低瓦斯矿井封闭采空区“呼吸”现象特征及防控技术

2019-03-27聂百胜申杰升刘鹏程

煤炭学报 2019年2期

彭斌，聂百胜，申杰升，刘鹏程，葛泽

(1.中国矿业大学(北京) 应急管理与安全工程学院，北京 100083; 2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京 100083; 3.共伴生能源精准开采北京市重点实验室，北京 100083)

目前我国煤矿以综采、综放等高强度开采方式为主。由于综采、综放开采方式强度大、生产集中、推进速度快，工作面生产结束并封闭后，会形成大面积采空区。采空区封闭质量和外界环境条件发生变化时，就会影响临近采掘空间的安全生产。

地面大气温度和湿度的变化引起地面大气压的波动，这是人力无法控制的。研究表明，地面大气压的变化会直接影响矿井的通风能量[1]，促使矿井采空区产生“呼吸”现象，并导致采空区瓦斯的异常涌出[2-4]，对矿井安全生产带来很大威胁。有关文献显示在苇湖梁煤矿、淮南矿业集团潘二煤矿、神华神东煤炭集团寸草塔煤矿、淮北岱河矿业有限责任公司、铁法煤业集团小青煤矿、安阳永安贺驼煤矿有限公司、内蒙古察哈素矿、峰峰集团大淑村矿等煤矿的封闭采空区密闭设施附近均存在“呼吸”现象[5-14]。

在高瓦斯矿井和煤与瓦斯突出矿井中，工作面回采过程中以及停采封闭后，通常利用上隅角埋管抽放、高位巷抽放等方式治理采空区瓦斯以消除采空区瓦斯对临近采掘工作面安全生产的威胁。采空区的瓦斯抽放会持续较长的时间，封闭采空区长期处于一种负压状态，当采空区封闭质量下降后，面临的主要问题是外界空气通过漏风通道进入封闭采空区，如果煤层有自燃倾向，将会有采空区遗煤自然发火的安全隐患[15-16],甚至引发采空区瓦斯爆炸[17]。

对于低瓦斯矿井，随着时间的推移，封闭采空区瓦斯储量会逐渐增大，采空区的封闭质量在地应力、采掘作业扰动下会有所降低，如果采空区内外压力失衡，采空区瓦斯则沿着漏风通道向密闭外侧缓慢涌出，密闭外侧有瓦斯浓度超限的安全隐患。

掌握矿区不同地面大气参数条件下封闭采空区“呼吸”现象特征和产生机理，设计安全可行的防控技术方案，对于预防低瓦斯矿井封闭采空区密闭处的瓦斯异常涌出和瓦斯超限问题，具有重要的指导意义和工程价值。

1 现场封闭采空区“呼吸”现象特征

1.1 现场概况

正利煤矿井田东西宽2.6 km，南北长3.7 km，井田面积9.26 km2。井田内含可采及局部可采煤层有4-1，4，7，9号煤层，倾角5°～12°。矿井采用立井开拓，通风方式为中央并列式，通风方法为机械抽出式，通风系统如图1所示。

14-1103工作面处于一采区4-1号煤层，煤层平均厚度为3.04 m，为自燃煤层。14-1103工作面上、下临近层分别为3-2号煤层和4号煤层，平均层间距分别为5.7 m和3.9 m，其中3-2号为不可采煤层。4-1号煤层瓦斯原始含量和残存含量分别为4.82 m3/t和2.33 m3/t，4号煤层瓦斯原始含量和残存含量分别为6.09 m3/t和3.18 m3/t。开采一采区4-1号煤层回采工作面时，矿井最大绝对瓦斯涌出量为28.35 m3/min，最大相对瓦斯涌出量为8.98 m3/t，矿井按低瓦斯等级进行管理。

图1 正利煤矿通风系统立体示意Fig.1 Diagram of ventilation system in Zhengli coal mine

14-1103工作面倾向长度约178 m，走向长度约2 000 m，采高3.3 m。沿倾向的相邻工作面为14-1102工作面和14-1104工作面。终采面距离保安煤柱线约18.4 m，密闭墙距离终采面约10 m，密闭墙宽度、高度和厚度分别为4.6，3.5和3 m。该工作面回采过程中，曾采用低负压抽放系统治理工作面上隅角瓦斯，工作面停采封闭后没有进行瓦斯抽放。

矿区海拔大约为1 150 m，空气稀薄、干燥少云，白天地面接收大量的太阳辐射能量，近地面层的气温上升迅速，晚上地面散热极快，地面气温急剧下降。因此，矿区最昼夜温差很大。温差较大的气候环境导致14-1103封闭采空区容易发生“呼吸”现象，如图2所示。

图2 密闭内外压差、密闭外瓦斯体积分数及地面空气温度Fig.2 Differential pressure between seal’s inside and outside,gas concentration of the seal’s outside and ground atmospheric temperature

当矿区处于高温时段时，采空区内气压小于密闭外空气静压，当打开密闭措施管上的测试孔时，可以观察到采空区往内吸入空气;地面空气处于高温时段时，采空区瓦斯压力大于密闭外空气压力，当打开密闭措施管上的测试孔时，可以观察到采空区往外涌出瓦斯。

为了预防由于“呼吸”现象导致密闭外侧瓦斯浓度超限，现场通过注浆来减少密闭以及周边煤岩体的漏风通道，并利用扩散风流稀释涌出的瓦斯并将其带入采区回风巷。这种方法在短时间内能解决密闭处的瓦斯积聚问题，但是在矿压的长期作用下，密闭设施的封闭质量会逐渐降低，采空区内高体积分数瓦斯在正压差作用下向外部涌出的强度会逐渐增大。当密闭外风量不足时，则容易出现瓦斯超限问题。

1.2 监测结果与分析

针对正利煤矿封闭采空区“呼吸”现象，现场测试了不同季节下的地面大气参数、14-1103工作面运输巷密闭内外压差和密闭外瓦斯体积分数，并综合分析了各参数间的相关性。

1.2.1 密闭内外侧压力的变化特征

由图3可知，从宏观上看，在日周期内，密闭内侧气压相对稳定，密闭内外压差与密闭外侧空气静压的变化趋势相反。说明密闭外侧空气静压是密闭内外压差变化与否的主导因素。

从细观上看，采空区密闭内侧气压也有明显的变化规律，如图4所示。由图4可知，在正压差的持续作用下，采空区内瓦斯向密闭外侧缓慢涌出，采空区内压力整体逐渐降低。由图4(c)可知，在负压差持续作用下，密闭外侧空气向采空区内缓慢涌入，采空区内压力整体逐渐升高。另外，采空区内气体压力变化幅度不超过100 Pa，说明采空区内外气体交换量较小。

图3 密闭内、外侧气压变化趋势Fig.3 Variation trend on barometric pressure of seal’s inside and outside

图4 密闭内侧压力变化趋势Fig.4 Variation trend on pressure of seal’s inside

图5 密闭内外压差与地面大气温度线性关系拟合Fig.5 Linear fitting for differential pressure and ground atmospheric temperature

图6 密闭内外压差与地面大气压线性关系拟合Fig.6 Linear fitting for differential pressure and ground atmospheric pressure

1.2.2 密闭内外压差与地面大气参数的相关性

分析了不同季节条件下密闭内外压差随矿区地面大气参数的变化情况，典型的分析结果如图5，6所示。

由图5可知，随着地面大气温度升高，密闭内外压差也在逐渐增大，两者的线性拟合优度在0.72～0.92，说明地面大气温度对密闭内外压差有明显的影响。由图6可知，随着地面大气压的增大，密闭内外压差呈减小趋势，两者的线性拟合优度在0.77～0.95，说明密闭内外压差受地面大气压的影响非常明显。

图6显示密闭内外压差随着地面大气压的升高而降低，而图3显示密闭内外压差随着密闭外静压的升高而降低，可以推断密闭外静压与地面大气压之间存在一定的关联性。由图7可知，井下密闭外侧空气静压随着地面大气压的升高而升高，两者的线性关系拟合优度在0.86～0.96。

1.2.3 密闭内外压差与密闭外侧瓦斯体积分数的相关性

在地面温度较高的温暖季节，在正压差的作用下，采空区内瓦斯会通过密闭及周围裂隙慢慢涌出至密闭外侧。由于密闭外侧属于扩散通风区域且风流流量非常小，密闭外侧会出现瓦斯积聚。

由图8可以看出，压差越大，密闭外侧瓦斯体积分数越高，且两者的线性关系拟合优度在0.87～1.00，说明压差与瓦斯体积分数之间有很强的关联性。

图7 密闭外侧静压与地面大气压线性关系拟合Fig.7 Linear fitting for static air pressure of seal’s outside and ground atmospheric pressure

图8 密闭外瓦斯体积分数与密闭内外压差线性关系拟合Fig.8 Linear fitting for gas concentration of seal’s outside and differential pressure

综上所述，在不同季节，地面空气温度升高会使得地面大气压降低，井下风流绝对压力受地面大气压的影响也会同步降低，反之亦然。封闭采空区内气压相对恒定，密闭外侧空气静压波动使得密闭内外侧之间形成较大的压差，并且持续时间较长。如果正压差状态维持时间较长，采空区内瓦斯会缓慢涌出到密闭外侧并逐渐集聚;如果负压差状态维持时间较长，则密闭外侧空气会缓慢涌入采空区;如果正负压差交替出现，前述2种气体流动状态亦会不断地转换。

2 封闭采空区“呼吸”现象的产生机理

封闭采空区可视为一个处于弱平衡状态的半封闭容器，采空区内、外气体状态发生变化时，这种平衡就有可能被打破，采空区内外会产生气体交换，从而呈现出“呼气”和“吸气”现象。这类现象的影响因素主要包括:采空区煤柱、遗煤及导气裂隙带内邻近煤岩层的补充瓦斯[18]、外部惰性气体的注入[19]、地面大气压[20]、通风系统变化[21]、密闭质量[22]，采空区疏放水过程中的“水气置换”[23]以及邻近采空区上覆岩层间的离层裂缝[24]。

正利煤矿封闭采空区“呼吸”现象的特征表明密闭内外压差受采空区内气体状态和地面大气参数的共同制约，地面大气参数波动是导致“呼吸”现象产生的根本原因。因此，本文着重分析地面大气参数影响下封闭采空区密闭处“呼吸”现象的产生机理。

2.1 密闭内外侧气压变化的致因分析

(1)密闭外空气静压的波动。

为了有针对性的分析密闭外侧风流压力变化情况，不考虑其他生产工作面的影响，将实际矿井通风系统进行适当的简化，如图9所示。

图9 简化通风系统Fig.9 Simplified ventilation system

在实际中，矿井总风压和总风量也变化不大，可以认为井下空气流动是稳定流动;对井深不超过1 000 m的矿井，空气密度变化不大，可近似认为不可压缩流体。所以可以应用不可压缩流体的能量方程式来分析矿井通风的实际问题[25]。

首先确定井口至封闭采空区密闭外侧通风路线，并沿风流方向对节点和风路按先后顺序进行编号，然后根据单位体积空气的伯努利能量方程可以得出井口和密闭外侧的通风能量关系表达式，即

(1)

式中，p0为井口大气压;pso为与密闭外侧相邻的节点处的风流静压;ρm0，ρmsg分别为井口和密闭外侧相对于井底的空气柱平均密度;Z0，Zsg分别为井口和密闭外侧相对于井底的高差;vso为密闭外侧风速，j为井口至采空区密闭外侧各段风路编号。

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

(2)

式中，p2，Ep2分别为节点②处的静压和位能；p7,pv7和Ep7分别为节点⑦处的静压、动压和位能；h3～h6分别为风路3～6的通风阻力。

将式(2)中p2和p7分别用p0和pO替代，由式(2)可得密闭外侧空气静压与井口大气压之间的关系，即

(3)

式中，pO为密闭外侧空气静压;p0为副井口大气压;ρm3，ρm5分别为风路3，5中空气平均密度;Z2，Z6分别为节点②和节点⑦相对于井底的高差;ρ7和v7分别为节点7处风流空气密度和速度;R3，R4，R5和R6分别为风路3，4，5，6的风阻;Q3，Q4，Q5和Q6分别为风路3，4，5，6的风量;g为重力加速度。

由式(3)可知，采空区密闭外侧空气静压受井口大气压、风流参数和井巷特征的综合影响。当矿井风机工况参数不变时，井巷风量变化不大，密闭外侧静压主要受井口大气压的影响;当主通风机风压升高或降低时，矿井总风量以及各井巷配风量也会相应的增加或减少，如果风机风压的调整在短时间内完成，可以认为在该时间段内井口大气压基本不变，则密闭外侧空气静压就会呈现突然降低或增高的趋势;当主通风机风压不变，井巷风阻发生变化时，密闭外侧空气静压也会发生变化。

(2)采空区内气压的变化。

停采工作面封闭后，大量高体积分数瓦斯会积存在该封闭空间内，假设该空间内的气体状态参数符合理想气体状态方程:

pIV=nRT

(4)

式中，pI为采空区内气体压强;V为封闭空间体积;n为气体物质的量;T为体系温度;R为气体常数。

当封闭空间体积和气体物质的量不变时，气体参数变化符合ΔpI=nRΔT/V，则压强变化值ΔpI与体系温度变化值ΔT成正比;当封闭空间体积和体系温度不变时，而气体物质的量发生了变化时，气体参数变化符合ΔpI=ΔnRT/V，则压强变化值ΔpI与气体物质的量变化值Δn成正比[26-28]。

由式(3),(4)可得到图9中封闭采空区密闭内外压差表达式:

(5)

由式(5)可以看出，密闭内外压差受地面大气压、风流参数、井巷特征和采空区内气压的综合影响。

2.2 采空区与外界的气体交换

文献[29]提出垮落较好的回采工作面采空区在无风流作用的条件下，采空区内瓦斯的涌出过程系多孔介质中的缓慢渗流。封闭采空区内瓦斯的涌出和外界空气的涌入亦属于多孔介质中的缓慢渗流。因此，封闭采空区内气体与外界空气在密闭处的物质交换过程可以运用达西定律来分析。两类采空区不同之处在于，工作面采空区内气压会与工作面空气压力保持动态平衡，而封闭采空区内瓦斯压力与密闭外侧空气压力有较大差异，两者保持动态平衡的时间非常短暂。

假设封闭采空区无其他漏风通道，风流由进风联络巷流经密闭外侧到回风联络巷(图10)。设密闭内侧瓦斯的绝对压力为pI，密闭外侧空气的通风绝对压力为pO，在内外压差Δp(Δp=pI-pO)的驱动下，采空区内含瓦斯空气和外界空气通过密闭及周边裂隙通进行物质交换。

图10 封闭采空区示意Fig.10 Diagram of sealed goaf

假定密闭的渗透率为k;瓦斯的动黏系数为μc;采空区外界空气动黏系数为μa;密闭厚度为Δx;密闭截面积为F0。由于密闭断面较大，瓦斯流速低，系层流流动。对于采空区“呼气”过程，以原工作面回采方向作为X轴的负方向时，按达西定律有:

(6)

式中，vx为单位时间内单位面积流出的瓦斯量;q为单位时间内全断面瓦斯的涌出量。

假设采空区内瓦斯流出后快速扩散于密闭外微弱风流中，令密闭外侧风量为Q，则密闭外侧瓦斯体积分数:

(7)

由式(7)可知，在密闭质量不变的情况下，压差Δp决定了单位时间内密闭外瓦斯的体积分数。

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对于采空区“吸气”过程，以原工作面回采方向作为X轴的正方向。将式(6)中μc替换为μa即可得到单位时间内外界空气涌入量的计算式。

3 “呼吸”现象防控技术方案

为了防止因封闭采空区“呼吸”现象而导致密闭外侧瓦斯体积分数超限，在采空区密闭预留措施管上延伸了瓦斯释放管路并安装了手动调节阀，将采空区内高体积分数瓦斯释放至采区回风巷。手动调节过程中，至少需要两人配合，一人调节阀门开度，一人在释放区域观测瓦斯体积分数是否超限，并且在井下通讯也不方便，整个过程耗时耗力，调控效率低。针对现场的实际情况，提出了封闭采空区瓦斯释放自动调控技术方案。

3.1 控制参数与调控准则

封闭采空区瓦斯释放的开始与停止都有一定的时间节点，这是人工难以准确掌控的。在瓦斯释放管路上安装电动调节阀并配套自动控制装置后便能很好的解决这个问题。

阀门的开启、关闭和开度微调需要确定合理的控制参数和调控准则。实现瓦斯自动释放的同时，需要考虑释放区域的瓦斯超限问题。另外，还需要考虑瓦斯释放停止后释放管路末端空气回流问题。根据“呼吸”现象的产生机制，将压差作为主要控制参数;根据行业安全标准，将释放区域瓦斯体积分数作为辅助控制参数。

(1)基于压差的调控准则。

在未安装释放管路前，密闭外预留孔的压差检测结果显示，当密闭内外压差达到300 Pa时，瓦斯往密闭外涌出非常明显，如图11所示。安装释放管路后，管道上预留孔的压差监测结果显示，在瓦斯释放正常时段，管道内气体处于负压状态，当管道内负压降至-300 Pa以下时，瓦斯释放自行停止，如图12所示。因此，需要根据压差控制阀门的开启与关闭。

图11 管道检测孔压差与瓦斯流量对比Fig.11 Comparison of pressure difference and gas flow in pipe detection hole

图12 管道检测孔压差与释放区域瓦斯体积分数对比Fig.12 Comparison of pressure difference and gas concentration in release zone

(2)基于释放区域瓦斯体积分数的调控准则。

采空区瓦斯通过管道释放至采区回风巷，在阀门全开状态下，释放口下风侧瓦斯体积分数能超过1.2%，如图13所示。《煤矿安全规程》第136条规定，采区回风巷、采掘工作面回风巷风流中瓦斯体积分数不能超过1.0%[30]。因此，需要利用瓦斯体积分数信号对管道瓦斯流量进行控制。

图13 释放区域瓦斯体积分数变化趋势Fig.13 Variation trend of gas concentration in release zone

结合瓦斯释放时间段内密闭内外的压差以及释放口下风侧瓦斯体积分数的观测结果，确定了利用压差和瓦斯体积分数联合控制释放管路电控阀门的调控准则，将压差的控制阈值设置为-300 Pa，释放区甲烷体积分数的控制阈值设置为0.8%。

(3)瓦斯释放分级调控逻辑。

在采空区瓦斯能够释放时，必须兼顾释放区域的瓦斯安全体积分数，阀门不能一开到底。因此，为了保障采空区内瓦斯安全释放，提出了瓦斯释放分级调控思路，设计了以PLC控制器和信号转换模块为载体的自动调控逻辑，如图14所示。

图14 自动调控逻辑Fig.14 Automatic control logic

在控制系统运行时段内，如果压差大于调节阈值，将阀门开至25%并保持阀位5 min，5 min后如果压差大于设定阈值且瓦斯体积分数小于设定阈值，则将阀门开至50%，在之后的时间段里如果压差和瓦斯体积分数一直满足前述条件，则阀门开度每5 min增加25%;如果压差大于设定阈值，而瓦斯体积分数大于设定阈值，则阀门开度每5 min减小25%;如果压差小于设定阈值，则阀门开度每5 min减小25%。

3.2 自动监测调控系统设计原理

为了安全、高效地释放采空区瓦斯，有效、便捷地解决因采空区“呼吸”现象而导致密闭外侧瓦斯超限问题，设计了封闭采空区瓦斯释放自动监测调控系统。该系统主要由监测信号采集子系统，现场自动控制子系统和管道抑爆子系统组成，系统设计原理和现场实施方案分别如图15，16所示。系统硬件设备主要包括PLC控制箱、电动阀门、矿用低体积分数瓦斯传感器等。

图15 封闭采空区瓦斯自动释放监测调控系统原理Fig.15 Schematic of monitoring and control system of automatic gas release for sealed goaf

图16 现场安装示意Fig.16 Schematic diagram of field installation

PLC控制箱主要实现对电动阀门开度的控制，进而实现对管道流量以及瓦斯释放区域瓦斯体积分数的控制。PLC控制箱内置三相1 140转380 V变压器、三菱PLC模块。变压器的功能是从井下三相1 140 V配电点取电，并输出380 V三相电，为电动阀门执行器提供动力。PLC模块的功能是接收管道差压和瓦斯体积分数监测信号，运行控制程序，给电动阀门传送阀门开度指令，并接收阀门开度的反馈信号。