曹寧寧

(天地(常州)自動(dòng)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(duì)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(shí)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(cè)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(duì)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(jí)別為高瓦斯，經(jīng)過長期數(shù)據(jù)測(cè)定，礦井絕對(duì)瓦斯涌出量為10.42 m3/min，相對(duì)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(gè)月。

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

1.1 東107密閉采空區(qū)簡(jiǎn)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(duì)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(duì)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(duì)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(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，依托采空區(qū)的結(jié)構(gòu)和密封墻位置，設(shè)置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，在圖1中的A區(qū)域建立測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)的具體位置如圖2所示。

圖2 測(cè)點(diǎn)位置

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

1.2 監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)系統(tǒng)[2]。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)地面和井下測(cè)點(diǎn)參數(shù)的多維度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，其中地面測(cè)點(diǎn)主要用于對(duì)地表大氣壓和地表溫度參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采集，測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2聯(lián)合使用主要用于監(jiān)測(cè)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(duì)東107密閉采空區(qū)的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行長期監(jiān)測(cè)，通過地面與礦井聯(lián)合在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的地面主機(jī)定時(shí)保存采集數(shù)據(jù)并生成報(bào)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(duì)于采空區(qū)與外部巷道之間的差壓監(jiān)測(cè)，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(shì)，雖然兩者在一天當(dāng)中的某些時(shí)間段內(nèi)數(shù)值不能保持一致，但是總的變化趨勢(shì)是一致的；采空區(qū)內(nèi)外差壓與大氣壓的變化趨勢(shì)截然相反，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，正是由于采空區(qū)內(nèi)外差壓隨著大氣壓變化而波動(dòng)，導(dǎo)致采空區(qū)“呼吸現(xiàn)象”的產(chǎn)生；地表溫度對(duì)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(duì)于地表溫度的改變?cè)跁r(shí)間點(diǎn)上有一個(gè)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(shì)，當(dāng)大氣壓急劇下降時(shí)，瓦斯涌出量迅速上升，在大氣壓達(dá)到最低點(diǎn)時(shí)，瓦斯涌出量到達(dá)峰值；同理，當(dāng)大氣壓快速上升時(shí)，瓦斯涌出量持續(xù)下降。

通過對(duì)多日數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)采集和研究，同時(shí)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(dòng)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(shì)，地表溫度上升時(shí)，大氣壓呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，地表溫度下降時(shí)，大氣壓呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但是大氣壓相對(duì)于地表溫度的變化有一個(gè)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(dòng)作。然而大氣壓對(duì)采空區(qū)內(nèi)外差壓的影響是實(shí)時(shí)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(shí)，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(shí)，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(duì)密封的先決條件下，大氣壓利用密封墻縫隙對(duì)采空區(qū)與外部巷道氣體的交換進(jìn)行作用[1]?；诖耍煽諈^(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(gè)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(huì)壓縮，相反，氣體上的壓強(qiáng)減小時(shí)，其體積就會(huì)隨之膨脹[4]。因此當(dāng)?shù)乇泶髿鈮杭眲≡黾訒r(shí)，礦井中工作面和巷道中的風(fēng)壓就會(huì)升高，風(fēng)壓對(duì)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(shí)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(shí)當(dāng)?shù)乇泶髿鈮杭眲∠陆禃r(shí)，外部巷道的風(fēng)壓減弱，采空區(qū)逐漸變?yōu)椤罢龎骸保藭r(shí)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(duì)采空區(qū)瓦斯外涌的影響程度，因此為了防止瓦斯外涌對(duì)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(shí)加強(qiáng)噴漿處理，以減弱大氣壓變化對(duì)采空區(qū)內(nèi)外差壓波動(dòng)的影響程度，降低瓦斯外涌量；③對(duì)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(cè)與治理系統(tǒng)。①加強(qiáng)地表大氣參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(cè)與預(yù)警進(jìn)行協(xié)同控制；②對(duì)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(duì)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(gè)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(shí)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(duì)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(cè)，同時(shí)基于監(jiān)測(cè)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(shí)間段內(nèi)，采空區(qū)內(nèi)外差壓雖然也會(huì)有反向趨勢(shì)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(shí)采空區(qū)的瓦斯只在大氣壓急劇下降的時(shí)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(tái)，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(shì)，有一個(gè)時(shí)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(shí)性的，不存在延時(shí)，兩者變化趨勢(shì)相反；采空區(qū)內(nèi)差壓大于外差壓時(shí)瓦斯外涌。簡(jiǎn)言之，大氣壓急劇下降時(shí)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(shí)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(duì)有同類問題的礦井采空區(qū)瓦斯治理有一定借鑒意義。