试论煤矿掘进工作面瓦斯涌出规律

张福国

摘 要：煤矿作为我国的基础产业，是保障其他行业顺利发展的根本前提。瓦斯涌出是煤矿在开采过程中不可避免地形成的，极容易产生瓦斯爆炸，不仅对煤炭开采企业是一个巨大的经济损失，还很有可能造成煤炭一线作业人员的人身伤害，造成恶劣的社会影响，所以解决瓦斯涌出问题对煤炭安全事故的预防有着十分积极的推动作用。文章首先分析了瓦斯涌出的来源和特点，在对瓦斯涌出有了一个大致的了解后，进而分析了通风方式和大气压力与瓦斯涌出的关系，希望能够对矿井制订生产规划、合理安排组织生产、减少瓦斯事故、保证矿井安全生产起到一定的指导意义。

关键词：瓦斯涌出；来源；特点；通风方式；大气压力

引言

我国每年都会发生多起煤矿事故。据不完全统计，建国以来，全国共发生了22起一次死亡100人以上的煤矿事故，其中的20起是由于瓦斯引起的，所占比例令人触目惊心。瓦斯事故既给企业带来了经济损失，还会威胁煤矿一线作业人员的生命安全，给旷工家属造成极大的痛苦，也会造成恶劣的社会负面影响。所以瓦斯事故应该也必须引起足够的重视。

瓦斯之所以能够如此频繁的造成煤矿安全事故，与瓦斯自身的性质是分不开的。（1）爆炸性。在适当的浓度和引火源的作用下会产生强烈的燃烧和爆炸。瓦斯爆炸是最严重的煤矿井下事故，造成的人员伤亡和经济损失不可估量的。（2）瓦斯的扩散燃烧。煤矿井下经常会存在浓度比较高的瓦斯源和火源，一线工作人员由于工作上的疏忽，容易出现如随意停风、减少风量等处理不当的情况发生，虽然火源燃烧点已经熄灭，但是瓦斯浓度还是比较高很容易与空气混合在一起，这种混合气体极容易达到爆炸的临界点，与残留的火星接触就会发生爆炸。（3）瓦斯的突出问题。所谓的瓦斯突出就是指在相对比较短的时间里煤体向巷道或采场突然喷出大量的煤炭并涌出大量的瓦斯，从而产生一定的动力效应的一种现象。不可预测和突发是其主要特点，所具有的破坏力是十分巨大的，经常会造成重大的人员伤亡和财产损失。不仅如此，瓦斯爆炸后由于高温高压会产生巨大的冲击波，周围的煤灰和烟尘会被卷起所形成的气流会破坏巷道和器材设施，甚至产生更加难以想象的后果。

煤炭是我国的主要能源，大多数工业都需要煤炭作为基础支撑，随着经济的不断发展，我国现阶段乃至未来很长一段时间的经济发展都需要煤炭，需求量也在不断加大，是关系到国家经济命脉的基础产业。

而在煤炭具体的操作工作中，揭露煤层是煤炭掘进工作面的首要步骤，会造成大量的瓦斯涌出，容易出现瓦斯聚集在巷道的情况，发生瓦斯事故的概率高。受采掘空间、时间及煤层赋存条件和瓦斯地质条件等方面因素影响，矿井瓦斯涌出具有不均衡性和多变性，这在一定程度上给采掘工作的安全生产和瓦斯防治带来诸多困难。所以研究掘进工作面的瓦斯涌出规律，对于减少瓦斯事故的发生有着积极的促进作用。

1 综掘工作面瓦斯来源分析和涌出特点

瓦斯是一种无色、无味、无臭的气体，煤炭在生成的过程中，在物力和化学双作用下，瓦斯就此生成，瓦斯会伴随着煤层开采释放出来。

1.1 综掘工作面瓦斯来源

综掘工作面瓦斯涌出主要来源于煤壁瓦斯和落煤瓦斯两部分。从煤体瓦斯涌出机理而言，煤壁瓦斯涌出和落煤瓦斯涌出有所不同。

煤壁瓦斯的涌出从煤体基质到巷道壁面是由瓦斯的解吸-扩散-渗流形成的一个复杂的运移过程，而这个过程的最终结果是巷道壁面瓦斯的涌出，并且在不同的过程中，瓦斯的流动遵循不同的规律。煤壁瓦斯涌出量受多种因素的影响，一方面它受掘进巷道煤质、原岩应力、原始煤层的孔——裂隙发育情况、瓦斯压力及含量等固有地质条件的影响，另一方面还受到掘进工作面的落煤方式、推进速度等生产技术条件的影响，而正是这些生产技术条件的影响造成了同一煤层综掘工作面和炮掘工作面瓦斯涌出特点的不同。

对于综掘工作面，采落煤炭的瓦斯涌出主要是煤炭在运输过程中的瓦斯涌出量。与煤壁瓦斯涌出不同，虽然块煤表面与其内部仍存在着一定的瓦斯压力梯度，但其数值极为有限，块煤的瓦斯涌出主要以分子扩散为主。块煤瓦斯涌出量的大小主要受块煤的粒度、残余瓦斯含量以及块煤在掘进巷道内的停留时间等因素的共同影响。一般而言，块煤的粒度越小，其瓦斯扩散速度越快，而粒度越大则瓦斯扩散越慢。块煤的残存瓦斯含量则取决于煤的变质程度和原始瓦斯含量。随着煤的变质程度的增高和原始瓦斯含量的增大，残存瓦斯含量亦增大。块煤的瓦斯涌出量随着时间的延长呈明显的衰减趋势。综合考虑以上各种因素对块煤瓦斯涌出量的影响可知：在其他固有地质和煤质条件不变的条件下，掘进工作面块煤的瓦斯涌出量主要取决于掘进过程中的采、装、运等工艺过程，从而使得综掘工作面和炮掘工作面落煤的瓦斯涌出也呈现出不同的特征。

1.2 综掘工作面瓦斯涌出特点

1.2.1 与炮掘工作面相比，综掘工作面瓦斯涌出量增大

瓦斯涌出是一个由强到弱的过程，会随着时间的推移慢慢减弱，所以瓦斯量涌出最大的时候在煤壁暴露初期。相比较炮掘工艺，推进速度快使得煤壁的暴露时间大幅度缩短，初期是瓦斯涌出量最多的时段，是综掘工艺瓦斯涌出的特点之一。另外，综掘的平均出煤量也是炮掘所无法比拟的。从落煤的瓦斯涌出量上看，炮掘一般是一次就涌出了掘进工作面，综掘工艺则不同，它是在刮板运输机、胶带运输机等不断作业的过程中不断的有瓦斯涌出工作面，所以瓦斯涌出量综掘工作面明显增大。

1.2.2 综掘工作面瓦斯涌出的不均匀性相对减小，并且瓦斯涌出的不均匀性和工艺过程密切相关

综掘工艺各工序在时间上具有明显的连续性，瓦斯涌出虽有波动，但与炮掘相比其不均匀性明显降低。这是由于在炮掘工作面，爆破落煤是一次完成的，造成了瓦斯涌出量在短时间内急剧增大，但随着爆破落煤的完成，瓦斯涌出衰减很快，从而在炮掘工作面表现出瓦斯涌出量大起大落的现象。而在综掘工作面，掘进机均匀地、连续不断地将煤壁上的煤炭破碎、采落，单位时间内落煤量较炮掘工艺均匀，因而瓦斯涌出也较炮掘平稳。影响综掘工作面瓦斯涌出峰值的主要因素是掘进机的割煤速度，割煤速度越快，则瓦斯涌出的瞬时值也就越大，割煤时间越长，则峰值持续的时间也就越长。

1.2.3 与炮掘工作面相比，综掘工作面相对瓦斯涌出量降低

综掘工作面掘进速度快，落煤、装煤和运煤基本上是连续进行，加之掘进机破碎的煤炭块度比较均匀，从而使落煤中部分瓦斯尚未充分解吸释放就随着运输机运出了工作面，这样综掘工艺和炮掘工艺相比，落煤量增加的幅度要大于其瓦斯涌出量增大的幅度，因而其相对瓦斯涌出量反而降低。根据实际测定，当落煤量增加1倍时，相对瓦斯涌出量仅增加0.5倍。

1.3 瓦斯涌出的危害分析

1.3.1 瓦斯窒息

在遭遇矿井瓦斯大量涌出、通风系统运行失控、作业人员误入未及时封闭停风的巷道、瓦斯积聚未采取有效应对措施等情况时，均会使作业人员面临缺氧窒息而亡的威胁。

1.3.2 瓦斯燃烧

瓦斯大量涌出与煤层瓦斯含量较高有着密切的关系，如果没有及时通风换气，稀释排除高浓度瓦斯，瓦斯就会在某个位置积聚，在火源附近，一旦接触上瓦斯就会燃烧，进而形成火灾，如果没有对火灾进行有效控制就会发生瓦斯爆炸。

1.3.3 瓦斯爆炸

要引发瓦斯爆炸需要有比较高的瓦斯浓度、充沛的氧气、引爆火源等几个关键条件。能够构成引爆火源的有很多形式，摩擦火花、电气火花、爆破火焰都是引爆火源的可能性，这些火花又是煤矿开采过程中无法避免的。当瓦斯聚集到一定程度达到爆炸程度时，接触引爆火源就容易发生瓦斯爆炸。

前文重点分析了瓦斯涌出的基本情况，包括来源、特点、危害，不难看出煤矿的环境与瓦斯的涌出有着密切的关系，下文重点分析通风方式和大气压力和瓦斯涌出的关系。

2 瓦斯涌出与通风方式的关系

2.1 通风系统的常见类型

2.1.1 一进一回型

在具体的煤矿采掘工作面中受到推进方向和进、回风平巷的相对位置不同的影响，一进一回型又可分为四种类型。第一，后退式U型。煤层岩体是后退式U型通风系统进、回风巷全部的落脚点，所以巷道中所能露出的风很少，而上隅角是风交汇的最佳场所，所以采空区形成的瓦斯很容易在风的作用下聚集在上隅角位置处。第二，后退式Z型。提前掘出进风巷是后退式Z型通风系统所要做的工作，回采工作面不断推进的过程中，形成了回风巷。工作面不是采空区漏风携带的瓦斯主要的流动方向，回风巷才是，这样就可以有效防止瓦斯在工作面上隅角聚集。第三，前进式U型。煤层岩体和采空区分别在前进式U型通风系统的进风平巷的两侧，直接可能导致采空区遍布于回风平巷的两侧，有很大的空间局限性，只适合于薄煤层或是中厚煤层。第四，前进式Z型。预先掘出回风巷是前进式Z型通风系统所要做的前期准备工作，有利于在回采工作面逐渐深入的过程中，形成进风巷。采空区漏风携带的瓦斯会向工作面流动，瓦斯可能会聚集在某个局部位置超出一定的上限，所以前进式Z型通风系统不适合瓦斯涌出量大的作业区。

2.1.2 两进一回型

Y型和W型是两进一回的通风系统的两种主要类型。第一，Y型。后退式Z型是其主要的雏形，依据它逐渐衍生而来。其原理是增加一条风巷在采掘工作面的上端，这样能够增大采掘工作面回风巷的风量，此方式高瓦斯煤层应用的比较广泛。第二，W型。在长工作面或是双工作面使用W型的通风系统比较多。

2.1.3 两进两回及三进一回H型

在瓦斯涌出量大、通风断面大的工作面应用的较为常见。采空区大部分瓦斯会在风力的作用下流向回风平巷。基于回风平巷两侧都毗邻采空区，做好必要的防漏风控制措施是非常有效的。

2.2 瓦斯涌出与通风系统类型的关系

为了能够够更好地分析瓦斯涌出与通风系统的关系，文章以某煤矿的采掘工作面为例加以说明。这个煤矿是典型的高产高效工作面，2.5万吨是该煤矿的采掘工作面的日产煤量，所以瓦斯涌出量是很大的，上隅角以及回风巷瓦斯超过上限的情况时有发生。采空区是工作面瓦斯的主要来源，两进一回Y型通风系统是此煤矿一直使用的通风方式。煤矿负责人在努力解决瓦斯涌出的原则下，经过积极探讨和研究后，决定设置一段尾巷，这样就形成三进一回的通风方式。经过调整后，工作面回风流中的瓦斯体积分数降低至0.5%以下，有效解决了瓦斯涌出的难题。所以，实践证明了改变通风方式能够有效解决矿井下巷道内的瓦斯涌出，并且可行性和可操作性都比较强。

3 大气压力与煤矿瓦斯涌出的关系

3.1 大气压力对煤矿瓦斯涌出影响的理论分析

不论是什么样的瓦斯涌出来源，都会受到煤矿采场四周的大气压力变化的影响。采场大气压力因地面大气压力变化而变化。井下某点的绝对静压Pi和此点水平的同高度、同时间的大气压力Po之差就是该点的相对静压h，即h=Pi-Po。相对静压主要是在矿井主扇的作用下的，所以在不管何种形式的通风系统下，相对静压都不会随地面大气压力的变化而变化，所以由h=Pi-Po可知，地面大气压力Po减少时，Pi就会减小。

3.2 大气压力对煤矿瓦斯涌出影响的规律性分析

经过多年的测试资料显示，一年里地面大气压变化数值在5.3-8kPa之间，也就是540.8-816.3mmHg。一天有时会在2-2.7kPa，也就是204.1-275.5mmHg。单就一天内的变化值就堪比矿井串联了一台中型风机，这一惊人的数字对瓦斯涌出影响上可想而知，其中对邻近层和已采区瓦斯涌出的影响是最为明显的。在大气压力降低的时候，瓦斯涌出量自然会增加。井下气体压力较地面大气压力的变化速度要慢一些，幅度大致相同。

北方的气候是冬季寒冷且漫长，春季也比较冷，每年的11、12、1、2、3、4月份，特别是每年12、1、2月，夜间温度在最低时，大气压力却是截然相反，处于最高值，这样的气温对采空区的瓦斯涌出是有一定影响的，观测表明瓦斯涌出量相对较少。而在夏秋两季，特别是7、8、9月，白天温度在最高，气压也处在最高期，遇到阴雨天气时地面大气压力就会变得比较低并且不太稳定，综合起来采空区瓦斯涌出量就会增加，瓦斯爆炸率也会随着增高。

基于上文的分析，在高瓦斯煤矿开采中，特别是采空区的瓦斯涌出量比较大的煤矿中，地面监测室是应该建立的，用来监测地面气候条件的变化趋势，便于及时掌握大气压力、温度、湿度月月、时时的变化规律，以及井下气压和这些数值变化的幅度是否相同、时间速度快慢，了解对工作面采落煤炭、邻近层、采空区、综放采场放顶区瓦斯涌出的影响程度。这样就可以在大气压力处于低位时加强检查矿井瓦斯浓度，进行严格控制。应对瓦斯涌出增大的情况，可以随时改变矿井主扇运行参数，将主扇工况点进行适当调节，以减少主扇工作的压力，控制井下各瓦斯涌出源的绝对气压值在一个相对稳定的区间内。还要具体情况具体分析，根据井下各瓦斯源瓦斯涌出的情况，采用综合瓦斯抽放的方法，最大限度地发挥已建的矿井瓦斯抽放系统的作用，将瓦斯涌出量控制在安全范围内，消除瓦斯爆炸隐患。

4 结束语

综上所述，瓦斯涌出是引发瓦斯爆炸，进而发生煤矿安全事故的第一杀手，煤炭企业应该充分重视，积极想办法、想对策解决瓦斯涌出这一关键环节，最大限度地保障矿井安全、高效的作业，产出更多优质煤，积极促进我国煤矿业的发展，使其更好地服务于我国经济社会建设。

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