大氣壓對(duì)采空區(qū)壓力變化的影響研究

郭武奎 孫國(guó)輝 曹寧寧

(1.甘肅靖遠(yuǎn)煤電股份有限公司大水頭煤礦，甘肅 白銀 730913；2.天地（常州）自動(dòng)化股份有限公司，江蘇 常州 213015)

大水頭煤礦東107 密閉采空區(qū)雖然用密封墻進(jìn)行了密封，但是采空區(qū)外部巷道的氣體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)?shù)孛娴拇髿鈮喊l(fā)生變化時(shí)，會(huì)有不同程度的閉內(nèi)氣體外涌至采空區(qū)外部巷道。為了保證井下工作人員的健康及礦井安全，有必要對(duì)地面大氣壓變化與采空區(qū)內(nèi)外差壓的關(guān)系進(jìn)行研究[1]，為采空區(qū)內(nèi)部氣體外涌的防治提供理論依據(jù)，同時(shí)為煤礦的安全生產(chǎn)管理提供參考。

1 概況

大水頭煤礦地形比較復(fù)雜，屬大陸性干旱氣候，年最低及最高氣溫分別為-23.8 ℃與37.4 ℃。冰凍期為11 月至次年2 月，最大深度可至0.95 m。每年只有238 mm左右的降水量，降水時(shí)間為6～9月份，年蒸發(fā)量1500 mm 以上。全年多北風(fēng)和東南風(fēng)，冬春之交最大風(fēng)力可達(dá)8 級(jí)。

礦井通風(fēng)系統(tǒng)：兩翼對(duì)角抽出式，主進(jìn)風(fēng)井為新主、副井，輔助進(jìn)風(fēng)井為老主、副井、1570 平硐，回風(fēng)井為配備2 臺(tái)軸流式通風(fēng)機(jī)的北風(fēng)井和配備2臺(tái)對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)的東風(fēng)井。

礦井為高瓦斯礦井，相對(duì)和絕對(duì)瓦斯涌出量分別為11.42 m3/t 和47.93 m3/min。煤層易自燃，自然發(fā)火期3～6 個(gè)月。

2 東107 密閉采空區(qū)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及結(jié)果分析

2.1 東107 密閉采空區(qū)簡(jiǎn)介

東107 密閉采空區(qū)位于東一采區(qū)，由5 堵密封墻對(duì)整個(gè)東107 采空區(qū)進(jìn)行密封處理。該采空區(qū)巷道布置如圖1。

從圖1 可以看出東107 密閉采空區(qū)的巷道構(gòu)造情況以及5 堵密封墻的具體位置。通過(guò)對(duì)該采空區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)研，了解到由密閉墻深入到采空區(qū)內(nèi)部的預(yù)留管道分布情況如圖1 中的A 局部放大圖所示，管道3、管道4 和管道5 為鋼制注漿管道，管道1 和管道2 為塑料軟管?？紤]到管道在采空區(qū)中的位置以及采空區(qū)數(shù)據(jù)采集的密封性，選擇管道2 為測(cè)點(diǎn)用監(jiān)測(cè)管道，用于采集東107 密閉采空區(qū)內(nèi)部的參數(shù)數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集監(jiān)控，可以觀察到東107 密閉采空區(qū)內(nèi)部與東107密閉采空區(qū)外部密封腔中的參數(shù)變化之間的聯(lián)系。

圖1 東107 采空區(qū)巷道布置

2.2 礦井大氣參數(shù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

根據(jù)東107 密閉采空區(qū)的巷道構(gòu)造與測(cè)點(diǎn)位置情況，通過(guò)組建東107 密閉采空區(qū)的監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，可以采集到密閉采空區(qū)內(nèi)部測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。以上獲取到的為井下數(shù)據(jù)，無(wú)地表大氣壓數(shù)據(jù)為參考依據(jù)，無(wú)法獲悉地面大氣壓數(shù)據(jù)變化對(duì)東107 密閉采空區(qū)動(dòng)態(tài)變化的影響。

為了更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)東107 密閉采空區(qū)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，以便增強(qiáng)后續(xù)采集數(shù)據(jù)的可參考性與可分析性，針對(duì)東107 密閉采空區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況，以及要實(shí)現(xiàn)的全方位監(jiān)測(cè)目標(biāo)，研究并開(kāi)發(fā)了礦井大氣參數(shù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)礦井地面和井下大氣參數(shù)的多維度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。將東107 密閉采空區(qū)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為井下密閉采空區(qū)監(jiān)測(cè)與地面室外監(jiān)測(cè)兩部分，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)總線相結(jié)合的架構(gòu)布局[2]，該系統(tǒng)包括監(jiān)控主機(jī)、分站及電源箱、礦用多參數(shù)傳感器等。

2.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

從2021 年 11 月初開(kāi)始，對(duì)上述井下采空區(qū)即東107 通風(fēng)順槽中的測(cè)點(diǎn)以及地面測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測(cè)，分別采集了井下測(cè)點(diǎn)的差壓、絕壓等參數(shù)和地表的溫度、絕壓等參數(shù)，由地面監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)定時(shí)記錄測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)情況，并生成數(shù)據(jù)報(bào)表和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)曲線[3]。為了提高研究結(jié)果的有效性和針對(duì)性，從采集樣本中選取6 組數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)生成的曲線分別如圖2 ～圖5 所示。曲線圖中包含了地表溫度、地表絕壓、采空區(qū)絕壓和采空區(qū)內(nèi)外差壓等參數(shù)的曲線，地表溫度、地表絕壓代表地面測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)。對(duì)于井下采空區(qū)測(cè)點(diǎn)多參數(shù)傳感器GD4 常壓口位于采空區(qū)外部巷道，負(fù)壓口接?xùn)|107通風(fēng)順槽中。因此，差壓為正時(shí)說(shuō)明采空區(qū)外部氣壓大于采空區(qū)內(nèi)部氣壓；同理，差壓為負(fù)時(shí)說(shuō)明采空區(qū)外部氣壓小于采空區(qū)內(nèi)部氣壓。

結(jié)合圖2 ～圖5 的曲線變化規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)地表大氣壓變化與東107 密閉采空區(qū)差壓變化的基本規(guī)律如下：采空區(qū)內(nèi)部測(cè)得絕壓與地表絕壓基本保持同步變化，雖然0 點(diǎn)至10 點(diǎn)與10 點(diǎn)至23 點(diǎn)之間兩者之間相差的數(shù)值有所不同，但是兩者總的變化趨勢(shì)是一致的；而且還可以看出采空區(qū)與外部巷道之間的差壓值與地表大氣壓的變化呈現(xiàn)出十分顯著的反向變化趨勢(shì)，即當(dāng)大氣壓增加時(shí)，采空區(qū)內(nèi)外差壓減小，當(dāng)大氣壓減小時(shí)，采空區(qū)內(nèi)外差壓增加；同時(shí)采空區(qū)內(nèi)外差壓幾乎也與地表溫度保持相同的變化趨勢(shì)，只是采空區(qū)內(nèi)外差壓的變化相對(duì)于地表溫度的變化有一個(gè)時(shí)間上的滯后性。

圖2 大氣壓與采空區(qū)壓力變化曲線1

圖3 大氣壓與采空區(qū)壓力變化曲線2

圖4 大氣壓與采空區(qū)壓力變化曲線3

圖5 大氣壓與采空區(qū)壓力變化曲線4

仔細(xì)觀察上述曲線，能夠分析得出由上午9 時(shí)開(kāi)始，地表溫度呈現(xiàn)出急劇升高趨勢(shì)，下午3 時(shí)變化迅速下降趨勢(shì)；同時(shí)上午10 時(shí)開(kāi)始地表大氣壓數(shù)值也驟然上升，直至下午4 時(shí)變?yōu)閯×蚁陆怠?/p>

通過(guò)上述分析以及對(duì)井下采空區(qū)和地面采集的連續(xù)多日數(shù)據(jù)的研究得出：采空區(qū)內(nèi)部絕壓與地表絕壓的變化趨勢(shì)同步且一致；東107 密閉采空區(qū)內(nèi)部的氣體壓力隨著地表溫度和地表大氣壓的變化呈現(xiàn)出“膨脹—收縮”的“呼吸”狀態(tài)，因此地表大氣壓與地表溫度等因素的共同作用使得東107 密閉采空區(qū)密封墻內(nèi)外的壓力發(fā)生變化；地表溫度的改變首先影響地表絕壓的變化趨勢(shì)，而后地表絕壓再影響采空區(qū)內(nèi)外之間的壓力差變化。

3 大氣壓對(duì)采空區(qū)內(nèi)部壓力的影響機(jī)理分析

采空區(qū)經(jīng)過(guò)密封墻處理后，外部的新鮮空氣依然可以通過(guò)裂縫和密閉墻縫隙與采空區(qū)進(jìn)行氣體交換，這是地表大氣壓能夠影響采空區(qū)內(nèi)外差壓變化的硬性條件[4]。

受工作面風(fēng)流壓力作用，采空區(qū)與外部巷道之間相當(dāng)于存在一個(gè)無(wú)形的“活塞”，有氣體狀態(tài)方程：

PV=nRT

式中：P為氣體壓強(qiáng)，Pa；V為氣體體積，m3；n為氣體物質(zhì)的量，mol；T為體系溫度，K；R為氣體常數(shù)，J/（mol·K）。

由上述公式可知，對(duì)于同一空間內(nèi)的氣體，氣體體積與氣體壓強(qiáng)的變化趨勢(shì)相反。當(dāng)氣體壓強(qiáng)增大時(shí)，氣體體積減小；當(dāng)氣體壓強(qiáng)減小時(shí)，氣體體積增大[5]。因此當(dāng)?shù)乇泶髿鈮荷邥r(shí)，工作面中風(fēng)流的絕對(duì)壓力也隨之增加，導(dǎo)致井下密閉墻內(nèi)采空區(qū)呈現(xiàn)“負(fù)壓”狀態(tài)，這時(shí)候外界“新鮮”空氣利用地表和密封墻的漏風(fēng)進(jìn)入采空區(qū)，致使采空區(qū)內(nèi)部的氣體組成發(fā)生變化。同理，當(dāng)?shù)乇泶髿鈮航档蜁r(shí)，工作面中風(fēng)流的絕對(duì)壓力也隨之減小，使得采空區(qū)呈現(xiàn)“正壓”狀態(tài)，這時(shí)候采空區(qū)內(nèi)部的氣體將經(jīng)過(guò)漏風(fēng)源涌向外部巷道甚至工作面[6]。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)東107 密閉采空區(qū)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)研究，可以得出：采空區(qū)絕壓與地表絕壓保持著同步的變化趨勢(shì)；地表溫度影響地表大氣壓的變化，兩者具有相反的變化趨勢(shì)，即當(dāng)?shù)乇頊囟壬邥r(shí)，地表大氣壓下降，當(dāng)?shù)乇頊囟认陆禃r(shí)，地表大氣壓上升，但是這種影響在時(shí)間上具有一定的滯后性；地表大氣壓對(duì)采空區(qū)內(nèi)外差壓變化的影響是反向的，采空區(qū)內(nèi)外差壓會(huì)隨著地表大氣壓的升高而降低，隨著地表大氣壓的降低而升高。

（2）地表溫度和地表大氣壓的變化對(duì)采空區(qū)內(nèi)部氣體成分和體積的變化具有重大影響，尤其是采空區(qū)內(nèi)部有害氣體的外涌直接關(guān)系到煤礦的安全生產(chǎn)和人員的身體健康，因此必須對(duì)采空區(qū)密封墻的結(jié)構(gòu)和使用材料進(jìn)行優(yōu)化，并加強(qiáng)噴漿工作的處理，以減小大氣壓變化對(duì)采空區(qū)“呼吸”狀態(tài)的影響程度，降低采空區(qū)與外部氣體的氣體交換量。

（3）加強(qiáng)地表氣象監(jiān)測(cè)頂警與瓦斯抽采工作的部署與執(zhí)行，調(diào)整并優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)的防治技術(shù)體系，保證采空區(qū)與外部巷道之間壓差平衡，以減弱地表大氣壓變化對(duì)礦井風(fēng)壓波動(dòng)的影響程度，防止因地表大氣壓的變化造成采空區(qū)內(nèi)部瓦斯氣體的外涌情況發(fā)生。