彭 斌，聶百勝，申杰升，劉鵬程，葛 澤

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 100083; 2.煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083; 3.共伴生能源精準(zhǔn)開(kāi)采北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

目前我國(guó)煤礦以綜采、綜放等高強(qiáng)度開(kāi)采方式為主。由于綜采、綜放開(kāi)采方式強(qiáng)度大、生產(chǎn)集中、推進(jìn)速度快，工作面生產(chǎn)結(jié)束并封閉后，會(huì)形成大面積采空區(qū)。采空區(qū)封閉質(zhì)量和外界環(huán)境條件發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)影響臨近采掘空間的安全生產(chǎn)。

地面大氣溫度和濕度的變化引起地面大氣壓的波動(dòng)，這是人力無(wú)法控制的。研究表明，地面大氣壓的變化會(huì)直接影響礦井的通風(fēng)能量[1]，促使礦井采空區(qū)產(chǎn)生“呼吸”現(xiàn)象，并導(dǎo)致采空區(qū)瓦斯的異常涌出[2-4]，對(duì)礦井安全生產(chǎn)帶來(lái)很大威脅。有關(guān)文獻(xiàn)顯示在葦湖梁煤礦、淮南礦業(yè)集團(tuán)潘二煤礦、神華神東煤炭集團(tuán)寸草塔煤礦、淮北岱河礦業(yè)有限責(zé)任公司、鐵法煤業(yè)集團(tuán)小青煤礦、安陽(yáng)永安賀駝煤礦有限公司、內(nèi)蒙古察哈素礦、峰峰集團(tuán)大淑村礦等煤礦的封閉采空區(qū)密閉設(shè)施附近均存在“呼吸”現(xiàn)象[5-14]。

在高瓦斯礦井和煤與瓦斯突出礦井中，工作面回采過(guò)程中以及停采封閉后，通常利用上隅角埋管抽放、高位巷抽放等方式治理采空區(qū)瓦斯以消除采空區(qū)瓦斯對(duì)臨近采掘工作面安全生產(chǎn)的威脅。采空區(qū)的瓦斯抽放會(huì)持續(xù)較長(zhǎng)的時(shí)間，封閉采空區(qū)長(zhǎng)期處于一種負(fù)壓狀態(tài)，當(dāng)采空區(qū)封閉質(zhì)量下降后，面臨的主要問(wèn)題是外界空氣通過(guò)漏風(fēng)通道進(jìn)入封閉采空區(qū)，如果煤層有自燃傾向，將會(huì)有采空區(qū)遺煤自然發(fā)火的安全隱患[15-16],甚至引發(fā)采空區(qū)瓦斯爆炸[17]。

對(duì)于低瓦斯礦井，隨著時(shí)間的推移，封閉采空區(qū)瓦斯儲(chǔ)量會(huì)逐漸增大，采空區(qū)的封閉質(zhì)量在地應(yīng)力、采掘作業(yè)擾動(dòng)下會(huì)有所降低，如果采空區(qū)內(nèi)外壓力失衡，采空區(qū)瓦斯則沿著漏風(fēng)通道向密閉外側(cè)緩慢涌出，密閉外側(cè)有瓦斯?jié)舛瘸薜陌踩[患。

掌握礦區(qū)不同地面大氣參數(shù)條件下封閉采空區(qū)“呼吸”現(xiàn)象特征和產(chǎn)生機(jī)理，設(shè)計(jì)安全可行的防控技術(shù)方案，對(duì)于預(yù)防低瓦斯礦井封閉采空區(qū)密閉處的瓦斯異常涌出和瓦斯超限問(wèn)題，具有重要的指導(dǎo)意義和工程價(jià)值。

1 現(xiàn)場(chǎng)封閉采空區(qū)“呼吸”現(xiàn)象特征

1.1 現(xiàn)場(chǎng)概況

正利煤礦井田東西寬2.6 km，南北長(zhǎng)3.7 km，井田面積9.26 km2。井田內(nèi)含可采及局部可采煤層有4-1，4，7，9號(hào)煤層，傾角5°～12°。礦井采用立井開(kāi)拓，通風(fēng)方式為中央并列式，通風(fēng)方法為機(jī)械抽出式，通風(fēng)系統(tǒng)如圖1所示。

14-1103工作面處于一采區(qū)4-1號(hào)煤層，煤層平均厚度為3.04 m，為自燃煤層。14-1103工作面上、下臨近層分別為3-2號(hào)煤層和4號(hào)煤層，平均層間距分別為5.7 m和3.9 m，其中3-2號(hào)為不可采煤層。4-1號(hào)煤層瓦斯原始含量和殘存含量分別為4.82 m3/t和2.33 m3/t，4號(hào)煤層瓦斯原始含量和殘存含量分別為6.09 m3/t和3.18 m3/t。開(kāi)采一采區(qū)4-1號(hào)煤層回采工作面時(shí)，礦井最大絕對(duì)瓦斯涌出量為28.35 m3/min，最大相對(duì)瓦斯涌出量為8.98 m3/t，礦井按低瓦斯等級(jí)進(jìn)行管理。

圖1 正利煤礦通風(fēng)系統(tǒng)立體示意Fig.1 Diagram of ventilation system in Zhengli coal mine

14-1103工作面傾向長(zhǎng)度約178 m，走向長(zhǎng)度約2 000 m，采高3.3 m。沿傾向的相鄰工作面為14-1102工作面和14-1104工作面。終采面距離保安煤柱線(xiàn)約18.4 m，密閉墻距離終采面約10 m，密閉墻寬度、高度和厚度分別為4.6，3.5和3 m。該工作面回采過(guò)程中，曾采用低負(fù)壓抽放系統(tǒng)治理工作面上隅角瓦斯，工作面停采封閉后沒(méi)有進(jìn)行瓦斯抽放。

礦區(qū)海拔大約為1 150 m，空氣稀薄、干燥少云，白天地面接收大量的太陽(yáng)輻射能量，近地面層的氣溫上升迅速，晚上地面散熱極快，地面氣溫急劇下降。因此，礦區(qū)最晝夜溫差很大。溫差較大的氣候環(huán)境導(dǎo)致14-1103封閉采空區(qū)容易發(fā)生“呼吸”現(xiàn)象，如圖2所示。

圖2 密閉內(nèi)外壓差、密閉外瓦斯體積分?jǐn)?shù)及地面空氣溫度Fig.2 Differential pressure between seal’s inside and outside,gas concentration of the seal’s outside and ground atmospheric temperature

當(dāng)?shù)V區(qū)處于高溫時(shí)段時(shí)，采空區(qū)內(nèi)氣壓小于密閉外空氣靜壓，當(dāng)打開(kāi)密閉措施管上的測(cè)試孔時(shí)，可以觀察到采空區(qū)往內(nèi)吸入空氣;地面空氣處于高溫時(shí)段時(shí)，采空區(qū)瓦斯壓力大于密閉外空氣壓力，當(dāng)打開(kāi)密閉措施管上的測(cè)試孔時(shí)，可以觀察到采空區(qū)往外涌出瓦斯。

為了預(yù)防由于“呼吸”現(xiàn)象導(dǎo)致密閉外側(cè)瓦斯?jié)舛瘸蓿F(xiàn)場(chǎng)通過(guò)注漿來(lái)減少密閉以及周邊煤巖體的漏風(fēng)通道，并利用擴(kuò)散風(fēng)流稀釋涌出的瓦斯并將其帶入采區(qū)回風(fēng)巷。這種方法在短時(shí)間內(nèi)能解決密閉處的瓦斯積聚問(wèn)題，但是在礦壓的長(zhǎng)期作用下，密閉設(shè)施的封閉質(zhì)量會(huì)逐漸降低，采空區(qū)內(nèi)高體積分?jǐn)?shù)瓦斯在正壓差作用下向外部涌出的強(qiáng)度會(huì)逐漸增大。當(dāng)密閉外風(fēng)量不足時(shí)，則容易出現(xiàn)瓦斯超限問(wèn)題。

1.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

針對(duì)正利煤礦封閉采空區(qū)“呼吸”現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試了不同季節(jié)下的地面大氣參數(shù)、14-1103工作面運(yùn)輸巷密閉內(nèi)外壓差和密閉外瓦斯體積分?jǐn)?shù)，并綜合分析了各參數(shù)間的相關(guān)性。

1.2.1 密閉內(nèi)外側(cè)壓力的變化特征

由圖3可知，從宏觀上看，在日周期內(nèi)，密閉內(nèi)側(cè)氣壓相對(duì)穩(wěn)定，密閉內(nèi)外壓差與密閉外側(cè)空氣靜壓的變化趨勢(shì)相反。說(shuō)明密閉外側(cè)空氣靜壓是密閉內(nèi)外壓差變化與否的主導(dǎo)因素。

從細(xì)觀上看，采空區(qū)密閉內(nèi)側(cè)氣壓也有明顯的變化規(guī)律，如圖4所示。由圖4可知，在正壓差的持續(xù)作用下，采空區(qū)內(nèi)瓦斯向密閉外側(cè)緩慢涌出，采空區(qū)內(nèi)壓力整體逐漸降低。由圖4(c)可知，在負(fù)壓差持續(xù)作用下，密閉外側(cè)空氣向采空區(qū)內(nèi)緩慢涌入，采空區(qū)內(nèi)壓力整體逐漸升高。另外，采空區(qū)內(nèi)氣體壓力變化幅度不超過(guò)100 Pa，說(shuō)明采空區(qū)內(nèi)外氣體交換量較小。

圖3 密閉內(nèi)、外側(cè)氣壓變化趨勢(shì)Fig.3 Variation trend on barometric pressure of seal’s inside and outside

圖4 密閉內(nèi)側(cè)壓力變化趨勢(shì)Fig.4 Variation trend on pressure of seal’s inside

圖5 密閉內(nèi)外壓差與地面大氣溫度線(xiàn)性關(guān)系擬合Fig.5 Linear fitting for differential pressure and ground atmospheric temperature

圖6 密閉內(nèi)外壓差與地面大氣壓線(xiàn)性關(guān)系擬合Fig.6 Linear fitting for differential pressure and ground atmospheric pressure

1.2.2 密閉內(nèi)外壓差與地面大氣參數(shù)的相關(guān)性

分析了不同季節(jié)條件下密閉內(nèi)外壓差隨礦區(qū)地面大氣參數(shù)的變化情況，典型的分析結(jié)果如圖5，6所示。

由圖5可知，隨著地面大氣溫度升高，密閉內(nèi)外壓差也在逐漸增大，兩者的線(xiàn)性擬合優(yōu)度在0.72～0.92，說(shuō)明地面大氣溫度對(duì)密閉內(nèi)外壓差有明顯的影響。由圖6可知，隨著地面大氣壓的增大，密閉內(nèi)外壓差呈減小趨勢(shì)，兩者的線(xiàn)性擬合優(yōu)度在0.77～0.95，說(shuō)明密閉內(nèi)外壓差受地面大氣壓的影響非常明顯。

圖6顯示密閉內(nèi)外壓差隨著地面大氣壓的升高而降低，而圖3顯示密閉內(nèi)外壓差隨著密閉外靜壓的升高而降低，可以推斷密閉外靜壓與地面大氣壓之間存在一定的關(guān)聯(lián)性。由圖7可知，井下密閉外側(cè)空氣靜壓隨著地面大氣壓的升高而升高，兩者的線(xiàn)性關(guān)系擬合優(yōu)度在0.86～0.96。

1.2.3 密閉內(nèi)外壓差與密閉外側(cè)瓦斯體積分?jǐn)?shù)的相關(guān)性

在地面溫度較高的溫暖季節(jié)，在正壓差的作用下，采空區(qū)內(nèi)瓦斯會(huì)通過(guò)密閉及周?chē)严堵砍鲋撩荛]外側(cè)。由于密閉外側(cè)屬于擴(kuò)散通風(fēng)區(qū)域且風(fēng)流流量非常小，密閉外側(cè)會(huì)出現(xiàn)瓦斯積聚。

由圖8可以看出，壓差越大，密閉外側(cè)瓦斯體積分?jǐn)?shù)越高，且兩者的線(xiàn)性關(guān)系擬合優(yōu)度在0.87～1.00，說(shuō)明壓差與瓦斯體積分?jǐn)?shù)之間有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。

圖7 密閉外側(cè)靜壓與地面大氣壓線(xiàn)性關(guān)系擬合Fig.7 Linear fitting for static air pressure of seal’s outside and ground atmospheric pressure

圖8 密閉外瓦斯體積分?jǐn)?shù)與密閉內(nèi)外壓差線(xiàn)性關(guān)系擬合Fig.8 Linear fitting for gas concentration of seal’s outside and differential pressure

綜上所述，在不同季節(jié)，地面空氣溫度升高會(huì)使得地面大氣壓降低，井下風(fēng)流絕對(duì)壓力受地面大氣壓的影響也會(huì)同步降低，反之亦然。封閉采空區(qū)內(nèi)氣壓相對(duì)恒定，密閉外側(cè)空氣靜壓波動(dòng)使得密閉內(nèi)外側(cè)之間形成較大的壓差，并且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。如果正壓差狀態(tài)維持時(shí)間較長(zhǎng)，采空區(qū)內(nèi)瓦斯會(huì)緩慢涌出到密閉外側(cè)并逐漸集聚;如果負(fù)壓差狀態(tài)維持時(shí)間較長(zhǎng)，則密閉外側(cè)空氣會(huì)緩慢涌入采空區(qū);如果正負(fù)壓差交替出現(xiàn)，前述2種氣體流動(dòng)狀態(tài)亦會(huì)不斷地轉(zhuǎn)換。

2 封閉采空區(qū)“呼吸”現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理

封閉采空區(qū)可視為一個(gè)處于弱平衡狀態(tài)的半封閉容器，采空區(qū)內(nèi)、外氣體狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，這種平衡就有可能被打破，采空區(qū)內(nèi)外會(huì)產(chǎn)生氣體交換，從而呈現(xiàn)出“呼氣”和“吸氣”現(xiàn)象。這類(lèi)現(xiàn)象的影響因素主要包括:采空區(qū)煤柱、遺煤及導(dǎo)氣裂隙帶內(nèi)鄰近煤巖層的補(bǔ)充瓦斯[18]、外部惰性氣體的注入[19]、地面大氣壓[20]、通風(fēng)系統(tǒng)變化[21]、密閉質(zhì)量[22]，采空區(qū)疏放水過(guò)程中的“水氣置換”[23]以及鄰近采空區(qū)上覆巖層間的離層裂縫[24]。

正利煤礦封閉采空區(qū)“呼吸”現(xiàn)象的特征表明密閉內(nèi)外壓差受采空區(qū)內(nèi)氣體狀態(tài)和地面大氣參數(shù)的共同制約，地面大氣參數(shù)波動(dòng)是導(dǎo)致“呼吸”現(xiàn)象產(chǎn)生的根本原因。因此，本文著重分析地面大氣參數(shù)影響下封閉采空區(qū)密閉處“呼吸”現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理。

2.1 密閉內(nèi)外側(cè)氣壓變化的致因分析

(1)密閉外空氣靜壓的波動(dòng)。

為了有針對(duì)性的分析密閉外側(cè)風(fēng)流壓力變化情況，不考慮其他生產(chǎn)工作面的影響，將實(shí)際礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，如圖9所示。

圖9 簡(jiǎn)化通風(fēng)系統(tǒng)Fig.9 Simplified ventilation system

在實(shí)際中，礦井總風(fēng)壓和總風(fēng)量也變化不大，可以認(rèn)為井下空氣流動(dòng)是穩(wěn)定流動(dòng);對(duì)井深不超過(guò)1 000 m的礦井，空氣密度變化不大，可近似認(rèn)為不可壓縮流體。所以可以應(yīng)用不可壓縮流體的能量方程式來(lái)分析礦井通風(fēng)的實(shí)際問(wèn)題[25]。

首先確定井口至封閉采空區(qū)密閉外側(cè)通風(fēng)路線(xiàn)，并沿風(fēng)流方向?qū)?jié)點(diǎn)和風(fēng)路按先后順序進(jìn)行編號(hào)，然后根據(jù)單位體積空氣的伯努利能量方程可以得出井口和密閉外側(cè)的通風(fēng)能量關(guān)系表達(dá)式，即

(1)

式中，p0為井口大氣壓;pso為與密閉外側(cè)相鄰的節(jié)點(diǎn)處的風(fēng)流靜壓;ρm0，ρmsg分別為井口和密閉外側(cè)相對(duì)于井底的空氣柱平均密度;Z0，Zsg分別為井口和密閉外側(cè)相對(duì)于井底的高差;vso為密閉外側(cè)風(fēng)速，j為井口至采空區(qū)密閉外側(cè)各段風(fēng)路編號(hào)。

p2+Ep2=(p7+pv7+Ep7)+h3+h4+h5+h6

(2)

式中，p2，Ep2分別為節(jié)點(diǎn)②處的靜壓和位能；p7,pv7和Ep7分別為節(jié)點(diǎn)⑦處的靜壓、動(dòng)壓和位能；h3～h6分別為風(fēng)路3～6的通風(fēng)阻力。

將式(2)中p2和p7分別用p0和pO替代，由式(2)可得密閉外側(cè)空氣靜壓與井口大氣壓之間的關(guān)系，即

(3)

式中，pO為密閉外側(cè)空氣靜壓;p0為副井口大氣壓;ρm3，ρm5分別為風(fēng)路3，5中空氣平均密度;Z2，Z6分別為節(jié)點(diǎn)②和節(jié)點(diǎn)⑦相對(duì)于井底的高差;ρ7和v7分別為節(jié)點(diǎn)7處風(fēng)流空氣密度和速度;R3，R4，R5和R6分別為風(fēng)路3，4，5，6的風(fēng)阻;Q3，Q4，Q5和Q6分別為風(fēng)路3，4，5，6的風(fēng)量;g為重力加速度。

由式(3)可知，采空區(qū)密閉外側(cè)空氣靜壓受井口大氣壓、風(fēng)流參數(shù)和井巷特征的綜合影響。當(dāng)?shù)V井風(fēng)機(jī)工況參數(shù)不變時(shí)，井巷風(fēng)量變化不大，密閉外側(cè)靜壓主要受井口大氣壓的影響;當(dāng)主通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓升高或降低時(shí)，礦井總風(fēng)量以及各井巷配風(fēng)量也會(huì)相應(yīng)的增加或減少，如果風(fēng)機(jī)風(fēng)壓的調(diào)整在短時(shí)間內(nèi)完成，可以認(rèn)為在該時(shí)間段內(nèi)井口大氣壓基本不變，則密閉外側(cè)空氣靜壓就會(huì)呈現(xiàn)突然降低或增高的趨勢(shì);當(dāng)主通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓不變，井巷風(fēng)阻發(fā)生變化時(shí)，密閉外側(cè)空氣靜壓也會(huì)發(fā)生變化。

(2)采空區(qū)內(nèi)氣壓的變化。

停采工作面封閉后，大量高體積分?jǐn)?shù)瓦斯會(huì)積存在該封閉空間內(nèi)，假設(shè)該空間內(nèi)的氣體狀態(tài)參數(shù)符合理想氣體狀態(tài)方程:

pIV=nRT

(4)

式中，pI為采空區(qū)內(nèi)氣體壓強(qiáng);V為封閉空間體積;n為氣體物質(zhì)的量;T為體系溫度;R為氣體常數(shù)。

當(dāng)封閉空間體積和氣體物質(zhì)的量不變時(shí)，氣體參數(shù)變化符合ΔpI=nRΔT/V，則壓強(qiáng)變化值ΔpI與體系溫度變化值ΔT成正比;當(dāng)封閉空間體積和體系溫度不變時(shí)，而氣體物質(zhì)的量發(fā)生了變化時(shí)，氣體參數(shù)變化符合ΔpI=ΔnRT/V，則壓強(qiáng)變化值ΔpI與氣體物質(zhì)的量變化值Δn成正比[26-28]。

由式(3),(4)可得到圖9中封閉采空區(qū)密閉內(nèi)外壓差表達(dá)式:

(5)

由式(5)可以看出，密閉內(nèi)外壓差受地面大氣壓、風(fēng)流參數(shù)、井巷特征和采空區(qū)內(nèi)氣壓的綜合影響。

2.2 采空區(qū)與外界的氣體交換

文獻(xiàn)[29]提出垮落較好的回采工作面采空區(qū)在無(wú)風(fēng)流作用的條件下，采空區(qū)內(nèi)瓦斯的涌出過(guò)程系多孔介質(zhì)中的緩慢滲流。封閉采空區(qū)內(nèi)瓦斯的涌出和外界空氣的涌入亦屬于多孔介質(zhì)中的緩慢滲流。因此，封閉采空區(qū)內(nèi)氣體與外界空氣在密閉處的物質(zhì)交換過(guò)程可以運(yùn)用達(dá)西定律來(lái)分析。兩類(lèi)采空區(qū)不同之處在于，工作面采空區(qū)內(nèi)氣壓會(huì)與工作面空氣壓力保持動(dòng)態(tài)平衡，而封閉采空區(qū)內(nèi)瓦斯壓力與密閉外側(cè)空氣壓力有較大差異，兩者保持動(dòng)態(tài)平衡的時(shí)間非常短暫。

假設(shè)封閉采空區(qū)無(wú)其他漏風(fēng)通道，風(fēng)流由進(jìn)風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷流經(jīng)密閉外側(cè)到回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷(圖10)。設(shè)密閉內(nèi)側(cè)瓦斯的絕對(duì)壓力為pI，密閉外側(cè)空氣的通風(fēng)絕對(duì)壓力為pO，在內(nèi)外壓差Δp(Δp=pI-pO)的驅(qū)動(dòng)下，采空區(qū)內(nèi)含瓦斯空氣和外界空氣通過(guò)密閉及周邊裂隙通進(jìn)行物質(zhì)交換。

圖10 封閉采空區(qū)示意Fig.10 Diagram of sealed goaf

假定密閉的滲透率為k;瓦斯的動(dòng)黏系數(shù)為μc;采空區(qū)外界空氣動(dòng)黏系數(shù)為μa;密閉厚度為Δx;密閉截面積為F0。由于密閉斷面較大，瓦斯流速低，系層流流動(dòng)。對(duì)于采空區(qū)“呼氣”過(guò)程，以原工作面回采方向作為X軸的負(fù)方向時(shí)，按達(dá)西定律有:

(6)

式中，vx為單位時(shí)間內(nèi)單位面積流出的瓦斯量;q為單位時(shí)間內(nèi)全斷面瓦斯的涌出量。

假設(shè)采空區(qū)內(nèi)瓦斯流出后快速擴(kuò)散于密閉外微弱風(fēng)流中，令密閉外側(cè)風(fēng)量為Q，則密閉外側(cè)瓦斯體積分?jǐn)?shù):

(7)

由式(7)可知，在密閉質(zhì)量不變的情況下，壓差Δp決定了單位時(shí)間內(nèi)密閉外瓦斯的體積分?jǐn)?shù)。

近年來(lái)，涇川縣深入推進(jìn)扶貧攻堅(jiān)工程，把蔬菜產(chǎn)業(yè)作為強(qiáng)縣富民的支柱產(chǎn)業(yè)來(lái)抓，以農(nóng)民增收為目標(biāo)，以現(xiàn)代蔬菜產(chǎn)業(yè)園建設(shè)為突破口，不斷擴(kuò)大蔬菜種植規(guī)模。引進(jìn)推廣蔬菜種植高新技術(shù)，延伸蔬菜產(chǎn)業(yè)鏈條，規(guī)范無(wú)公害種植標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)了蔬菜產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效，全縣蔬菜產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出持續(xù)快速健康發(fā)展的良好勢(shì)頭。

對(duì)于采空區(qū)“吸氣”過(guò)程，以原工作面回采方向作為X軸的正方向。將式(6)中μc替換為μa即可得到單位時(shí)間內(nèi)外界空氣涌入量的計(jì)算式。

3 “呼吸”現(xiàn)象防控技術(shù)方案

為了防止因封閉采空區(qū)“呼吸”現(xiàn)象而導(dǎo)致密閉外側(cè)瓦斯體積分?jǐn)?shù)超限，在采空區(qū)密閉預(yù)留措施管上延伸了瓦斯釋放管路并安裝了手動(dòng)調(diào)節(jié)閥，將采空區(qū)內(nèi)高體積分?jǐn)?shù)瓦斯釋放至采區(qū)回風(fēng)巷。手動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程中，至少需要兩人配合，一人調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度，一人在釋放區(qū)域觀測(cè)瓦斯體積分?jǐn)?shù)是否超限，并且在井下通訊也不方便，整個(gè)過(guò)程耗時(shí)耗力，調(diào)控效率低。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，提出了封閉采空區(qū)瓦斯釋放自動(dòng)調(diào)控技術(shù)方案。

3.1 控制參數(shù)與調(diào)控準(zhǔn)則

封閉采空區(qū)瓦斯釋放的開(kāi)始與停止都有一定的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，這是人工難以準(zhǔn)確掌控的。在瓦斯釋放管路上安裝電動(dòng)調(diào)節(jié)閥并配套自動(dòng)控制裝置后便能很好的解決這個(gè)問(wèn)題。

閥門(mén)的開(kāi)啟、關(guān)閉和開(kāi)度微調(diào)需要確定合理的控制參數(shù)和調(diào)控準(zhǔn)則。實(shí)現(xiàn)瓦斯自動(dòng)釋放的同時(shí)，需要考慮釋放區(qū)域的瓦斯超限問(wèn)題。另外，還需要考慮瓦斯釋放停止后釋放管路末端空氣回流問(wèn)題。根據(jù)“呼吸”現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)制，將壓差作為主要控制參數(shù);根據(jù)行業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)，將釋放區(qū)域瓦斯體積分?jǐn)?shù)作為輔助控制參數(shù)。

(1)基于壓差的調(diào)控準(zhǔn)則。

在未安裝釋放管路前，密閉外預(yù)留孔的壓差檢測(cè)結(jié)果顯示，當(dāng)密閉內(nèi)外壓差達(dá)到300 Pa時(shí)，瓦斯往密閉外涌出非常明顯，如圖11所示。安裝釋放管路后，管道上預(yù)留孔的壓差監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，在瓦斯釋放正常時(shí)段，管道內(nèi)氣體處于負(fù)壓狀態(tài)，當(dāng)管道內(nèi)負(fù)壓降至-300 Pa以下時(shí)，瓦斯釋放自行停止，如圖12所示。因此，需要根據(jù)壓差控制閥門(mén)的開(kāi)啟與關(guān)閉。

圖11 管道檢測(cè)孔壓差與瓦斯流量對(duì)比Fig.11 Comparison of pressure difference and gas flow in pipe detection hole

圖12 管道檢測(cè)孔壓差與釋放區(qū)域瓦斯體積分?jǐn)?shù)對(duì)比Fig.12 Comparison of pressure difference and gas concentration in release zone

(2)基于釋放區(qū)域瓦斯體積分?jǐn)?shù)的調(diào)控準(zhǔn)則。

采空區(qū)瓦斯通過(guò)管道釋放至采區(qū)回風(fēng)巷，在閥門(mén)全開(kāi)狀態(tài)下，釋放口下風(fēng)側(cè)瓦斯體積分?jǐn)?shù)能超過(guò)1.2%，如圖13所示?！睹旱V安全規(guī)程》第136條規(guī)定，采區(qū)回風(fēng)巷、采掘工作面回風(fēng)巷風(fēng)流中瓦斯體積分?jǐn)?shù)不能超過(guò)1.0%[30]。因此，需要利用瓦斯體積分?jǐn)?shù)信號(hào)對(duì)管道瓦斯流量進(jìn)行控制。

圖13 釋放區(qū)域瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)Fig.13 Variation trend of gas concentration in release zone

結(jié)合瓦斯釋放時(shí)間段內(nèi)密閉內(nèi)外的壓差以及釋放口下風(fēng)側(cè)瓦斯體積分?jǐn)?shù)的觀測(cè)結(jié)果，確定了利用壓差和瓦斯體積分?jǐn)?shù)聯(lián)合控制釋放管路電控閥門(mén)的調(diào)控準(zhǔn)則，將壓差的控制閾值設(shè)置為-300 Pa，釋放區(qū)甲烷體積分?jǐn)?shù)的控制閾值設(shè)置為0.8%。

(3)瓦斯釋放分級(jí)調(diào)控邏輯。

在采空區(qū)瓦斯能夠釋放時(shí)，必須兼顧釋放區(qū)域的瓦斯安全體積分?jǐn)?shù)，閥門(mén)不能一開(kāi)到底。因此，為了保障采空區(qū)內(nèi)瓦斯安全釋放，提出了瓦斯釋放分級(jí)調(diào)控思路，設(shè)計(jì)了以PLC控制器和信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊為載體的自動(dòng)調(diào)控邏輯，如圖14所示。

圖14 自動(dòng)調(diào)控邏輯Fig.14 Automatic control logic

在控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)段內(nèi)，如果壓差大于調(diào)節(jié)閾值，將閥門(mén)開(kāi)至25%并保持閥位5 min，5 min后如果壓差大于設(shè)定閾值且瓦斯體積分?jǐn)?shù)小于設(shè)定閾值，則將閥門(mén)開(kāi)至50%，在之后的時(shí)間段里如果壓差和瓦斯體積分?jǐn)?shù)一直滿(mǎn)足前述條件，則閥門(mén)開(kāi)度每5 min增加25%;如果壓差大于設(shè)定閾值，而瓦斯體積分?jǐn)?shù)大于設(shè)定閾值，則閥門(mén)開(kāi)度每5 min減小25%;如果壓差小于設(shè)定閾值，則閥門(mén)開(kāi)度每5 min減小25%。

3.2 自動(dòng)監(jiān)測(cè)調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

為了安全、高效地釋放采空區(qū)瓦斯，有效、便捷地解決因采空區(qū)“呼吸”現(xiàn)象而導(dǎo)致密閉外側(cè)瓦斯超限問(wèn)題，設(shè)計(jì)了封閉采空區(qū)瓦斯釋放自動(dòng)監(jiān)測(cè)調(diào)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由監(jiān)測(cè)信號(hào)采集子系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)控制子系統(tǒng)和管道抑爆子系統(tǒng)組成，系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施方案分別如圖15，16所示。系統(tǒng)硬件設(shè)備主要包括PLC控制箱、電動(dòng)閥門(mén)、礦用低體積分?jǐn)?shù)瓦斯傳感器等。

圖15 封閉采空區(qū)瓦斯自動(dòng)釋放監(jiān)測(cè)調(diào)控系統(tǒng)原理Fig.15 Schematic of monitoring and control system of automatic gas release for sealed goaf

圖16 現(xiàn)場(chǎng)安裝示意Fig.16 Schematic diagram of field installation

PLC控制箱主要實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)閥門(mén)開(kāi)度的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)管道流量以及瓦斯釋放區(qū)域瓦斯體積分?jǐn)?shù)的控制。PLC控制箱內(nèi)置三相1 140轉(zhuǎn)380 V變壓器、三菱PLC模塊。變壓器的功能是從井下三相1 140 V配電點(diǎn)取電，并輸出380 V三相電，為電動(dòng)閥門(mén)執(zhí)行器提供動(dòng)力。PLC模塊的功能是接收管道差壓和瓦斯體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測(cè)信號(hào)，運(yùn)行控制程序，給電動(dòng)閥門(mén)傳送閥門(mén)開(kāi)度指令，并接收閥門(mén)開(kāi)度的反饋信號(hào)。

4 結(jié) 論

(1)在不同季節(jié)，密閉內(nèi)外壓差與地面空氣溫度變化趨勢(shì)基本相同，與地面大氣壓的變化趨勢(shì)相反。在一定的周期內(nèi)，地面大氣壓與封閉采空區(qū)密閉外大氣壓呈線(xiàn)性關(guān)系。地面大氣壓力的波動(dòng)會(huì)引起井下密閉外大氣壓力同步變化，而封閉采空區(qū)內(nèi)的瓦斯壓力相對(duì)穩(wěn)定，從而引起密閉內(nèi)外壓差時(shí)正時(shí)負(fù)。

(2)封閉采空區(qū)密閉內(nèi)外側(cè)正壓差是采空區(qū)內(nèi)瓦斯涌出的直接動(dòng)力。當(dāng)壓差為正值且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，采空區(qū)瓦斯向密閉外側(cè)涌出并在密閉外側(cè)靠近頂板處積聚，兩者呈明顯的線(xiàn)性關(guān)系。

(3)理論分析表明，封閉采空區(qū)“呼吸”現(xiàn)象的產(chǎn)生是密閉內(nèi)外側(cè)壓差正負(fù)交替所引起的氣體交換現(xiàn)象。這種現(xiàn)象受地面大氣壓、風(fēng)流參數(shù)、井巷特征、采空區(qū)內(nèi)氣壓以及密閉質(zhì)量的綜合影響。在井巷風(fēng)量、井巷特征和密閉質(zhì)量保持穩(wěn)定的條件下，地面大氣壓和采空區(qū)內(nèi)氣壓是“呼吸”現(xiàn)象產(chǎn)生的關(guān)鍵影響因素。

(4)根據(jù)瓦斯釋放時(shí)間段密閉內(nèi)外的壓差和瓦斯釋放區(qū)域瓦斯體積分?jǐn)?shù)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，確定了利用壓差和瓦斯體積分?jǐn)?shù)聯(lián)合控制釋放管路電控閥門(mén)的調(diào)控方案，并提出了電控閥門(mén)開(kāi)度的分級(jí)調(diào)控邏輯思路，為后期調(diào)控設(shè)備的選型和系統(tǒng)研制提供了理論依據(jù)。