气压变化与综采面瓦斯涌出规律的探讨

梁旺亮 ，赵文曙

（山西焦煤西山煤电股份有限公司西铭矿，山西 太原 030052）

0 引 言

气压是重要的气象因子，与风、天气好坏等关系密切。所谓气压，即是作用在单位面积上的大气压力，其数值上等于单位面积上向上延伸至大气上界的垂直空气柱的重量，历史上著名的马德堡半球实验证明了它的存在。气压值大小与海拔高度、空气温度、空气密度等参数有着密切联系，一般随着海拔高度升高而按指数规律递减，气压变化在大周期上有年变化，在小周期上有日变化。大体上，就一日而言，气压有一个最高值时期和一个最低值时期，分别出现在9:00-10:00点期间和15:00-16:00点期间；还有一个次高值时期和一个次低值时期，分别出现在21:00-22:00点期间和3:00-4:00点期间。气压日变化幅度相对较小，一般仅为0.10-0.40kPa，且与地球的地理纬度有关，即低纬度地区变化大些，高纬度地区变化小些。通常所用的气压单位有帕（Pa）、毫米汞柱（mmHg）、毫巴（mba）等。

在煤矿生产中，气压变化与矿井综采面的瓦斯涌出之间具有着必须的规律性和密切的联系。

1 西铭煤矿气压变化浅析

1.1 气压年度内变化规律

为了准确掌握西铭煤矿气压的变化趋势和规律，通过西山矿区的气象观测站观测并绘制了2011－2019年度气压变化曲线，从中可以看出每年的1、2月份气压最高，达到105.58kPa；随着气候的逐步变暖，大气压力逐渐降低，到夏季最小值达到97.64kPa。进入秋季后天气转凉，秋高气爽,气温逐渐变冷，气压反而逐渐增高，说明气压升降变化与空气温度的高低变化之间呈反比关系。最近几年西铭煤矿气压的变化趋势大体呈现出一致性；即冬季气压升高，而夏季则气压降低。

1.2 气压日变化规律

通过对西铭煤矿大量实际气压观测数据的统计和分析，发现一日内气压最低值大约在每日上午的9：00－13：00期间（太阳光照使地表气温上升），而最高值大约在凌晨的2：00－6：00期间（受地表温度下降影响）。经过曲线数据分析，平均大气压差值在0.07kPa左右。

2 气压变化与瓦斯涌出分析

2.1 年度内瓦斯涌出规律

2017年以来，通风专业技术人员通过对西铭煤矿北七左翼采区48709、48707、48705和北七右翼采区48710等综采面瓦斯涌出量与气压变化之间规律进行了探索和研究，经过统计分析基础的观测数据，得出了一些比较科学的依据和规律。现以北七右翼采区48710综采面为例，从中可得出气压变化对综采面瓦斯涌出量的间接影响；进入春季1月份以后，地表气温逐渐回升，大气压力以近似单支双曲线图型下降区域的形式急遽降低，综采面的瓦斯从煤壁、采空区、破碎的煤岩体中大量解析并涌出，瓦斯涌出量呈现出快速增加的趋势，且昼夜之间的变化和波动差异都较大。夏季气压最低（约为98.7kPa）且变化较为均衡，而且瓦斯涌出量最大（平均25.86m3/min），涌出量最高时可达到33.24m3/min；进入秋季以后气压逐渐升高，瓦斯涌出量呈现出缓慢减少趋势（为18.65m3/min）;冬季气压最高（约为105.9kPa），瓦斯涌出量减至最低值（经测算，最小值降至10.77m3/min）。（见表1）

表1 气压与瓦斯浓度影响关联度分析

根据瓦斯赋存及涌出规律，煤的孔隙中游离瓦斯所占比例约为20%，煤中吸附瓦斯所占比例约为80%（见图1）。随着煤层瓦斯压力升高，可知煤层中吸附瓦斯量也随之增加；而随着煤层瓦斯压力降低，吸附瓦斯则大量从煤的微孔隙结构表面大量解吸，游离瓦斯量则大幅增加。瓦斯解吸是瓦斯吸附的逆过程，也是一个吸收热量的过程。由于春季气压降低，空气温度升高，煤体中瓦斯分子的运移速度和运移量加剧，大量吸附瓦斯解析而变为游离瓦斯，瓦斯释放与解吸速度都加快速度，综采面采空区内瓦斯体积迅速膨胀，使综采面瓦斯总涌出量大幅度增加，采空区内积聚的瓦斯通过上隅角开放的空间通道和回风侧支架空隙作为瓦斯释放口大量涌出回风侧机道和回风巷道，出现瓦斯超限或积聚隐患。显然，采空区的悬顶空间越大，储存瓦斯的容积也越大，大量高浓度瓦斯积存于采空区内形成“瓦斯储存库”，气压变化越频繁，变化幅度越大，对采空区内瓦斯的扰动越大，则综采面瓦斯涌出量的变化就越大。春季期间是气压变化波动最为明显的季节，导致瓦斯涌出也随之发生较大变化，故春季期间1－4月份是治理瓦斯和防治煤层内因火灾的关键节点，也是瓦斯管控的异常期。

图1 煤岩层中瓦斯赋存状态示意图

春季期间气压变化复杂频繁，主要受气温回升影响明显，瓦斯涌出变化也较为异常。经调查统计分析，国内外瓦斯爆炸事故也多发生在春季期间。西山矿区各矿井多数采煤面采用旁侧巷道往采空区密闭插管或沿采空区回风侧埋管来治理上隅角瓦斯，因气压变化因素的扰动，对瓦斯抽采负压的平衡也提出了研究课题，抽采负压掌握不精确，容易造成采空区内大量吸入新鲜空气或密闭严重漏风，容易导致采空区内遗留浮煤发生自然发火等恶性事故。反之，若抽采负压较小或调整抽采负压不及时，又容易造成综采面上隅角、机道内、回风流内出现瓦斯超限，从而影响综采面的安全生产。

这是因为气压降低时，采空区内气体压力相对升高，气体体积膨胀，致使部分高浓度瓦斯从回风侧上隅角出口涌出工作面从而导致回风流瓦斯浓度上升。若把采空区内瓦斯看作恒温气体，根据气体状态方程P1V1/T1=P2V2/T2，当气压由P1降到P2时，即压差⊿P＝P1－P2，则体积由V1增加V2，即体积增量⊿V＝V2－V1；很明显，气压下降⊿P值越大，由采空区内涌至采煤面作业空间的瓦斯量⊿V值也越大。若不立即增加采煤面配风量或调整抽采压力，则会造成风流瓦斯超限甚至威胁矿井安全生产，并且采煤面瓦斯涌出量随着工作面的延长具有阶梯型增长的规律可循。采煤面瓦斯分布图见图2。

图2 采煤面瓦斯分布图

北七右翼采区48710综采面采用密闭插管进行瓦斯抽采，得以代替上隅角埋管抽采措施。48710综采面的采空区与相邻的48708备用面之间有10个联络横贯相通。当气压变化时，通过对联络横贯密闭前瓦斯浓度进行测定，发现当48708备用面巷道内瓦斯浓度增加时，许多横贯密闭墙体前300mm范围内瓦斯浓度达1%～4%，局部孔隙处达到“白板”。通过密闭观测孔测定采空区密闭墙内与密闭外巷道之间的气压差，约有0.5～3mmH2O水柱的微弱压差。当48708备用面回风流中瓦斯浓度最小时，密闭前瓦斯浓度与48708备用面回风流中瓦斯浓度基本相同，间接说明48708备用面瓦斯来源约有80%来源于相邻的48710综采面采空区，如果能够合理的调控好采空区与密闭外巷道之间的气差，则可控制瓦斯隐患和自然发火隐患。

3 治理方案

1）根据采煤面瓦斯涌出量科学合理调配风量，随时调整采煤面或抽采泵的瓦斯抽采强度。要根据不同季度气压变化趋势的年度365日规律和每日观测的气压变化趋势的24小时日规律，以风流瓦斯浓度符合《煤矿安全规程》规定为基本原则，要及时增减采煤面风量或调整采空区的抽采负压、流量、瓦斯浓度。

2）根据生产衔接科学安排生产班次。将每日气压大幅降低的7：30分班次调整为检修班，在7：30－14：30期间，采煤面只进行设备检修和其它工作，不组织采煤机割煤作业；尽量避开瓦斯涌出量增加或波动幅度较大的高峰期，而在14：30－7：30期间，安排二班、夜班组织生产作业。

3）尽力发挥通风与抽采的最大能力。根据采煤面瓦斯涌出量变化规律，在春季期间适当增加矿井主要通风机的负压和排风量，努力增加采煤面的配风量；合理调控抽采泵运行工况点，发挥地面或移动抽采泵的能力，并严格控制采空区抽采负压和瓦斯流量大小，在既抽采瓦斯达到治理采空区瓦斯的目的，又要有可靠的防治自然发火发措施。

4）加强现场瓦斯日常管理。根据气压变化和综采面瓦斯涌出一般规律，除必要的工程项目外，应尽量避开在春季、在每日早班期间组织煤炭生产大会战等类似的促产量、保任务活动。还应建立一整套严密完善的瓦斯检查与管理制度，使采煤面瓦斯管理始终处于最佳的管理状态。

5）要随时掌握气压变化的趋势，掌握必要的气象信息；掌握综采面的瓦斯涌出的一般规律，掌握瓦斯治理设备的运行状态，及时对采空区内气体进行取样化验，掌握气体成分中 O2、CO、C2H4、C2H2等指标气体的变化情况；及时了解掌握综采面的生产强度和地质构造揭露情况，抓好过地质构造前、期间及后的瓦斯管理；严防因抽采强度过大引起采空区自然发火。