地面大氣壓力對井下瓦斯涌出量的影響研究

徐彥偉

摘要：本文主要對試驗區瓦斯涌出變化情況以及對地面大氣壓力變化數據進行連續觀測、統計。據此，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濃度變化規律，總結了大氣壓力變化與采、掘工作面以及采空區瓦斯涌出變化的關系及規律。根據得到的規律，采取相應的瓦斯治理措施，有效減小采空區高濃度瓦斯通過頂、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流中的瓦斯含量，提高了礦井生產效率，為礦井實現高產高效提供安全保障。

關鍵詞：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空氣壓力的變化[1]，而礦井中的風流是井下瓦斯向外涌出的載體，它的物理特性參數發生變化將會對井下所有瓦斯涌出來源的游離態瓦斯向風流的運動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越往深部煤層越厚的狀況，煤層的賦存條件又導致了瓦斯的富集，從而造成瓦斯涌出量增大，嚴重威脅礦井的安全生產。所以，研究地面大氣壓力對井下瓦斯涌出量的影響，對于該礦井瓦斯的日常管理工作及瓦斯災害的治理有著一定的指導意義。

1 礦井概況及試驗區選擇

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

2 礦井瓦斯的涌出來源

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

所以，礦井瓦斯按其涌出源的不同可分為掘進區、回采區和采空區三種瓦斯涌出來源[4]：

（1）掘進區瓦斯涌出可分為煤壁和采落煤炭的瓦斯涌出;（2）回采區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）采空區瓦斯涌出主要來自于老空區遺煤和邊界煤柱的瓦斯。

3 大氣壓力對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系分析

不論流動的空氣還是靜止的空氣都能產生一種壓力，即靜壓。靜壓產生的原因是為數巨大的空氣分子熱運動與重力的影響，其特點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高的不同而不同。

從圖1中可以看出，對于壓入式通風的礦井，由于風流中任一點A的絕對靜壓PA一般比同標高的當地大氣壓P0大，所以，A點的絕對靜壓PA：

對于抽出式通風的礦井，由于風流中任一點B的絕對靜壓PB始終比同標高的大氣壓P0小，所以，B點的絕對靜壓PB：

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

3.2 大氣壓力對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系統中，井下采場某一點的相對靜壓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，當地面大氣壓力P0下降（或上升）時，由（公式1）、（公式2）可知井下采場某一點的絕對靜壓PA或PB必然減小（或增加）。

3.3 大氣壓力對煤礦瓦斯涌出影響的規律性分析

圖2～圖5分別是2010年8、9月份庚20-21050風巷、庚20-21020風巷回風、庚20-21050機巷、庚20-21020機巷瓦斯隨大氣壓力變化長期趨勢圖。除了庚20-21050機巷外，其它3個掘進工作面瓦斯均隨大氣壓力變化：當大氣壓力突然下降時，瓦斯曲線上升，說明采空區積存的瓦斯更多地涌入風流中，使礦井瓦斯涌出量增大;當大氣壓力變大時，瓦斯曲線下降，礦井瓦斯涌出量會明顯減小，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瓦斯涌出量影響較大[4]。根據實測資料，當大氣壓力下降速率達60 Pa/h時，對采空區瓦斯涌出影響明顯，當大氣壓力下降速率達100 Pa/h時，采空區瓦斯大量涌出。

4 地面大氣壓變化與礦井瓦斯涌出的關系

4.1 大氣壓力與采煤工作面瓦斯涌出的關系

與當天的大氣壓力變化曲線圖3進行對比可以看出：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系，其瓦斯曲線發生波動的原因主要是采煤機在割煤時從采落煤體中涌出的瓦斯所致。

4.2 大氣壓力與掘進工作面瓦斯涌出的關系

圖6～圖9分別是庚20-21050機巷、庚20-21050風巷、庚20-21020機巷和庚20-21020風巷回風流2010年9月12日瓦斯濃度變化的實時曲線。經過與當天的大氣壓力變化曲線圖3進行對比可以看出：

①庚20-21050機巷瓦斯濃度變化曲線與地面大氣壓力的變化之間沒有明顯關系，其瓦斯曲線發生波動的原因主要是在掘進機割煤時從采落煤體中涌出的瓦斯所致。

②庚20-21050風巷、庚20-21020機巷和庚20-21020風巷回風流的瓦斯濃度變化曲線以一天作為一個時間段，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風巷、庚20-21020機巷和庚20-21020風巷回風流的瓦斯濃度隨地面大氣壓力變化而變化。

4.3 大氣壓變化與采空區瓦斯涌出的關系

經過現場查看實際情況發現：庚20-21020機巷由于巷道北側為采空區，每天中午12：00以后，從裂隙和巷道下幫錨桿管縫中向機巷涌出大量高濃度的瓦斯（往外出風），晚上19：00以后逐漸減小到0.1%以下（往里進風），形成有規律的“呼吸”狀態[8]。

而庚20-21050風巷在掘進期間采用錨網支護巷幫，采空區瓦斯通過破碎的煤柱以及管縫錨桿向風巷大量涌出，造成風巷外瓦斯傳感器顯示增大，多次造成瓦斯超限事故，給正常的掘進作業帶來嚴重的安全隱患。

5 瓦斯治理措施與實施效果

5.1 瓦斯治理措施

針對以上分析結果，結合二礦實際情況，大氣壓變化導致采空區瓦斯異常涌出的解決途徑概括為“一抽、二堵、三增風、四均壓”。具體如下：

（1）“抽”即采用現有的瓦斯抽放系統對采空區進行瓦斯抽放，降低瓦斯涌出量，減緩風排瓦斯的壓力。

（2）“堵”：即使用黃泥、水泥等封堵材料對采空區密閉、頂板裂隙及漏氣的管縫錨桿等處進行封堵，或對漏氣的采空區密閉、裂隙等處進行噴漿堵漏處理，以隔絕采空區瓦斯向采掘空間的漏風通道，降低采掘巷道瓦斯濃度。

（3）“增風”即增大工作面配風量，以提離風流稀釋瓦斯的能力。

（4）“均壓” 即利用均壓通風技術，調節局部區域內通風壓力，改變采空區流場的漏風匯，使采空區涌出的瓦斯由工作面以外的其他通道排出。

5.2 試驗效果

（1）對庚20-21050風巷漏氣的管縫錨桿采用黃泥封堵后，實測效果不很理想，后改為用樹脂錨桿支護巷幫后，巷道瓦斯降低到靜態下0.3%左右，基本達到了堵漏的效果。

（2）針對二礦庚一采區掘進工作面瓦斯涌出量大，且受采空區影響較大的實際情況，在新開掘進工作面時均采用2×30KW大功率高效對旋局部通風機、大直徑風筒（φ800mm）為巷道供風，如：庚20-21050機巷采用2×30KW風機后，掘進750m時風筒末端風量還能達到560m3/min;庚20-21080和庚20-21090采面配風量分別為1800m3/min和1600m3/min。增大風量后，采掘工作面工作環境有所好轉。但配風量不是無限制的增加，當配風量達到某一臨界值后，再增加配風量，稀釋瓦斯的效果卻不會增加。

（3）對影響庚20-21020機巷瓦斯增大的庚20-21040采空區密閉觀察孔延接到瓦斯抽放主管路上，對采空區實施瓦斯抽放，經抽放試驗，效果不明顯。后采用化學密閉材料噴涂庚20-21020機巷裂隙后，效果還是不明顯，最后采用利用均壓通風技術，在庚20-21020回風巷構筑2道調節風門，打開機巷2道風門，通過增阻升壓，提高機巷的通風靜壓，減小機巷與庚20-21040采空區之間的壓差。使庚20-21020機巷與庚20-21040采空區之間的壓差保持動態平衡，從而抑制采空區瓦斯涌出。進行通風系統調整后，經檢測，機巷瓦斯濃度降至0.05%～0.1%，達到預期的治理效果。

6 結論

礦井瓦斯按其涌出來源的不同可分為掘進區、回采區和采空區三種瓦斯涌出來源。當大氣壓力下降時，使礦井瓦斯涌出量增大;當大氣壓力升高時，礦井瓦斯涌出量減小，并且大氣壓力變化速率對瓦斯涌出量存在較大影響。地面大氣壓力變化對采煤工作面和在實體煤中掘進的掘進工作面瓦斯涌出量影響不大。但對鄰近采空區的掘進巷道（沿空送巷掘進工作面）和孤島型采煤工作面以及采空區瓦斯涌出量影響較大。針對分析結果，結合二礦實際情況，提出解決大氣壓變化導致采空區瓦斯異常涌出的途徑，概括為“一抽、二堵、三增風、四均壓”。

參考文獻：

[1]武鴻久.地面大氣壓力變化與礦井瓦斯涌出關系探討[J].甘肅科技，2004（10）：120-122+117.

[2]龍斯仁.地面大氣物理特性參數變化對礦井回風流瓦斯濃度變化的影響[J].煤礦安全技術，1985（01）：33-38.

[3]李志遠.煤礦瓦斯涌出分布規律分析與GM（1，1）預測研究[J].煤礦現代化，2018（02）：39-41.

[4]郭東旭.基于煤層瓦斯分布規律的礦井瓦斯涌出量預測研究[D].內蒙古科技大學，2015.

[5]張進.礦井瓦斯涌出及瓦斯流動預測的統計研究[D].西安科技大學，2005.

[6]樊會明.高瓦斯礦井綜采工作面初采瓦斯防治技術探討[J].能源與節能，2017（08）：142-144.

[7]張鋒，鄒銀輝，楊貴儒.特厚煤層綜掘工作面瓦斯涌出規律分析[J].能源與環保，2017，39（06）：204-207+211.

[8]張昕喆.深部煤層瓦斯流動“呼吸效應”機理研究[D].中國礦業大學，2017.

（作者單位：平頂山天安煤業股份有限公司二礦）