地面大气压力对井下瓦斯涌出量的影响研究

徐彦伟

摘要：本文主要对试验区瓦斯涌出变化情况以及对地面大气压力变化数据进行连续观测、统计。据此，绘制了瓦斯及大气压力变化曲线，分析了采掘工作面瓦斯涌出来源及瓦斯浓度变化规律，总结了大气压力变化与采、掘工作面以及采空区瓦斯涌出变化的关系及规律。根据得到的规律，采取相应的瓦斯治理措施，有效减小采空区高浓度瓦斯通过顶、底板裂隙及管缝锚杆向采掘空间涌出，降低采掘工作面回风流中的瓦斯含量，提高了矿井生产效率，为矿井实现高产高效提供安全保障。

关键词：大气压力;瓦斯涌出量;研究;瓦斯治理

引言

矿井可以看作是一个与大气层连接的巨大连通器，大气压力的变化必然要引起矿井内空气压力的变化[1]，而矿井中的风流是井下瓦斯向外涌出的载体，它的物理特性参数发生变化将会对井下所有瓦斯涌出来源的游离态瓦斯向风流的运动从而影响矿井的瓦斯涌出量[2]。平煤股份二矿庚组煤层呈现越往深部煤层越厚的状况，煤层的赋存条件又导致了瓦斯的富集，从而造成瓦斯涌出量增大，严重威胁矿井的安全生产。所以，研究地面大气压力对井下瓦斯涌出量的影响，对于该矿井瓦斯的日常管理工作及瓦斯灾害的治理有着一定的指导意义。

1 矿井概况及试验区选择

平煤股份二矿位于平顶山矿区中部。矿井地面为低山丘陵地貌，地形北高南低，北部为低山，地面海拔标高110～480m。矿井开拓方式为斜井-立井多水平分区式，采煤方法为走向长臂陷落法。矿井通风方式为中央边界式，通风方法为抽出式。根据2009年矿井瓦斯等级鉴定结果为低瓦斯矿井。相对瓦斯涌出量为3.82 m3/t，绝对瓦斯涌出量为15.93m3/min。矿井可采煤层为己组和庚组煤层，均具有爆炸危险性和自燃发火倾向性。

2 矿井瓦斯的涌出来源

在进行采掘作业后，原有的瓦斯压力动平衡状态受到破坏，形成了瓦斯流动场[3]，在压力梯度和浓度梯度的双重作用，使得瓦斯气体连续由煤岩体中向采掘空间涌出。采落的煤体和采空区冒落的破碎煤岩可以看作是松散介质，其中的瓦斯在浓度梯度的作用下，以浓度扩散的形式运移和释放的。

所以，矿井瓦斯按其涌出源的不同可分为掘进区、回采区和采空区三种瓦斯涌出来源[4]：

（1）掘进区瓦斯涌出可分为煤壁和采落煤炭的瓦斯涌出;（2）回采区瓦斯涌出一部分来自本煤层瓦斯，另一部分来自围岩和其上、下邻近煤岩层瓦斯;（3）采空区瓦斯涌出主要来自于老空区遗煤和边界煤柱的瓦斯。

3 大气压力对矿井瓦斯涌出影响的分析

3.1 地面大气压与矿井静压的关系分析

不论流动的空气还是静止的空气都能产生一种压力，即静压。静压产生的原因是为数巨大的空气分子热运动与重力的影响，其特点是各向同值且垂直作用于器壁（井巷壁）。静压的大小随井巷所处位置标高的不同而不同。

从图1中可以看出，对于压入式通风的矿井，由于风流中任一点A的绝对静压PA一般比同标高的当地大气压P0大，所以，A点的绝对静压PA：

对于抽出式通风的矿井，由于风流中任一点B的绝对静压PB始终比同标高的大气压P0小，所以，B点的绝对静压PB：

式中：ha、hb—分别表示压入式、抽出式通风矿井的通风压力（即相对静压），（Pa）

3.2 大气压力对矿井瓦斯涌出影响的理论分析

不同来源的瓦斯涌出均随其边界条件——瓦斯涌出源附近的采场大气压力变化而变化，而采场大气压力是受地面大气压力变化影响的。无论在压入式还是抽出式通风系统中，井下采场某一点的相对静压h a或h b由矿井主扇所分配，其值是基本不随地面大气压力的变化而变化的，所以，当地面大气压力P0下降（或上升）时，由（公式1）、（公式2）可知井下采场某一点的绝对静压PA或PB必然减小（或增加）。

3.3 大气压力对煤矿瓦斯涌出影响的规律性分析

图2～图5分别是2010年8、9月份庚20-21050风巷、庚20-21020风巷回风、庚20-21050机巷、庚20-21020机巷瓦斯随大气压力变化长期趋势图。除了庚20-21050机巷外，其它3个掘进工作面瓦斯均随大气压力变化：当大气压力突然下降时，瓦斯曲线上升，说明采空区积存的瓦斯更多地涌入风流中，使矿井瓦斯涌出量增大;当大气压力变大时，瓦斯曲线下降，矿井瓦斯涌出量会明显减小，由此说明井下瓦斯涌出量大小随大气压力变化而变化，并且大气压力变化速率对瓦斯涌出量影响较大[4]。根据实测资料，当大气压力下降速率达60 Pa/h时，对采空区瓦斯涌出影响明显，当大气压力下降速率达100 Pa/h时，采空区瓦斯大量涌出。

4 地面大气压变化与矿井瓦斯涌出的关系

4.1 大气压力与采煤工作面瓦斯涌出的关系

与当天的大气压力变化曲线图3进行对比可以看出：庚20-21080、庚20-21090两采面瓦斯变化曲线与地面大气压力的变化曲线间没有明显关系，其瓦斯曲线发生波动的原因主要是采煤机在割煤时从采落煤体中涌出的瓦斯所致。

4.2 大气压力与掘进工作面瓦斯涌出的关系

图6～图9分别是庚20-21050机巷、庚20-21050风巷、庚20-21020机巷和庚20-21020风巷回风流2010年9月12日瓦斯浓度变化的实时曲线。经过与当天的大气压力变化曲线图3进行对比可以看出：

①庚20-21050机巷瓦斯浓度变化曲线与地面大气压力的变化之间没有明显关系，其瓦斯曲线发生波动的原因主要是在掘进机割煤时从采落煤体中涌出的瓦斯所致。

②庚20-21050风巷、庚20-21020机巷和庚20-21020风巷回风流的瓦斯浓度变化曲线以一天作为一个时间段，一般12：00左右瓦斯逐渐增高，并在15：00～16：00之間瓦斯处于最大值，18：00以后瓦斯逐渐下降，20：00以后到次日12：00之间瓦斯处于最低值并基本稳定，其瓦斯变化曲线与大气压力变化曲线基本吻合，即：庚20-21050风巷、庚20-21020机巷和庚20-21020风巷回风流的瓦斯浓度随地面大气压力变化而变化。

4.3 大气压变化与采空区瓦斯涌出的关系

经过现场查看实际情况发现：庚20-21020机巷由于巷道北侧为采空区，每天中午12：00以后，从裂隙和巷道下帮锚杆管缝中向机巷涌出大量高浓度的瓦斯（往外出风），晚上19：00以后逐渐减小到0.1%以下（往里进风），形成有规律的“呼吸”状态[8]。

而庚20-21050风巷在掘进期间采用锚网支护巷帮，采空区瓦斯通过破碎的煤柱以及管缝锚杆向风巷大量涌出，造成风巷外瓦斯传感器显示增大，多次造成瓦斯超限事故，给正常的掘进作业带来严重的安全隐患。

5 瓦斯治理措施与实施效果

5.1 瓦斯治理措施

针对以上分析结果，结合二矿实际情况，大气压变化导致采空区瓦斯异常涌出的解决途径概括为“一抽、二堵、三增风、四均压”。具体如下：

（1）“抽”即采用现有的瓦斯抽放系统对采空区进行瓦斯抽放，降低瓦斯涌出量，减缓风排瓦斯的压力。

（2）“堵”：即使用黄泥、水泥等封堵材料对采空区密闭、顶板裂隙及漏气的管缝锚杆等处进行封堵，或对漏气的采空区密闭、裂隙等处进行喷浆堵漏处理，以隔绝采空区瓦斯向采掘空间的漏风通道，降低采掘巷道瓦斯浓度。

（3）“增风”即增大工作面配风量，以提离风流稀释瓦斯的能力。

（4）“均压” 即利用均压通风技术，调节局部区域内通风压力，改变采空区流场的漏风汇，使采空区涌出的瓦斯由工作面以外的其他通道排出。

5.2 试验效果

（1）对庚20-21050风巷漏气的管缝锚杆采用黄泥封堵后，实测效果不很理想，后改为用树脂锚杆支护巷帮后，巷道瓦斯降低到静态下0.3%左右，基本达到了堵漏的效果。

（2）针对二矿庚一采区掘进工作面瓦斯涌出量大，且受采空区影响较大的实际情况，在新开掘进工作面时均采用2×30KW大功率高效对旋局部通风机、大直径风筒（φ800mm）为巷道供风，如：庚20-21050机巷采用2×30KW风机后，掘进750m时风筒末端风量还能达到560m3/min;庚20-21080和庚20-21090采面配风量分别为1800m3/min和1600m3/min。增大风量后，采掘工作面工作环境有所好转。但配风量不是无限制的增加，当配风量达到某一临界值后，再增加配风量，稀释瓦斯的效果却不会增加。

（3）对影响庚20-21020机巷瓦斯增大的庚20-21040采空区密闭观察孔延接到瓦斯抽放主管路上，对采空区实施瓦斯抽放，经抽放试验，效果不明显。后采用化学密闭材料喷涂庚20-21020机巷裂隙后，效果还是不明显，最后采用利用均压通风技术，在庚20-21020回风巷构筑2道调节风门，打开机巷2道风门，通过增阻升压，提高机巷的通风静压，减小机巷与庚20-21040采空区之间的压差。使庚20-21020机巷与庚20-21040采空区之间的压差保持动态平衡，从而抑制采空区瓦斯涌出。进行通风系统调整后，经检测，机巷瓦斯浓度降至0.05%～0.1%，达到预期的治理效果。

6 结论

矿井瓦斯按其涌出来源的不同可分为掘进区、回采区和采空区三种瓦斯涌出来源。当大气压力下降时，使矿井瓦斯涌出量增大;当大气压力升高时，矿井瓦斯涌出量减小，并且大气压力变化速率对瓦斯涌出量存在较大影响。地面大气压力变化对采煤工作面和在实体煤中掘进的掘进工作面瓦斯涌出量影响不大。但对邻近采空区的掘进巷道（沿空送巷掘进工作面）和孤岛型采煤工作面以及采空区瓦斯涌出量影响较大。针对分析结果，结合二矿实际情况，提出解决大气压变化导致采空区瓦斯异常涌出的途径，概括为“一抽、二堵、三增风、四均压”。

参考文献：

[1]武鸿久.地面大气压力变化与矿井瓦斯涌出关系探讨[J].甘肃科技，2004（10）：120-122+117.

[2]龙斯仁.地面大气物理特性参数变化对矿井回风流瓦斯浓度变化的影响[J].煤矿安全技术，1985（01）：33-38.

[3]李志远.煤矿瓦斯涌出分布规律分析与GM（1，1）预测研究[J].煤矿现代化，2018（02）：39-41.

[4]郭东旭.基于煤层瓦斯分布规律的矿井瓦斯涌出量预测研究[D].内蒙古科技大学，2015.

[5]张进.矿井瓦斯涌出及瓦斯流动预测的统计研究[D].西安科技大学，2005.

[6]樊会明.高瓦斯矿井综采工作面初采瓦斯防治技术探讨[J].能源与节能，2017（08）：142-144.

[7]张锋，邹银辉，杨贵儒.特厚煤层综掘工作面瓦斯涌出规律分析[J].能源與环保，2017，39（06）：204-207+211.

[8]张昕喆.深部煤层瓦斯流动“呼吸效应”机理研究[D].中国矿业大学，2017.

（作者单位：平顶山天安煤业股份有限公司二矿）