封閉采空區(qū)瓦斯涌出影響因素及防治措施

程磊

【摘 要】季節(jié)變化和晝夜交替會(huì)引起地面大氣壓變化，地面大氣壓的變化使得礦井封閉區(qū)域內(nèi)外壓力相對(duì)發(fā)生變化，并導(dǎo)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(guān)聯(lián)性，指出弄清封閉區(qū)域臨界壓力的方法，通過(guò)采取采空區(qū)瓦斯抽采、工作面均壓通風(fēng)、巷道噴涂堵漏風(fēng)等技術(shù)措施，有效抵御了大氣參數(shù)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(guān)鍵詞】大氣壓；封閉區(qū)域；瓦斯；異常涌出；臨界壓力

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

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

1 地面大氣壓的變化

地面大氣壓不同的時(shí)間、氣候和地點(diǎn)，其值不盡相同，但是地面氣壓的變化并非無(wú)規(guī)律可尋，實(shí)際情況看，地面的大氣壓主要存在以下規(guī)律。

隨著標(biāo)高的變化，標(biāo)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(jié)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(jié)陸地和海洋之間的空氣擴(kuò)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(duì)晴天較低；最明顯的就是一天的大氣壓的變化，通過(guò)觀測(cè)，上午9～10時(shí)為一天的氣壓最高值，下午15～16時(shí)為一天氣壓的最低值，這主要和大氣的輻射運(yùn)動(dòng)有關(guān)[4]。

2 封閉區(qū)域瓦斯運(yùn)移決定因素

以井下采空區(qū)封閉墻為例，認(rèn)為封閉區(qū)域內(nèi)的氣體參數(shù)不變，那么封閉墻內(nèi)氣體能量也不變，決定封閉墻內(nèi)外漏風(fēng)方向的動(dòng)力就是封閉墻內(nèi)外能量高低。根據(jù)能量守恒定律及伯努利方程[2]，巷道中某點(diǎn)的能量= 動(dòng)能+重力勢(shì)能+壓力勢(shì)能，由于封閉墻內(nèi)外標(biāo)高相同，忽略墻外風(fēng)流流動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能，那么封閉墻內(nèi)外能量比較就是通風(fēng)靜壓的比較，在通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定情況下，封閉墻外通風(fēng)靜壓就是決定封閉墻漏風(fēng)方向的決定因素，封閉墻外絕對(duì)靜壓發(fā)生變化時(shí)，表現(xiàn)為采空區(qū)瓦斯異常涌出或外界向采空區(qū)漏風(fēng)的“吞吐”現(xiàn)象[3]。

3 封閉采空區(qū)瓦斯涌出與大氣壓的關(guān)系

3.1 大氣壓與井下風(fēng)流絕對(duì)靜壓同步變化的原因分析

從式（1）反映了礦井通風(fēng)系統(tǒng)阻力和自然風(fēng)壓、風(fēng)機(jī)入口絕對(duì)靜壓的關(guān)系，通常hv4不大，某一段時(shí)間內(nèi)變化不大，HN隨著季節(jié)變化，一般礦井，其值不大，因此h4基本上反映了礦井通風(fēng)阻力和通風(fēng)機(jī)靜壓大?。煌瑫r(shí)式（2）反映風(fēng)機(jī)相對(duì)靜壓（近似看成通風(fēng)機(jī)通風(fēng)負(fù)壓）和風(fēng)機(jī)入口的絕對(duì)靜壓和大氣壓有關(guān)，圖中礦井在正常通風(fēng)過(guò)程中，在井下通風(fēng)系統(tǒng)沒(méi)有大的變化情況下，水柱計(jì)讀數(shù)是定值，即h4相對(duì)不變，忽略進(jìn)回風(fēng)井標(biāo)高差，地面大氣壓P01是不斷變化的，所以說(shuō)主要通風(fēng)機(jī)入風(fēng)口風(fēng)流絕對(duì)靜壓也是不斷變化而且是和大氣壓的同步變化，所有說(shuō)井下巷道任意地點(diǎn)的絕對(duì)靜壓也是隨大氣壓變化而同步變化的。

3.2 封閉區(qū)域瓦斯涌出與地面大氣壓的關(guān)系驗(yàn)證

3.2.1 井下氣壓和地面大氣壓同步變化驗(yàn)證

選擇井下不同地點(diǎn)不同日期在一天中大氣壓較低時(shí)刻測(cè)量相關(guān)大氣參數(shù)，分別選擇我礦西進(jìn)風(fēng)井下口、西二回風(fēng)石門、18516上順槽封閉墻外、11223下順槽掘進(jìn)工作面回風(fēng)流4處地點(diǎn)，通過(guò)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(shí)井下各處地點(diǎn)的大氣壓也隨著地面大氣壓降低而不斷降低，且降低數(shù)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(shuō)明井下氣壓不僅僅和地面的氣壓變化趨勢(shì)相同，同時(shí)變化數(shù)值也能吻合。

3.2.2 “臨界壓力”確定

在不同日期觀測(cè)18516上順槽封閉進(jìn)出風(fēng)及壓差情況并取樣分析，通過(guò)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(jìn)出風(fēng)情況及瓦斯涌出，比如12月29日和2月16日數(shù)據(jù)相比，地面大氣壓分別是1034.1hPa和1009.3hPa，而封閉墻由進(jìn)風(fēng)31mmH20變成出風(fēng)170mmH20，前后封閉墻壓差相差2010Pa，觀察孔內(nèi)的甲烷濃度也由0.5%變成41%，可想而知大氣壓對(duì)封閉墻影響是非常明顯的，所以質(zhì)量達(dá)標(biāo)的封閉墻就是墻內(nèi)為高濃度氣體，墻內(nèi)外壓差大但是墻外空間無(wú)瓦斯積聚。

根據(jù)表中數(shù)據(jù)可以利用插值法求得當(dāng)觀察孔處于不出不進(jìn)狀態(tài)即壓差為零時(shí)的大氣壓力為1029.2hPa，在此處稱為“臨界壓力”，也就是說(shuō)當(dāng)在地面同一地點(diǎn)測(cè)得大氣壓為1029.2hPa時(shí)可以不用下井觀測(cè)就可以預(yù)測(cè)該處封閉墻處于不出不進(jìn)狀態(tài)。由此我們對(duì)于井下每一處封閉區(qū)域都可以測(cè)出其臨界壓力值，這樣在一定情況下都可以在地面預(yù)測(cè)該封閉區(qū)域的進(jìn)出風(fēng)趨勢(shì)。尤其對(duì)于那些封閉內(nèi)部空間相對(duì)獨(dú)立的區(qū)域，臨界壓力相對(duì)固定，若封閉區(qū)域內(nèi)漏風(fēng)通道復(fù)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(duì)于瓦斯涌出異常的預(yù)測(cè)可以起到至關(guān)重要的作用。

4 防治瓦斯異常涌出措施

據(jù)上所述，地面大氣壓對(duì)封閉區(qū)域的瓦斯涌出的影響已經(jīng)非常清楚，在瓦斯管理中重點(diǎn)要做的就是在地面大氣壓突然降低時(shí)，能做到防治井下封閉區(qū)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(jìn)工作面回風(fēng)流瓦斯突然增加，在下午15：03分時(shí)預(yù)警，回風(fēng)流甲烷探頭達(dá)到0.60%。分析其原因就是當(dāng)天溫度突然上升，氣壓急劇降低改變了沿空幫內(nèi)外壓力平衡狀態(tài)，導(dǎo)致瓦斯突然涌出。為了做到防治封閉區(qū)域瓦斯異常涌出，必須從以下幾點(diǎn)采取措施。

4.1 降低封閉區(qū)域內(nèi)能量

對(duì)封閉區(qū)域進(jìn)行抽采，降低封閉區(qū)域內(nèi)瓦斯量，從而降低內(nèi)部壓力，例如對(duì)11123下順槽臨近的11223采空區(qū)進(jìn)行抽采，抽采負(fù)壓要根據(jù)該區(qū)域平時(shí)和瓦斯異常涌出時(shí)氣壓差值確定，開(kāi)啟抽采后，該掘進(jìn)工作面當(dāng)班回風(fēng)流瓦斯在一小時(shí)內(nèi)迅速降低至0.30%，抽采時(shí)間根據(jù)瓦斯情況而定，在抽采過(guò)程中加強(qiáng)防火觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)一氧化碳及時(shí)停抽或控制抽采。

4.2 增加封閉區(qū)域外能量

調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)，增加風(fēng)排量，同時(shí)在回風(fēng)側(cè)施工通風(fēng)設(shè)施，采取均壓措施，目的就是增加封閉區(qū)域外部壓力。

4.3 提高封閉質(zhì)量

要著重提高和封閉區(qū)域隔絕的封閉設(shè)施的質(zhì)量，對(duì)于沿空掘進(jìn)工作面沿空側(cè)必須采取噴注漿措施堵漏，采空區(qū)封閉墻按照規(guī)定掏槽雙墻噴注漿，達(dá)到墻內(nèi)為高濃度氣體，墻內(nèi)外壓差大但是墻外空間無(wú)瓦斯積聚。

5 結(jié)論

①大氣壓力的變化影響井下通風(fēng)參數(shù)，能夠準(zhǔn)備判斷并掌握變化規(guī)律，對(duì)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(jìn)出風(fēng)變化一個(gè)重要原因就是地面大氣壓的變化導(dǎo)致，使得封閉墻出現(xiàn)“吞吐”現(xiàn)象，關(guān)鍵是明確封閉區(qū)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(diǎn)入手：一是在采區(qū)安全措施前提下，對(duì)封閉區(qū)域進(jìn)行抽采，降低內(nèi)部瓦斯量，減少封閉區(qū)域內(nèi)部能量；二是增加風(fēng)量，確保風(fēng)量充足；三是采區(qū)均壓方法，具體可以在封閉區(qū)域回風(fēng)系統(tǒng)施工設(shè)施進(jìn)行調(diào)控，達(dá)到增加封閉墻外壓力；四是封閉墻嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行雙墻噴注，確保墻體不漏風(fēng)。

【參考文獻(xiàn)】

【1】張國(guó)樞. 通風(fēng)安全學(xué)[M]. 徐州： 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社， 2007.

【2】俞啟香.礦井瓦斯防治[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1992.

【3】郭翔.采空區(qū)呼吸現(xiàn)象原因分析及瓦斯治理技術(shù)研究[J].能源技術(shù)與管理，2016.

【4】孫學(xué)會(huì)，王剛，于貴生.“三個(gè)壓力”對(duì)工作面采空區(qū)瓦斯涌出影響試驗(yàn)研究[J].煤炭安全，2014.