复采工作面瓦斯涌出随地表气压变化的相关性分析及对策

2020-03-16薛伟超李艳增

煤矿安全 2020年2期

薛伟超，李艳增

（1.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁沈阳 110016；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁抚顺 113122；3.中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州 221008）

1 工程概况

07033 工作面为残煤复采综放工作面，地面标高＋257.5～＋263.7 m，井下标高-482.0～-393.0 m。走向长240 m，倾向长50 m。主采下煤，属气煤，煤层结构简单，倾角 20°～30°，平均 25°，残煤厚度平均 8 m，硬度1.25。直接顶为中粗砂岩，基本底由凝灰角砾岩、玄武质集块岩和安山质凝灰岩组成，无层理。

采用综采放顶煤采煤法，顶板自然垮落，平均日产384.5 t。原始煤层瓦斯含量高，矿井属高瓦斯矿井。回采局部遇水砂、金属网、单扒等采迹及相关旧巷，开采影响致煤质疏松破碎，煤层渗透性大，瓦斯已经大量逸出，残煤瓦斯含量1.13 m3/t，孔隙率1.79%，残煤瓦斯放散初速度为5.8，放散初速度较小。

2 地表气压对复采工作面瓦斯涌出影响规律

07033 工作面是复采工作面，一般情况工作面回风巷瓦斯浓度基本为0。西安矿经验表明，一般情况下，只在阴天下雨时有瓦斯异常增大的现象。气象变化引起大气压改变，由于云层“温室效应”，阴天空气密度减小、湿度比较大，导致阴天的大气压比晴天的大气压低，标准大气压为1.013 25×105Pa。因此，影响07033 工作面瓦斯涌出的主要因素为地表气压的变化。

为了进一步研究残煤复采工作面瓦斯涌出与地表大气压力下降的关系，将07033 复采工作面2017年1 月1 日至4 月17 日所有正常工作日（扣除2 月份过春节）92 d 内二者在同一时间尺度下的变化情况进行了统计分析，回风流瓦斯浓度随地表气压变化如图1（1 mmHg=133.322 4 Pa）。

图1 回风流瓦斯浓度随地表气压变化Fig.1 Gas concentration of the return airflow varies with the surface atmospheric pressure

从图1 可以看出：一般情况下，当地表气压增大或者保持相对平稳时，工作面回风巷口瓦斯浓度基本为0；工作面回风流瓦斯浓度与地表大气压力密切相关，基本上每次瓦斯浓度的异常涌出增大都伴随着地表气压的突然下降，瓦斯异常涌出增大一般滞后于气压下降 3～6 h；1 月 17 日 4：00 时，工作面回风流瓦斯可最高由平时的0%异常涌出增大至1.04%，造成瓦斯超限事故，严重影响矿井安全生产。

统计发现，在这92 d 内，地表大气压共下降次数 33 次，其中25 次伴随工作面瓦斯异常涌出增大，另外 8 次瓦斯没有异常涌出。

残采工作面回风瓦斯随地表气压变化的规律是怎样的？从25 次瓦斯涌出随地表气压变化的情况看：①1 月和4 月的井下瓦斯异常涌出增大呈极峰状（图1（a）、图1（d）），且在大气压的最低时刻瓦斯异常涌出量最大；②2 月伴随2 次、3 月上半月和4月初，地表大气压呈整体阶梯式下降，井下残煤复采工作面回风流瓦斯浓度呈波动变化规律（图1（b）～图1（d）），即当地表气压下降时，回风瓦斯涌出增大；当地表气压短时间稳定时，瓦斯涌出减小，而地表气压继续下降时，瓦斯浓度又增大，导致井下瓦斯涌出出现波动变化的现象；③3 月1 日0 时至3月17 日8 时，07033 工作面回风瓦斯浓度密集波动，波动范围主要集中在0.08%～0.16%；甚至出现地表气压上升时也有瓦斯异常涌出的现象，这说明该段时间内有其它因素影响瓦斯涌出，该因素对瓦斯涌出的贡献约为0.08%～0.16%；在波动的基础上，在大气压降低至最低点附近，瓦斯浓度急剧增大呈极峰状，瓦斯浓度达到 0.39%（图1（c））。

那么，什么情况下的大气压下降会引起井下瓦斯异常涌出呢？从这8 次没有关联的大气压力下降中，1 月 5 次，2 月 2 次，3 月 1 次。这 8 次压力下降，最大压降 3.75 mmHg，平均压降 1.72 mmHg；最大压降速度（压降速度为单位时间内大气压下降的多少，单位 mmHg/h）0.500 mmHg/h, 最小压降速度0.167 mmHg/h.对比分析 25 次关联的大气压下降，最大压降为 16 mmHg，最小压降为 1.5 mm Hg/h，平均压降为5.75 mmHg；最大压降速度1.125 mmHg/h，最小压降速度为0.101 mmHg/h, 平均压降速度0.303 mmHg/h。对比发现，伴随瓦斯异常涌出时的地表大气压力，平均压降增大4.03 mmHg，平均压降速度增大0.136 mmHg/h。需要注意的是，虽然平均压降和压降速度都有所增大，但并不能决定瓦斯涌出情况，因为也存在小压降和小压降速度的条件下的瓦斯异常涌出，这可能与气压监测的记录是以每小时1 次记录而非实时记录有关。

根据GB/T1730-93标准，将光敏涂料涂于表面光滑的专用玻璃板上，置于光固化机中，在100%的光强下固化120 s。固化完全后用摆杆阻尼硬度计测试固化膜硬度，漆膜硬度按下式计算：

从图1 可以看出，瓦斯异常涌出的瓦斯浓度曲线可以分为“极峰”、“波动”“波动＋极峰”3 种类型。“极峰”状态对应地表气压的急速单一线性下降（图1（a）、图1（d））；“波动”状态对应地表气压阶梯式下降，且气压下降阶段存在阶梯变速的情况（图1（b））；“波动＋极峰”状态则是上述2 种情况的综合（图1（c））。在25 次关联的大气压下降中，小压降和小压降速度主要存在于“波动”和“波动＋极峰”状态下，是伴随整体压降的1 个阶段。

3 大气压降对残采面瓦斯涌出的影响原理

对于残煤复采，原始煤体已遭破坏，经过长时间的释放后煤体内残余瓦斯压力经由煤体孔隙和裂隙内空气连接与回采巷道内空气压力处于动态平衡状态。当地面大气压突然下降时，井口巷道空气压力减小。根据单位体积流量的气体能量方程，井下回采巷道内任一点r 断面处的空气压力pr必然减小，造成井下原有的瓦斯压力动态平衡被打破。一方面，采空区内积存了大量瓦斯气体因工作面气压减小而大量涌入工作面巷道中，经回风巷使回风瓦斯浓度增大（通风机风量稳定）。复采工作面风流和瓦斯流动示意图如图2。另一方面，煤是一种双重孔隙介质，瓦斯以游离和吸附二态赋存其中，其中游离态瓦斯可以流动[11-12]。当煤颗粒表面的压力气压减小时，原有的瓦斯“解吸⇌吸附”平衡被打破，短时间内瓦斯解吸作用大于吸附作用，煤颗粒表面吸附的瓦斯解吸后转为游离态瓦斯进入孔隙和裂隙中参与瓦斯流动，最终进入回采巷道经回风口流出，亦造成回风流瓦斯浓度增大（图2 红框）。这其中，巷道空气压力的绝对值影响煤壁瓦斯的“解吸⇌吸附”速度[13-14]，巷道空气压力的相对变化引起的压力梯度影响煤孔隙和裂隙中瓦斯运移速度。

图2 复采工作面风流和瓦斯流动示意图Fig.2 Schematic of the air and gas flow in the residual coal recovery process

4 复采面瓦斯异常涌出的量化方程

井下回风流瓦斯浓度随时间变化函数如下：

式中：W 为井下回风流瓦斯浓度，%；F1为回风瓦斯 W 随时间 t 变化的函数；t 为时间，h。

地表气压随时间变化的函数为：

式中：pd为地面大气压力，mmHg；F2为地面大气压 pd随时间t 变化的函数。

根据前面节分析，井下瓦斯浓度与地表气压及其变化速度有关，结合式（1）、式（2）得：

式中：F3为回风瓦斯W 的影响函数；△pd为地面气压力变化速度，mmHg/h；X 为其它因素对工作面瓦斯涌出影响，%；W0为初始瓦斯涌出浓度，%。

对于07033 残煤煤复采工作面，根据平时回风流瓦斯浓度基本为0，判断X=0，W0=0。

生产中尤其关注瓦斯异常增大的峰值。在“极峰”、“波动”“波动＋极峰”3 种瓦斯异常波动类型中“极峰”的瓦斯异常值最高，因此以2017 年4 月中典型的 4 次“瓦斯-压降”（图1（d））关系为例分析，截取其中的地表气压连续下降段，以地表气压变化的时刻点为坐标零点做散点拟合，基本符合线性变化规律(相关系数=0.933 3)。从瓦斯异常增大的图像规律看，将瓦斯上升过程基本符合线性升高规律。将这4 个方程参数做算术平均得式（4），即为初始地表气压条件下残煤复采工作面回风瓦斯浓度随地表气压变化的量化方程。

式中：△W 为瓦斯异常涌出速度，%/h；pd0为初始地表气压，%.

5 对策分析

为了防止复采工作面瓦斯因大气压降而出现异常增大的现象，根据大气压降对复采面瓦斯涌出的影响原理，可以通过以下2 个方面减小大气压降的影响：①切断瓦斯向外涌出的通道：具体而言，做好采空区的封堵、充填工作，减少采空区的自由空间同时切断采空区里段与工作面的通道，此举还有利于控制采空区顶板沉降，减少冲击地压危险，实现采空区防灭火；②抵消大气降的影响：具体而言，实时监测大气压力变化，当有气压骤降时，采用智能控制系统自动向采空区或带采煤体内注入一定压力的氮气，或者开启智能调节风门采用均压通风的方式抵消大气压降影响。