大氣壓變化對采空區(qū)瓦斯涌出的影響及其防治

胡德萍 廖志成

（江西煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司萍鄉(xiāng)分公司安源煤礦，江西 萍鄉(xiāng) 337000）

大氣壓變化是客觀存在的自然現(xiàn)象，其變化對礦井采空區(qū)瓦斯涌出有著較大的影響，是礦井瓦斯防治的難點(diǎn)。安源煤礦經(jīng)過對333綜采工作面的長期觀測，分析大氣壓對瓦斯涌出的影響規(guī)律，采取通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整、采空區(qū)瓦斯抽放等技術(shù)，對大氣壓變化影響采空區(qū)瓦斯涌出治理取得了較好的效果。

1 礦井概況

安源煤礦是一個具有一百二十多年開采歷史的礦井，核定生產(chǎn)能力78萬t/a。現(xiàn)主采南翼下煤組大槽煤層，層位穩(wěn)定，全層厚2.02～18.56m，一般8.47m，純煤厚度1.57～6.80m。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含夾矸3～9層，多為灰色粉砂巖及細(xì)砂巖，厚度0.1～0.5m。礦井為低瓦斯礦井，煤層瓦斯含量為3.14ml/g。2019年礦井絕對瓦斯涌出量為5.76m3/min，相對瓦斯涌出量為5.74m3/t，煤塵有爆炸性，煤層自燃傾向性等級為二類自燃。礦井采用混合抽出通風(fēng)方式，礦井總進(jìn)風(fēng)量5197m3/min，總排風(fēng)量為5716m3/min。333通風(fēng)系統(tǒng)示意圖如圖1。

圖1 333通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

2 大氣壓變化與采空區(qū)瓦斯涌出變化規(guī)律

2.1 工作面簡介

3214 采區(qū)333工作面煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，厚度變化較大，煤層平均厚度5m左右。該工作面為單斜構(gòu)造，走向N10°～45°E，傾角NW∠10°～15°。工作面走向長度260m，傾斜長度平均90m。工作面采用綜合機(jī)械化放頂煤開采，采空區(qū)頂板管理為全部自然垮落法。煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r表

2.2 一天中大氣壓變化規(guī)律

地表大氣壓即為地表空氣的絕對靜壓。地表大氣壓是隨時隨地變化的，大氣壓與空氣溫度和濕度等因素有關(guān)，空氣溫度和濕度越低，氣壓就越大，反之越小。在2019年10月對上述333回采工作面瓦斯及氣壓進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測，定時記錄，現(xiàn)取用一天記錄，見表2。

表2 2019年10月15日大氣壓與絕對瓦斯涌出量

通過實際觀測數(shù)據(jù)，在一天內(nèi)大氣壓在下午12：00～17：00 逐漸變低，隨后大氣壓逐漸升高。如果連續(xù)下雨天氣，一天中大氣壓較為穩(wěn)定，變化相差0.3kPa左右。連續(xù)幾天晴朗天氣，大氣壓一天中下午12：00～17：00時間段與其他時間段相比變化較大，變化相差最大值0.8kPa左右。

2.3 大氣壓變化與瓦斯涌出變化規(guī)律

333 采煤工作面采用負(fù)壓通風(fēng)方式，按照規(guī)程要求調(diào)配適當(dāng)風(fēng)量，工作面運(yùn)輸巷與風(fēng)巷存在標(biāo)高差，運(yùn)輸巷與風(fēng)巷存在相對壓差，并且工作面各段具有相對壓差，從工作面運(yùn)輸巷往風(fēng)巷壓差逐漸增加，地面大氣壓變化時井下各點(diǎn)絕對靜壓必然同步變化。從監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，當(dāng)大氣壓增大時采空區(qū)瓦斯涌出量降低，當(dāng)大氣壓突然大幅降低時，采空區(qū)瓦斯涌出量增大。

安源礦大槽煤層瓦斯含量相對較低，采煤工作面開采過程中，煤層中瓦斯解析一部分隨著風(fēng)流排入回風(fēng)巷，另一部分會積存在采空區(qū)頂部。采空區(qū)可視為半封閉容器，根據(jù)波義耳定律，在等溫過程中，氣體的體積與絕對靜壓成反比變化，即

T1=T2時，V2/V1=P1/P2

式中：

T-溫度；

V-氣體體積；

P-靜壓。

采煤工作面采空區(qū)內(nèi)絕對靜壓相對不變時，當(dāng)采煤工作面絕對靜壓發(fā)生變化時，受靜壓變化影響必然會出現(xiàn)采空區(qū)氣體體積膨脹或收縮現(xiàn)象，表現(xiàn)為采空區(qū)有害氣體異常涌出或外界向采空區(qū)漏風(fēng)的“呼吸”現(xiàn)象。通過對333機(jī)采工作面的觀測發(fā)現(xiàn)，井下任意測點(diǎn)風(fēng)流的絕對靜壓是隨大氣壓變化而同步變化的，地面大氣壓變化必然引起采煤工作面絕對靜壓發(fā)生變化，當(dāng)?shù)孛娲髿鈮航档蜁r采空區(qū)瓦斯向工作面涌出。

3 大氣壓降低時采空區(qū)瓦斯涌出防治技術(shù)

333 機(jī)采工作面采用“ U”型通風(fēng)方式，工作面正常開采過程中回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛?.05%～0.2%，風(fēng)排瓦斯量相對較低。但是受地表大氣壓突然降低的影響，工作面回風(fēng)巷風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)增大趨勢。大氣壓下降壓差值越大，在工作面風(fēng)量一定時則回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛仍黾釉矫黠@，造成工作面瓦斯涌出量極不穩(wěn)定。在表1中，大氣壓在100.5kPa時絕對瓦斯涌出量0.205m3/min，大氣壓在99.70kPa時絕對瓦斯涌出量2.289m3/min，采空區(qū)瓦斯涌出量與大氣壓成反比變化。

3.1 工作面增加風(fēng)量稀釋瓦斯?jié)舛?/h3>

333 機(jī)采工作面配風(fēng)量410m3/min，工作面受大氣壓變化經(jīng)常出現(xiàn)瓦斯超過0.5%預(yù)警值的情況，采取增加工作面風(fēng)量來稀釋瓦斯?jié)舛鹊拇胧?，?33工作面風(fēng)量調(diào)整為510m3/min后，工作面瓦斯?jié)舛冉档兔黠@。由于增加風(fēng)量過大不利于防治煤炭自然發(fā)火，所以僅采用增加風(fēng)量的措施不能完全遏制瓦斯涌出量隨大氣壓變化而出現(xiàn)的異常涌出。

3.2 調(diào)節(jié)增大工作面靜壓減小采空區(qū)壓差值

針對大氣壓變化會出現(xiàn)采空區(qū)瓦斯異常涌出的現(xiàn)象，在333機(jī)采工作面風(fēng)巷安裝一套可調(diào)節(jié)風(fēng)門來增大工作面靜壓，達(dá)到遏制采空區(qū)大氣壓變化帶來的瓦斯涌出現(xiàn)象。監(jiān)測礦井地面大氣壓變化，當(dāng)大氣壓降低時，在工作面風(fēng)巷調(diào)節(jié)風(fēng)門以達(dá)到增大靜壓遏制采空區(qū)瓦斯涌出量增加的目的，雖然效果明顯，但是操作不太方便。

3.3 采取高位鉆孔抽放采空區(qū)瓦斯

通過分析大氣壓變化與采空區(qū)瓦斯涌出的規(guī)律，結(jié)合333工作面地質(zhì)構(gòu)造及開采工藝，在333工作面采用高位鉆孔瓦斯抽放技術(shù)，通過采空區(qū)抽放形成一定負(fù)壓，減少大氣壓降低引起的采空區(qū)瓦斯涌出量。通過采用高位鉆孔交替抽放采空區(qū)頂部瓦斯形成負(fù)壓，使采空區(qū)靜壓在地表大氣壓突然降低時，由于采空區(qū)高位鉆孔負(fù)壓抽放，使采空區(qū)內(nèi)外氣壓差相對減少。并且高位鉆孔的抽放，使大量瓦斯通過抽放管輸送至地面，達(dá)到了有效降低采空區(qū)瓦斯大量涌出的效果。未采取高位鉆孔抽放時，當(dāng)大氣壓降低至0.7～0.8kPa時，工作面回風(fēng)流瓦斯?jié)舛?.6%～0.7%左右；采取高位鉆孔抽放時，當(dāng)大氣壓降低0.7～0.8kPa時，工作面回風(fēng)流瓦斯?jié)舛?.2%左右。

3.3.1 高位鉆孔的布置

在333采煤工作面風(fēng)巷距工作面回風(fēng)隅角10m、20m處布置2組鉆孔，每組4個鉆孔，見圖2。高位鉆孔1號、2號、5號和6號平行風(fēng)巷靠近下幫內(nèi)側(cè)棚頂，設(shè)計坡度30°，施工20m終孔于工作面尾或風(fēng)巷頂部巖層裂隙，起、終孔標(biāo)高差10m；3號、7號和4號、8號鉆孔分別與風(fēng)巷20°夾角和 30°夾角，施工20m終孔于工作面頂部巖層裂隙，起、終孔標(biāo)高差10m。每個鉆孔坡度+20°～ +25°，每組鉆孔相距10m，形成鉆孔交替方式，工作面推進(jìn)至第一組一半時，第二組鉆孔可以循環(huán)接替。并且采用短孔抽放可以大幅提高抽放效率和避免長期抽放一個地點(diǎn)不利于防治煤炭自然發(fā)火的缺陷。

圖2 高位鉆孔布置示意圖

3.3.2 高位鉆孔施工

（1）鉆孔施工設(shè)備

鉆機(jī)型號：ZL-500型；

鉆桿直徑：Φ45mm，長度700mm；

鉆頭直徑：Φ75mm，合金鋼鉆頭。

（2）鉆孔基本要求

① 在工作面回風(fēng)巷處安裝好鉆機(jī)，其鉆機(jī)方位坡度按設(shè)計的方案而定，并打好固定柱，先按鉆孔設(shè)計位置參數(shù)進(jìn)行開孔。

② 施工鉆孔時，觀察鉆孔返水情況，一般距設(shè)計鉆孔距離近時，鉆孔不返水，則可以確定鉆孔已到達(dá)采空區(qū)頂部裂隙中。

③ 鉆孔終孔后，按要求下入套管，套管長度要與鉆孔長度相近。

④ 保證鉆孔封孔質(zhì)量，封孔長度要達(dá)到0.8m以上，防止鉆孔漏氣而降低抽放效率。

3.3.3 瓦斯抽放

安源礦建有兩套90kW集中瓦斯抽放系統(tǒng)，管路連接至各個生產(chǎn)采區(qū)，瓦斯泵抽放負(fù)壓38kPa，通過主抽放管路連接至采區(qū)工作面高位鉆孔。當(dāng)鉆孔檢測瓦斯低時，則關(guān)閉鉆孔不進(jìn)行抽放，保留1～2個高位鉆孔進(jìn)行抽放；當(dāng)大氣壓突然降低時，增加高位鉆孔數(shù)量進(jìn)行采空區(qū)抽放，此時就可以減少采空區(qū)內(nèi)外壓差和采空區(qū)頂部瓦斯量。

4 結(jié)語

地面大氣壓變化對礦井通風(fēng)、瓦斯和防滅火管理都有著較大影響，是礦井“一通三防”管理中不容忽視的客觀因素之一。根據(jù)大氣壓變化對333綜采工作面瓦斯涌出影響的程度，采取相應(yīng)的瓦斯防治措施。實踐證明采用高位鉆孔抽放技術(shù)后瓦斯防治效果顯著，從根本上解決了大氣壓變化帶來的異常瓦斯涌出現(xiàn)象，采煤工作面實現(xiàn)了瓦斯零超限管理目標(biāo)，既保障了安全生產(chǎn)，同時又提高了采煤工作面的單產(chǎn)，該工作面月產(chǎn)達(dá)3.5萬t。