大氣壓變化對采空區(qū)瓦斯外涌的影響研究

曹寧寧

(天地(常州)自動化股份有限公司，江蘇 常州 213015)

西北某礦雖然在綜采結(jié)束以后對東107采空區(qū)進(jìn)行了嚴(yán)格密封處理，但是由于密封墻縫隙的存在，同時該礦井屬于高瓦斯礦井，在東107密閉采空區(qū)的外部巷道中仍然能夠檢測到瓦斯氣體的存在，而且瓦斯的外涌量與地表大氣壓的變化有著密切聯(lián)系，因此為了保障礦井人員的安全和礦井的安全生產(chǎn)，有必要對大氣壓與采空區(qū)瓦斯外涌的規(guī)律進(jìn)行研究，并提出合理的防治措施，為煤礦的采空區(qū)瓦斯治理提供參考[1]。

西北某礦地處山區(qū)，全年溫差較大，干旱少雨， 礦井的平均總進(jìn)風(fēng)量和平均總排風(fēng)量分別為5 197 m3/min、5 716 m3/min.礦井的煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層頂板平均厚度為6.25 m，主要為鋁質(zhì)泥巖，底板主要由碳質(zhì)、砂質(zhì)泥巖和粉砂巖組成。礦井瓦斯級別為高瓦斯，經(jīng)過長期數(shù)據(jù)測定，礦井絕對瓦斯涌出量為10.42 m3/min，相對瓦斯涌出量為45.93 m3/t，礦井屬于易燃煤層，每年的煤層自然發(fā)火期高達(dá)5個月。

1 東107密閉采空區(qū)數(shù)據(jù)監(jiān)測及結(jié)果分析

1.1 東107密閉采空區(qū)簡介

東107密閉采空區(qū)原有工作面的煤層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，而且不同區(qū)域的煤層厚度相差較大，平均厚度為10.5 m左右，工作面的地形為單一斜形構(gòu)造，采用東西走向布置，總長度為918 m，斜坡的傾斜長度為120 m，工作面的回采利用大型機(jī)械結(jié)合放頂煤開采方法進(jìn)行，其中對于采空區(qū)頂板的處理方法為自然掉落。采掘工作結(jié)束以后利用5堵密封墻對東107采空區(qū)的巷道出入口進(jìn)行密封處理，東107密閉采空區(qū)的巷道布置情況如圖1所示。

圖1 東107采空區(qū)巷道布置

從圖1中能夠清楚看到東107密閉采空區(qū)的實(shí)際構(gòu)造情況，為了實(shí)現(xiàn)對該采空區(qū)與外部巷道之間的壓力和瓦斯外涌情況的實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)測，依托采空區(qū)的結(jié)構(gòu)和密封墻位置，設(shè)置2個測點(diǎn)，在圖1中的A區(qū)域建立測點(diǎn)，測點(diǎn)的具體位置如圖2所示。

圖2 測點(diǎn)位置

結(jié)合圖1與圖2可以看出，測點(diǎn)1用于監(jiān)測并采集東107運(yùn)輸巷即采空區(qū)內(nèi)部的數(shù)據(jù)，測點(diǎn)2用于監(jiān)測并采集采空區(qū)外部巷道中的數(shù)據(jù)。為了對礦井外部的大氣參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，在礦井地面合適位置設(shè)立地表大氣壓監(jiān)測點(diǎn)，地面與井下同步監(jiān)測大氣壓變化與采空區(qū)壓力和瓦斯外涌的波動情況。

1.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

結(jié)合東107密閉采空區(qū)的平面布置圖與測點(diǎn)設(shè)置情況，并依據(jù)大氣壓與采空區(qū)瓦斯外涌變化規(guī)律的研究需求，研究并建立了地面與礦井聯(lián)合在線監(jiān)測系統(tǒng)[2]。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)地面和井下測點(diǎn)參數(shù)的多維度實(shí)時監(jiān)測，其中地面測點(diǎn)主要用于對地表大氣壓和地表溫度參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測采集，測點(diǎn)1、測點(diǎn)2聯(lián)合使用主要用于監(jiān)測和采集采空區(qū)內(nèi)部的絕壓、采空區(qū)內(nèi)部與外部巷道之間的差壓、采空區(qū)外部巷道中的瓦斯?jié)舛燃床煽諈^(qū)瓦斯外涌濃度。

自2021年10月份開始對東107密閉采空區(qū)的測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行長期監(jiān)測，通過地面與礦井聯(lián)合在線監(jiān)測系統(tǒng)的地面主機(jī)定時保存采集數(shù)據(jù)并生成報表和數(shù)據(jù)曲線。為了提高研究結(jié)果的有效性，選取最具有代表性的兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析大氣壓與采空區(qū)壓力變化的關(guān)系，大氣壓與采空區(qū)壓力變化曲線如圖3和圖4所示，大氣壓與采空區(qū)瓦斯外涌量的關(guān)系曲線如圖5所示。對于采空區(qū)與外部巷道之間的差壓監(jiān)測，由于差壓傳感器的常壓口在采空區(qū)外部巷道，負(fù)壓口在采空區(qū)內(nèi)部，因此差壓為正則表明采空區(qū)外部氣壓大于內(nèi)部，差壓為負(fù)則表明采空區(qū)外部氣壓小于內(nèi)部。

圖3 大氣壓與采空區(qū)壓力變化曲線1

圖4 大氣壓與采空區(qū)壓力變化曲線2

圖5 大氣壓與采空區(qū)瓦斯外涌變化曲線

通過圖3、圖4能夠發(fā)現(xiàn)大氣壓與采空區(qū)壓力變化的規(guī)律：采空區(qū)內(nèi)部的絕壓與地表絕壓保持相同的變化趨勢，雖然兩者在一天當(dāng)中的某些時間段內(nèi)數(shù)值不能保持一致，但是總的變化趨勢是一致的；采空區(qū)內(nèi)外差壓與大氣壓的變化趨勢截然相反，當(dāng)大氣壓增加時，采空區(qū)內(nèi)外差壓減小，當(dāng)大氣壓減小時，采空區(qū)內(nèi)外差壓增加，正是由于采空區(qū)內(nèi)外差壓隨著大氣壓變化而波動，導(dǎo)致采空區(qū)“呼吸現(xiàn)象”的產(chǎn)生；地表溫度對采空區(qū)內(nèi)外差壓的影響是正向的，但是采空區(qū)內(nèi)外差壓的變化相對于地表溫度的改變在時間點(diǎn)上有一個延遲。從圖5中能夠看出采空區(qū)瓦斯涌出量與大氣壓保持相反的變化趨勢，當(dāng)大氣壓急劇下降時，瓦斯涌出量迅速上升，在大氣壓達(dá)到最低點(diǎn)時，瓦斯涌出量到達(dá)峰值；同理，當(dāng)大氣壓快速上升時，瓦斯涌出量持續(xù)下降。

通過對多日數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)采集和研究，同時將大氣壓與采空區(qū)壓力變化的關(guān)系和大氣壓與采空區(qū)瓦斯外涌波動的關(guān)系聯(lián)合起來分析，能夠得出規(guī)律：大氣壓受地表溫度變化的影響，兩者保持相反的變化趨勢，地表溫度上升時，大氣壓呈現(xiàn)下降趨勢，地表溫度下降時，大氣壓呈現(xiàn)上升趨勢，但是大氣壓相對于地表溫度的變化有一個滯后，大氣壓并不是隨著地表溫度的變化立馬就能夠做出動作。然而大氣壓對采空區(qū)內(nèi)外差壓的影響是實(shí)時無延遲的，大氣壓的變化造成采空區(qū)呈現(xiàn)出有規(guī)律的 “膨脹—收縮”的 “呼吸現(xiàn)象”[3]，當(dāng)大氣壓上升時，采空區(qū)外部巷道新鮮空氣進(jìn)入采空區(qū)內(nèi)部，當(dāng)大氣壓下降時，采空區(qū)內(nèi)部含有瓦斯的氣體涌出至外部巷道。

2 影響機(jī)理分析

在密封墻無法做到采空區(qū)絕對密封的先決條件下，大氣壓利用密封墻縫隙對采空區(qū)與外部巷道氣體的交換進(jìn)行作用[1]?；诖?，采空區(qū)內(nèi)部的瓦斯氣體外涌與大氣壓的變化有最直接的關(guān)系。由于采空區(qū)外部巷道風(fēng)壓的作用，采空區(qū)與外部巷道的連接處存在一個隱形的“活塞”，有關(guān)氣體方程為：

PV=nRT

(1)

式中:P為壓強(qiáng),Pa；V為體積,m3；n為物質(zhì)的量,mol；T為體系溫度,K；R為常數(shù),8.314 51 J/(mol·K).

從公式(1)能夠知道，采空區(qū)就如同裝滿瓦斯等混合氣體的容器，氣體承受的壓強(qiáng)越大，那么氣體的體積必然會壓縮，相反，氣體上的壓強(qiáng)減小時，其體積就會隨之膨脹[4]。因此當(dāng)?shù)乇泶髿鈮杭眲≡黾訒r，礦井中工作面和巷道中的風(fēng)壓就會升高，風(fēng)壓對采空區(qū)施加的壓強(qiáng)增加，使得采空區(qū)進(jìn)入“負(fù)壓”狀態(tài)，此時外部巷道處于“正壓”，新鮮空氣隨著密閉墻縫隙進(jìn)入采空區(qū)；同時當(dāng)?shù)乇泶髿鈮杭眲∠陆禃r，外部巷道的風(fēng)壓減弱，采空區(qū)逐漸變?yōu)椤罢龎骸?，此時采空區(qū)內(nèi)部諸如瓦斯等氣體涌出至壓力小的外部巷道甚至工作面[5]。

3 防治措施

1) 加強(qiáng)地面和井下防堵工作。由于密封墻縫隙的存在，加劇了地表大氣壓對采空區(qū)瓦斯外涌的影響程度，因此為了防止瓦斯外涌對礦井工作人員的身體健康和工作面的安全生產(chǎn)造成危害[6]，有以下措施：①必須優(yōu)化密封墻的安裝結(jié)構(gòu)和組成材料，減小縫隙的存在；②同時加強(qiáng)噴漿處理，以減弱大氣壓變化對采空區(qū)內(nèi)外差壓波動的影響程度，降低瓦斯外涌量；③對采空區(qū)上方的地表裂縫進(jìn)行回填封堵，減小地表漏風(fēng)的影響。

2) 優(yōu)化采空區(qū)瓦斯監(jiān)測與治理系統(tǒng)。①加強(qiáng)地表大氣參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測預(yù)警和瓦斯抽采系統(tǒng)的高效運(yùn)用管理工作，并將瓦斯的監(jiān)測與預(yù)警進(jìn)行協(xié)同控制；②對礦井通風(fēng)系統(tǒng)的防治技術(shù)和體系進(jìn)行合理優(yōu)化和調(diào)整，對通風(fēng)阻力大的巷道進(jìn)行改造，可通過增加斷面來降低風(fēng)阻，確保采空區(qū)內(nèi)部與外部巷道之間的壓差保持在一個穩(wěn)定狀態(tài)，削弱采空區(qū)的“呼吸”與大氣壓的關(guān)聯(lián)程度，防止地表大氣壓急劇下降時造成采空區(qū)內(nèi)部瓦斯氣體大量外涌情況的發(fā)生[8]。

依據(jù)大氣壓與采空區(qū)瓦斯外涌的變化規(guī)律并利用以上防治措施，對西北某礦東107密閉采空區(qū)的地面裂縫進(jìn)行填充和強(qiáng)化井下密封墻的密封效果，并采取措施減小通風(fēng)阻力，加強(qiáng)地面大氣參數(shù)和采空區(qū)壓力、瓦斯外涌的監(jiān)測，同時基于監(jiān)測數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)控制瓦斯的抽采，治理后采集到的大氣壓與采空區(qū)的變化曲線如圖6所示。

圖6 治理后大氣壓與采空區(qū)瓦斯外涌曲線

與圖3和圖4相比較，從圖6中能夠看出，在大氣壓急劇上升和劇烈下降的時間段內(nèi)，采空區(qū)內(nèi)外差壓雖然也會有反向趨勢變化，但是變化幅度已經(jīng)趨于平緩，說明采空區(qū)差壓受大氣壓變化的影響程度得到減弱。同時采空區(qū)的瓦斯只在大氣壓急劇下降的時期有極少量外涌出來，綜合以上情況表明：防治措施可有效預(yù)防采空區(qū)的瓦斯外涌。

4 結(jié) 語

1) 通過利用西北某礦東107密閉采空區(qū)實(shí)驗(yàn)平臺，經(jīng)過長期的數(shù)據(jù)采集分析，研究表明：地表溫度影響地表大氣壓的變化，兩者保持相反的變化趨勢，有一個時間滯后性；地表大氣壓的改變直接作用于采空區(qū)內(nèi)外差壓，是即時性的，不存在延時，兩者變化趨勢相反；采空區(qū)內(nèi)差壓大于外差壓時瓦斯外涌。簡言之，大氣壓急劇下降時造成采空區(qū)內(nèi)部的瓦斯氣體涌向外部巷道和工作面。

2) 應(yīng)用采空區(qū)瓦斯外涌的防治措施后，可在地表大氣壓急劇下降時期，增強(qiáng)采空區(qū)內(nèi)外差壓的穩(wěn)定性，可有效抑制采空區(qū)瓦斯的異常涌出，對有同類問題的礦井采空區(qū)瓦斯治理有一定借鑒意義。