王月紅 教授 楊 華 王洪巖 岳凱旭

(1.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,河北 唐山 063210;2.河北省礦山開發(fā)與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 唐山 063210)

0 引言

大氣壓力是大氣層受重力作用而表現(xiàn)出的壓力,簡稱大氣壓,一個(gè)地區(qū)的大氣壓是伴隨著當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境條件變化而變化,如溫度、濕度等[1]。當(dāng)大氣壓力發(fā)生一定變化,地下煤礦井壓力也會(huì)發(fā)生變化,進(jìn)而對工作面瓦斯的涌出量造成一定影響,若瓦斯?jié)舛冗^大則會(huì)對井下工人的人身安全和煤礦的安全生產(chǎn)造成不利影響。基于此,對地面大氣壓力的變化規(guī)律進(jìn)行研究,對礦井工作面瓦斯涌出規(guī)律進(jìn)行分析,探討相互之間的關(guān)系,這對于井下瓦斯量涌出的安全防范管理十分重要[2]。煤炭是不可再生資源,2018年煤炭消費(fèi)量占能源消費(fèi)總量的59.0%[3],煤炭在一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)中仍占主體地位,然而煤炭的開采過程中經(jīng)常會(huì)發(fā)生瓦斯事故,且事故的發(fā)生與大氣壓力變化息息相關(guān)。據(jù)統(tǒng)計(jì),在國外,1868-1870年期間英國共發(fā)生525起瓦斯事故,其中49%是由于大氣壓力下降引起的[4];1910-1960年美國50%以上的瓦斯事故發(fā)生時(shí)所在地區(qū)的大氣壓降低[5]。在國內(nèi),瓦斯事故40%以上在事故發(fā)生時(shí)大氣壓也處于異常波動(dòng)狀態(tài)[6];2005年1月?lián)犴樌匣⑴_(tái)礦83001工作面發(fā)生18次瓦斯超限事故,其中44%的事故發(fā)生時(shí)大氣壓是降低狀態(tài)[7];許繼宗等[8]對2011年大氣壓的變化對綜放工作面瓦斯涌出的影響進(jìn)行研究探討。綜上,大氣壓異常波動(dòng)或氣壓降低與煤礦瓦斯涌出有著密切關(guān)聯(lián),是造成煤礦瓦斯事故的重要成因。本文根據(jù)某礦所在區(qū)域的地面大氣壓力變化監(jiān)測數(shù)據(jù)資料和礦井工作面瓦斯涌出量的變化監(jiān)測資料進(jìn)行對比分析,尋找大氣壓變化對工作面瓦斯涌出的作用影響規(guī)律,以期對礦井安全防范管理具有一定的指導(dǎo)意義。

1 大氣壓力與礦井氣壓

1.1 大氣壓變化規(guī)律

在地球表面,有幾十千米厚的大氣層,由于空氣有質(zhì)量,這厚厚的大氣層垂直疊加在一個(gè)單位面積上的作用力,稱為大氣壓力,1大氣壓力相當(dāng)于重力加速度9.806 65m/s2,溫度為0℃時(shí),760mm垂直水銀柱高的壓力[9]。大氣壓力的大小受所在位置的海拔和外界環(huán)境條件影響,海拔比較高的地方,空氣相對比較稀薄,大氣壓力也就越低,反之則大氣壓力越高,如圖1。氣壓可以分為日變化氣壓和年變化氣壓,氣壓的日變化幅度較小,并且隨著地區(qū)所在緯度的增大而減小,而氣壓在一年內(nèi)的變化是冬季氣壓較高,夏季氣壓較低。

圖1 大氣壓力隨海拔高度變化圖Fig.1 Map of atmospheric pressure variation with altitude

1.2 大氣壓變化在井下的傳播

靜壓是在流動(dòng)的空氣或者靜止的空氣中都能產(chǎn)生的壓力,靜壓隨所在地區(qū)的水平高度的不同而不同,研究表明大氣壓與井下絕對靜壓有線性對應(yīng)關(guān)系[10-12]。地表大氣壓力每時(shí)每刻都發(fā)生變化,而這些變化將進(jìn)一步影響到礦井下壓力的分布[13],這種壓力差會(huì)造成井下瓦斯異常涌出,嚴(yán)重時(shí)可能造成瓦斯超限,從而引發(fā)安全事故[14-15],這對井下工作人員的安全十分不利。因此,為了對安全管理事故進(jìn)行有效防控,研究大氣壓變化在井下的傳播規(guī)律是十分有必要的。

根據(jù)研究[16]顯示,壓力傳播的速度與聲音的傳播速度相同,所以:

(1)

式中:

v—壓力的傳播速度,m/s;

c—聲速,m/s;

P—某一點(diǎn)的大氣壓,Pa;

ρ—空氣密度,kg/m3。

所以大氣壓力變化的傳播方式和聲波的傳播方式是相同的,在氣體中根據(jù)等熵定律:P=const·ργ,對ρ求導(dǎo)可得:

(2)

式中:

const—constant的縮寫,常量;

γ—常數(shù)。

在不考慮摩擦損失、拐角損失的前提下認(rèn)為壓力的傳播從地面?zhèn)鞯骄峦咚褂砍隽勘O(jiān)測點(diǎn)時(shí)間:

t=L/c

(3)

式中:

t—時(shí)間,s。

L—地面測點(diǎn)到井下測點(diǎn)的距離,m。

延時(shí)性的表現(xiàn)基于數(shù)據(jù)的精度和精確性,若精度不夠或者數(shù)據(jù)有較大誤差,則延時(shí)性體現(xiàn)不出來。

2 工作面概況

2.1 測點(diǎn)選擇

對于測點(diǎn)的選擇,要遵循可以準(zhǔn)確測量工作面瓦斯的濃度變化且不妨礙日常的安全生產(chǎn)的原則[17]。本次研究選取該礦Y251下運(yùn)道外段掘進(jìn)工作面一處測點(diǎn),如圖2。

圖2 Y251位置示意圖Fig.2 Location diagram of Y251

Y251工作面標(biāo)高為-470～-671m,位于12水平岳胥區(qū),巷道長度為850m。Y251下運(yùn)道作為回采Y251工作面時(shí)的運(yùn)煤、回風(fēng)、行人巷使用,Y251下運(yùn)道掘進(jìn)采用壓入式通風(fēng)方式。

據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)測定,該礦井口地面大氣壓力變化在一年內(nèi)可以達(dá)到上千帕。從井口的地面大氣壓測點(diǎn)到井下瓦斯涌出量測點(diǎn)的距離大約是1 320m,根據(jù)上述計(jì)算式可得t=4s,因此,壓力的變化從地面井口傳遞到該礦Y251工作面井下測點(diǎn)有延時(shí)性,大約滯后4s。

2.2 使用儀器

儀器選擇用GJG 100 J礦用激光甲烷傳感器對工作面的瓦斯含量進(jìn)行監(jiān)測,GJG 100 J礦用激光甲烷傳感器是一種固定式本質(zhì)安全型檢測儀表,它可以精準(zhǔn)監(jiān)測并即時(shí)顯示出0%CH4～100%CH4范圍內(nèi)的瓦斯氣體濃度,還有聲光警報(bào)、故障自檢等功能,其原理圖,如圖3。

圖3 GJG100J甲烷激光傳感器原理圖Fig.3 Schematic diagram of GJG100J methane laser sensor

GJG100J礦用激光甲烷傳感器可以將監(jiān)測到的瓦斯?jié)舛绒D(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號傳遞給井上的電子設(shè)備,便于在井上進(jìn)行后續(xù)分析、處理。測量范圍及誤差,見表1。

表1 儀器測量范圍與誤差Tab.1 Instrument measuring range and error

3 地面氣壓與井下瓦斯涌出的關(guān)系

Y251下運(yùn)道外段掘進(jìn)工作面2021年4月14日～4月16日的瓦斯?jié)舛茸兓闆r,采用瓦斯?jié)舛缺硎就咚褂砍銮闆r,如圖4。

圖4 瓦斯?jié)舛茸兓瘓DFig.4 Gas concentration change map

從圖4中可以看出,在4月14日11∶00前瓦斯?jié)舛茸兓容^穩(wěn)定,一直維持在0.2%～0.4%,11∶00～16∶00瓦斯?jié)舛瘸噬呲厔?從0.41%升高到0.73%,中間略有起伏。16∶00～21∶00瓦斯?jié)舛扔殖氏陆第厔?從0.73%下降到0.15%,14日21∶00～15日12∶00,瓦斯?jié)舛瘸噬呲厔?從0.17%升高到最高0.81%,中間波動(dòng)式上升,15日12∶00～19∶00下降到0.01%,后又逐漸升高到4月16日13∶35的0.52 %,中間有些許起伏,最后瓦斯?jié)舛扔纸抵?%。

2021年4月14日～4月16日的大氣壓的變化情況,如圖5。

圖5 大氣壓變化圖Fig.5 Atmospheric pressure change map

從圖5可以看出4月14日0∶00～11∶00大氣壓比較平穩(wěn),從13∶00的101.64kPa降低至15日17∶28的99.7kPa,降低了1.94kPa,隨后又呈升高趨勢,逐漸升高至16日22∶23的101.39kPa,升高了1.69kPa。

綜合圖4和圖5來看,在大氣壓明顯下降的時(shí)間段內(nèi),即14日12∶00～15日17∶00,地面大氣壓力降低了1.94kPa,相應(yīng)時(shí)間的瓦斯?jié)舛纫渤尸F(xiàn)升高趨勢,即瓦斯?jié)舛壬吡?0.64%。當(dāng)外界發(fā)生壓降時(shí),巷道內(nèi)壓力也隨之降低,煤壁內(nèi)壓力大于外壓力,瓦斯由內(nèi)向外涌出,瓦斯?jié)舛壬?當(dāng)外界發(fā)生壓升時(shí),煤壁內(nèi)壓要小于外壓力,抑制瓦斯的涌出,瓦斯?jié)舛冉档?。因此井下瓦斯?jié)舛扰c地表大氣壓力密切關(guān)聯(lián),大氣壓力的下降速度越快,瓦斯的涌出速度就越快,大氣壓力的下降速度緩慢,則瓦斯的涌出速度變慢,如圖6。選取4月14日、15日2天大氣壓和瓦斯涌出監(jiān)測數(shù)值明顯變化階段的數(shù)據(jù)及其相應(yīng)的時(shí)間段,見表2。

表2 大氣壓力與瓦斯?jié)舛茸兓鞹ab.2 Atmospheric pressure and gas concentration change table

根據(jù)表2可得,4月14日13∶00～17∶00的大氣壓力下降速度ΔP/Δt=0.205kPa/h,對應(yīng)時(shí)間段的瓦斯?jié)舛仍黾铀俣圈/Δt=0.015%/h,4月15日0∶00～5∶00的大氣壓力的下降速度ΔP/Δt=0.053kPa/h,對應(yīng)時(shí)間段的瓦斯?jié)舛仍黾铀俣圈/Δt=0.007%/h,4月15日13∶00～17∶00大氣壓力的下降速度ΔP/Δt=0.188kPa/h,對應(yīng)時(shí)間段的瓦斯?jié)舛仍黾铀俣圈/Δt=0.008%/h。將3個(gè)時(shí)間段內(nèi)的大氣壓力下降速度數(shù)值按遞增的順序排序?yàn)?.053、0.188、0.205,則對應(yīng)的瓦斯?jié)舛仍黾铀俣鹊臄?shù)值排序?yàn)?.007、0.008、0.015,明顯可以看出瓦斯?jié)舛仍黾铀俣扰c大氣壓力下降速度基本上呈正比關(guān)系。

在以上3個(gè)時(shí)間段,大氣壓力的降低都伴隨著瓦斯?jié)舛鹊脑黾?即大氣壓力每降低0.1kPa,瓦斯?jié)舛鹊脑黾又捣謩e為:0.06/0.82=0.073%/kPa、0.04/0.32=0.125%/kPa、0.03/0.75=0.040%/kPa,3個(gè)數(shù)值都不相同。經(jīng)過以上分析可得出,大氣壓力的變化速度與井下瓦斯的涌出速度密切相關(guān),基本呈正相關(guān),但瓦斯?jié)舛鹊淖兓俣扰c大氣壓力變化的具體值關(guān)系不大。

4 結(jié)論

(1)研究得出結(jié)論,對于該地區(qū)海拔高度每增高1m氣壓降低大約10Pa,大氣壓力變化的傳播與聲波的傳遞方式相同,聲速與介質(zhì)平衡狀態(tài)的絕對溫度T的平方根成正比。地表與礦井工作面存在空間連通性,因此大氣壓力發(fā)生變化時(shí)會(huì)傳遞到井下空間,理想狀態(tài)下,該礦壓力傳播從地面?zhèn)鬟f到井下測點(diǎn)有延時(shí)滯后,延時(shí)4s。

(2)井下瓦斯?jié)舛扰c地表大氣壓力有密切關(guān)聯(lián),大氣壓力的下降速度越快,瓦斯的涌出速度就越快,大氣壓力的下降速度緩慢,則瓦斯的涌出速度變慢,瓦斯?jié)舛鹊脑黾铀俣然菊扔诖髿鈮毫Φ南陆邓俣?而與大氣壓力下降的具體值關(guān)系不大。

(3)大氣壓力變化對瓦斯涌出的影響因礦而異,因地而異,其之間的量化關(guān)系值得進(jìn)一步研究。