封闭采空区瓦斯涌出影响因素及防治措施

程磊

（淮南矿业集团潘二煤矿，安徽 淮南 232001）

1 地面大气压的变化

地面大气压不同的时间、气候和地点，其值不尽相同，但是地面气压的变化并非无规律可寻，实际情况看，地面的大气压主要存在以下规律。

随着标高的变化，标高越高，空气密度越小，造成气压越低；相同条件下，干空气的气压比湿空气气压高，造成从赤道到南北极，气压不断变大；一年四季的不同季节的大气压也是不同的，比如陆地上冬天的大气压比夏天高的原因就是不同季节陆地和海洋之间的空气扩散方向不同；另外就是气候条件的不同造成气压不同，比如阴雨天气的空气湿度大，造成大气密度降低，气压相对晴天较低；最明显的就是一天的大气压的变化，通过观测，上午9～10时为一天的气压最高值，下午15～16时为一天气压的最低值，这主要和大气的辐射运动有关[4]。

2 封闭区域瓦斯运移决定因素

以井下采空区封闭墙为例，认为封闭区域内的气体参数不变，那么封闭墙内气体能量也不变，决定封闭墙内外漏风方向的动力就是封闭墙内外能量高低。根据能量守恒定律及伯努利方程[2]，巷道中某点的能量=动能+重力势能+压力势能，由于封闭墙内外标高相同，忽略墙外风流流动产生的动能，那么封闭墙内外能量比较就是通风静压的比较，在通风系统稳定情况下，封闭墙外通风静压就是决定封闭墙漏风方向的决定因素，封闭墙外绝对静压发生变化时,表现为采空区瓦斯异常涌出或外界向采空区漏风的“吞吐”现象[3]。

3 封闭采空区瓦斯涌出与大气压的关系

3.1 大气压与井下风流绝对静压同步变化的原因分析

由通风机静压和矿井通风阻力之间的关系可以得知

式中：

hR14———通风机静压,Pa;

HN———自然风压,Pa;

h4———风机入口处的相对静压,Pa;

hv4———主要通风机入风口风流动压;

P4———主要通风机入风口风流绝对静压;

P04——主要通风机入风口同标高大气压;

P01———入风井大气压;

图1 矿井风机入口水柱计测定示意图

从式(1)反映了矿井通风系统阻力和自然风压、风机入口绝对静压的关系，通常hv4不大，某一段时间内变化不大，HN随着季节变化，一般矿井，其值不大，因此h4基本上反映了矿井通风阻力和通风机静压大小；同时式（2）反映风机相对静压（近似看成通风机通风负压）和风机入口的绝对静压和大气压有关，图中矿井在正常通风过程中，在井下通风系统没有大的变化情况下，水柱计读数是定值，即h4相对不变，忽略进回风井标高差，地面大气压P01是不断变化的，所以说主要通风机入风口风流绝对静压也是不断变化而且是和大气压的同步变化，所有说井下巷道任意地点的绝对静压也是随大气压变化而同步变化的。

3.2 封闭区域瓦斯涌出与地面大气压的关系验证

3.2.1 井下气压和地面大气压同步变化验证

选择井下不同地点不同日期在一天中大气压较低时刻测量相关大气参数，分别选择我矿西进风井下口、西二回风石门、18516上顺槽封闭墙外、11223下顺槽掘进工作面回风流4处地点，通过具体的观察得出：随着温度不断降低地面大气压也不断降低，同时井下各处地点的大气压也随着地面大气压降低而不断降低，且降低数值和地面大气压降低值基本相同。如2月28日地面大气压相比2与22日地面大气压相比降低13hPa，而18516上顺槽封闭墙外气压2月22日比28日同样降低13hPa，说明井下气压不仅仅和地面的气压变化趋势相同，同时变化数值也能吻合。

3.2.2 “临界压力”确定

在不同日期观测18516上顺槽封闭进出风及压差情况并取样分析，通过观察可以看出，地面大气压力的变化直接影响该封闭观察孔进出风情况及瓦斯涌出，比如12月29日和2月16日数据相比，地面大气压分别是1034.1hPa和1009.3hPa，而封闭墙由进风31mmH20变成出风170mmH20,前后封闭墙压差相差2010Pa，观察孔内的甲烷浓度也由0.5%变成41%，可想而知大气压对封闭墙影响是非常明显的，所以质量达标的封闭墙就是墙内为高浓度气体，墙内外压差大但是墙外空间无瓦斯积聚。

根据表中数据可以利用插值法求得当观察孔处于不出不进状态即压差为零时的大气压力为1029.2hPa，在此处称为“临界压力”，也就是说当在地面同一地点测得大气压为1029.2hPa时可以不用下井观测就可以预测该处封闭墙处于不出不进状态。由此我们对于井下每一处封闭区域都可以测出其临界压力值，这样在一定情况下都可以在地面预测该封闭区域的进出风趋势。尤其对于那些封闭内部空间相对独立的区域，临界压力相对固定，若封闭区域内漏风通道复杂则受外界因素影响可能临界压力不是一成不变的，但是该方法对于瓦斯涌出异常的预测可以起到至关重要的作用。

4 防治瓦斯异常涌出措施

据上所述，地面大气压对封闭区域的瓦斯涌出的影响已经非常清楚，在瓦斯管理中重点要做的就是在地面大气压突然降低时，能做到防治井下封闭区域的瓦斯突然大量涌出，如2017年2月19日我矿11123下顺槽沿空掘进工作面回风流瓦斯突然增加，在下午15：03分时预警，回风流甲烷探头达到0.60%。分析其原因就是当天温度突然上升，气压急剧降低改变了沿空帮内外压力平衡状态，导致瓦斯突然涌出。为了做到防治封闭区域瓦斯异常涌出，必须从以下几点采取措施。

4.1 降低封闭区域内能量

对封闭区域进行抽采，降低封闭区域内瓦斯量，从而降低内部压力，例如对11123下顺槽临近的11223采空区进行抽采，抽采负压要根据该区域平时和瓦斯异常涌出时气压差值确定，开启抽采后，该掘进工作面当班回风流瓦斯在一小时内迅速降低至0.30%，抽采时间根据瓦斯情况而定，在抽采过程中加强防火观测，发现一氧化碳及时停抽或控制抽采。

4.2 增加封闭区域外能量

调整通风系统，增加风排量，同时在回风侧施工通风设施，采取均压措施，目的就是增加封闭区域外部压力。

4.3 提高封闭质量

要着重提高和封闭区域隔绝的封闭设施的质量，对于沿空掘进工作面沿空侧必须采取喷注浆措施堵漏，采空区封闭墙按照规定掏槽双墙喷注浆，达到墙内为高浓度气体，墙内外压差大但是墙外空间无瓦斯积聚。

5 结论

①大气压力的变化影响井下通风参数，能够准备判断并掌握变化规律，对煤矿井下瓦斯、防火管理起到不可忽视的作用。

于井下封闭墙进出风变化一个重要原因就是地面大气压的变化导致，使得封闭墙出现“吞吐”现象，关键是明确封闭区域处“临界压力”，这样才能做到有的放矢。

③为了防止大气压力变化造成封闭墙瓦斯事故，主要从以下几点入手：一是在采区安全措施前提下，对封闭区域进行抽采，降低内部瓦斯量，减少封闭区域内部能量;二是增加风量，确保风量充足;三是采区均压方法，具体可以在封闭区域回风系统施工设施进行调控，达到增加封闭墙外压力；四是封闭墙严格按照标准进行双墙喷注，确保墙体不漏风。