封閉采空區(qū)瓦斯涌出影響因素及防治措施

程磊

（淮南礦業(yè)集團(tuán)潘二煤礦，安徽 淮南 232001）

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

由通風(fēng)機(jī)靜壓和礦井通風(fēng)阻力之間的關(guān)系可以得知

式中：

hR14———通風(fēng)機(jī)靜壓,Pa;

HN———自然風(fēng)壓,Pa;

h4———風(fēng)機(jī)入口處的相對(duì)靜壓,Pa;

hv4———主要通風(fēng)機(jī)入風(fēng)口風(fēng)流動(dòng)壓;

P4———主要通風(fēng)機(jī)入風(fēng)口風(fēng)流絕對(duì)靜壓;

P04——主要通風(fēng)機(jī)入風(fēng)口同標(biāo)高大氣壓;

P01———入風(fēng)井大氣壓;

圖1 礦井風(fēng)機(jī)入口水柱計(jì)測(cè)定示意圖

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??；同時(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。

于井下封閉墻進(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)。