(fēng)通道，降低采掘巷道瓦斯?jié)舛取?/p>

（3）“增風(fēng)”即增大工作面配風(fēng)量，以提離風(fēng)流稀釋瓦斯的能力。

（4）“均壓” 即利用均壓通風(fēng)技術(shù)，調(diào)節(jié)局部區(qū)域內(nèi)通風(fēng)壓力，改變采空區(qū)流場的漏風(fēng)匯，使采空區(qū)涌出的瓦斯由工作面以外的其他通道排出。

5.2 試驗(yàn)效果

（1）對(duì)庚20-21050風(fēng)巷漏氣的管縫錨桿采用黃泥封堵后，實(shí)測效果不很理想，后改為用樹脂錨桿支護(hù)巷幫后，巷道瓦斯降低到靜態(tài)下0.3%左右，基本達(dá)到了堵漏的效果。

（2）針對(duì)二礦庚一采區(qū)掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量大，且受采空區(qū)影響較大的實(shí)際情況，在新開掘進(jìn)工作面時(shí)均采用2×30KW大功率高效對(duì)旋局部通風(fēng)機(jī)、大直徑風(fēng)筒（φ800mm）為巷道供風(fēng)，如：庚20-21050機(jī)巷采用2×30KW風(fēng)機(jī)后，掘進(jìn)750m時(shí)風(fēng)筒末端風(fēng)量還能達(dá)到560m3/min;庚20-21080和庚20-21090采面配風(fēng)量分別為1800m3/min和1600m3/min。增大風(fēng)量后，采掘工作面工作環(huán)境有所好轉(zhuǎn)。但配風(fēng)量不是無限制的增加，當(dāng)配風(fēng)量達(dá)到某一臨界值后，再增加配風(fēng)量，稀釋瓦斯的效果卻不會(huì)增加。

（3）對(duì)影響庚20-21020機(jī)巷瓦斯增大的庚20-21040采空區(qū)密閉觀察孔延接到瓦斯抽放主管路上，對(duì)采空區(qū)實(shí)施瓦斯抽放，經(jīng)抽放試驗(yàn)，效果不明顯。后采用化學(xué)密閉材料噴涂庚20-21020機(jī)巷裂隙后，效果還是不明顯，最后采用利用均壓通風(fēng)技術(shù)，在庚20-21020回風(fēng)巷構(gòu)筑2道調(diào)節(jié)風(fēng)門，打開機(jī)巷2道風(fēng)門，通過增阻升壓，提高機(jī)巷的通風(fēng)靜壓，減小機(jī)巷與庚20-21040采空區(qū)之間的壓差。使庚20-21020機(jī)巷與庚20-21040采空區(qū)之間的壓差保持動(dòng)態(tài)平衡，從而抑制采空區(qū)瓦斯涌出。進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整后，經(jīng)檢測，機(jī)巷瓦斯?jié)舛冉抵?.05%～0.1%，達(dá)到預(yù)期的治理效果。

6 結(jié)論

礦井瓦斯按其涌出來源的不同可分為掘進(jìn)區(qū)、回采區(qū)和采空區(qū)三種瓦斯涌出來源。當(dāng)大氣壓力下降時(shí)，使礦井瓦斯涌出量增大;當(dāng)大氣壓力升高時(shí)，礦井瓦斯涌出量減小，并且大氣壓力變化速率對(duì)瓦斯涌出量存在較大影響。地面大氣壓力變化對(duì)采煤工作面和在實(shí)體煤中掘進(jìn)的掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量影響不大。但對(duì)鄰近采空區(qū)的掘進(jìn)巷道（沿空送巷掘進(jìn)工作面）和孤島型采煤工作面以及采空區(qū)瓦斯涌出量影響較大。針對(duì)分析結(jié)果，結(jié)合二礦實(shí)際情況，提出解決大氣壓變化導(dǎo)致采空區(qū)瓦斯異常涌出的途徑，概括為“一抽、二堵、三增風(fēng)、四均壓”。

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（作者單位：平頂山天安煤業(yè)股份有限公司二礦）