大气压变化对采空区瓦斯涌出的影响及其防治

胡德萍 廖志成

（江西煤业集团有限责任公司萍乡分公司安源煤矿，江西 萍乡 337000）

大气压变化是客观存在的自然现象，其变化对矿井采空区瓦斯涌出有着较大的影响，是矿井瓦斯防治的难点。安源煤矿经过对333综采工作面的长期观测，分析大气压对瓦斯涌出的影响规律，采取通风系统调整、采空区瓦斯抽放等技术，对大气压变化影响采空区瓦斯涌出治理取得了较好的效果。

1 矿井概况

安源煤矿是一个具有一百二十多年开采历史的矿井，核定生产能力78万t/a。现主采南翼下煤组大槽煤层，层位稳定，全层厚2.02～18.56m，一般8.47m，纯煤厚度1.57～6.80m。煤层结构复杂，含夹矸3～9层，多为灰色粉砂岩及细砂岩，厚度0.1～0.5m。矿井为低瓦斯矿井，煤层瓦斯含量为3.14ml/g。2019年矿井绝对瓦斯涌出量为5.76m3/min，相对瓦斯涌出量为5.74m3/t，煤尘有爆炸性，煤层自燃倾向性等级为二类自燃。矿井采用混合抽出通风方式，矿井总进风量5197m3/min，总排风量为5716m3/min。333通风系统示意图如图1。

图1 333通风系统示意图

2 大气压变化与采空区瓦斯涌出变化规律

2.1 工作面简介

3214 采区333工作面煤层结构复杂，厚度变化较大，煤层平均厚度5m左右。该工作面为单斜构造，走向N10°～45°E，倾角NW∠10°～15°。工作面走向长度260m，倾斜长度平均90m。工作面采用综合机械化放顶煤开采，采空区顶板管理为全部自然垮落法。煤层顶底板情况见表1。

表1 煤层顶底板情况表

2.2 一天中大气压变化规律

地表大气压即为地表空气的绝对静压。地表大气压是随时随地变化的，大气压与空气温度和湿度等因素有关，空气温度和湿度越低，气压就越大，反之越小。在2019年10月对上述333回采工作面瓦斯及气压进行了连续监测，定时记录，现取用一天记录，见表2。

表2 2019年10月15日大气压与绝对瓦斯涌出量

通过实际观测数据，在一天内大气压在下午12：00～17：00 逐渐变低，随后大气压逐渐升高。如果连续下雨天气，一天中大气压较为稳定，变化相差0.3kPa左右。连续几天晴朗天气，大气压一天中下午12：00～17：00时间段与其他时间段相比变化较大，变化相差最大值0.8kPa左右。

2.3 大气压变化与瓦斯涌出变化规律

333 采煤工作面采用负压通风方式，按照规程要求调配适当风量，工作面运输巷与风巷存在标高差，运输巷与风巷存在相对压差，并且工作面各段具有相对压差，从工作面运输巷往风巷压差逐渐增加，地面大气压变化时井下各点绝对静压必然同步变化。从监测数据可知，当大气压增大时采空区瓦斯涌出量降低，当大气压突然大幅降低时，采空区瓦斯涌出量增大。

安源矿大槽煤层瓦斯含量相对较低，采煤工作面开采过程中，煤层中瓦斯解析一部分随着风流排入回风巷，另一部分会积存在采空区顶部。采空区可视为半封闭容器，根据波义耳定律，在等温过程中，气体的体积与绝对静压成反比变化，即

T1=T2时，V2/V1=P1/P2

式中：

T-温度；

V-气体体积；

P-静压。

采煤工作面采空区内绝对静压相对不变时，当采煤工作面绝对静压发生变化时，受静压变化影响必然会出现采空区气体体积膨胀或收缩现象，表现为采空区有害气体异常涌出或外界向采空区漏风的“呼吸”现象。通过对333机采工作面的观测发现，井下任意测点风流的绝对静压是随大气压变化而同步变化的，地面大气压变化必然引起采煤工作面绝对静压发生变化，当地面大气压降低时采空区瓦斯向工作面涌出。

3 大气压降低时采空区瓦斯涌出防治技术

333 机采工作面采用“ U”型通风方式，工作面正常开采过程中回风巷瓦斯浓度0.05%～0.2%，风排瓦斯量相对较低。但是受地表大气压突然降低的影响，工作面回风巷风流中的瓦斯浓度出现增大趋势。大气压下降压差值越大，在工作面风量一定时则回风巷瓦斯浓度增加越明显，造成工作面瓦斯涌出量极不稳定。在表1中，大气压在100.5kPa时绝对瓦斯涌出量0.205m3/min，大气压在99.70kPa时绝对瓦斯涌出量2.289m3/min，采空区瓦斯涌出量与大气压成反比变化。

3.1 工作面增加风量稀释瓦斯浓度

333 机采工作面配风量410m3/min，工作面受大气压变化经常出现瓦斯超过0.5%预警值的情况，采取增加工作面风量来稀释瓦斯浓度的措施，将333工作面风量调整为510m3/min后，工作面瓦斯浓度降低明显。由于增加风量过大不利于防治煤炭自然发火，所以仅采用增加风量的措施不能完全遏制瓦斯涌出量随大气压变化而出现的异常涌出。

3.2 调节增大工作面静压减小采空区压差值

针对大气压变化会出现采空区瓦斯异常涌出的现象，在333机采工作面风巷安装一套可调节风门来增大工作面静压，达到遏制采空区大气压变化带来的瓦斯涌出现象。监测矿井地面大气压变化，当大气压降低时，在工作面风巷调节风门以达到增大静压遏制采空区瓦斯涌出量增加的目的，虽然效果明显，但是操作不太方便。

3.3 采取高位钻孔抽放采空区瓦斯

通过分析大气压变化与采空区瓦斯涌出的规律，结合333工作面地质构造及开采工艺，在333工作面采用高位钻孔瓦斯抽放技术，通过采空区抽放形成一定负压，减少大气压降低引起的采空区瓦斯涌出量。通过采用高位钻孔交替抽放采空区顶部瓦斯形成负压，使采空区静压在地表大气压突然降低时，由于采空区高位钻孔负压抽放，使采空区内外气压差相对减少。并且高位钻孔的抽放，使大量瓦斯通过抽放管输送至地面，达到了有效降低采空区瓦斯大量涌出的效果。未采取高位钻孔抽放时，当大气压降低至0.7～0.8kPa时，工作面回风流瓦斯浓度0.6%～0.7%左右；采取高位钻孔抽放时，当大气压降低0.7～0.8kPa时，工作面回风流瓦斯浓度0.2%左右。

3.3.1 高位钻孔的布置

在333采煤工作面风巷距工作面回风隅角10m、20m处布置2组钻孔，每组4个钻孔，见图2。高位钻孔1号、2号、5号和6号平行风巷靠近下帮内侧棚顶，设计坡度30°，施工20m终孔于工作面尾或风巷顶部岩层裂隙，起、终孔标高差10m；3号、7号和4号、8号钻孔分别与风巷20°夹角和 30°夹角，施工20m终孔于工作面顶部岩层裂隙，起、终孔标高差10m。每个钻孔坡度+20°～ +25°，每组钻孔相距10m，形成钻孔交替方式，工作面推进至第一组一半时，第二组钻孔可以循环接替。并且采用短孔抽放可以大幅提高抽放效率和避免长期抽放一个地点不利于防治煤炭自然发火的缺陷。

图2 高位钻孔布置示意图

3.3.2 高位钻孔施工

（1）钻孔施工设备

钻机型号：ZL-500型；

钻杆直径：Φ45mm，长度700mm；

钻头直径：Φ75mm，合金钢钻头。

（2）钻孔基本要求

① 在工作面回风巷处安装好钻机，其钻机方位坡度按设计的方案而定，并打好固定柱，先按钻孔设计位置参数进行开孔。

② 施工钻孔时，观察钻孔返水情况，一般距设计钻孔距离近时，钻孔不返水，则可以确定钻孔已到达采空区顶部裂隙中。

③ 钻孔终孔后，按要求下入套管，套管长度要与钻孔长度相近。

④ 保证钻孔封孔质量，封孔长度要达到0.8m以上，防止钻孔漏气而降低抽放效率。

3.3.3 瓦斯抽放

安源矿建有两套90kW集中瓦斯抽放系统，管路连接至各个生产采区，瓦斯泵抽放负压38kPa，通过主抽放管路连接至采区工作面高位钻孔。当钻孔检测瓦斯低时，则关闭钻孔不进行抽放，保留1～2个高位钻孔进行抽放；当大气压突然降低时，增加高位钻孔数量进行采空区抽放，此时就可以减少采空区内外压差和采空区顶部瓦斯量。

4 结语

地面大气压变化对矿井通风、瓦斯和防灭火管理都有着较大影响，是矿井“一通三防”管理中不容忽视的客观因素之一。根据大气压变化对333综采工作面瓦斯涌出影响的程度，采取相应的瓦斯防治措施。实践证明采用高位钻孔抽放技术后瓦斯防治效果显著，从根本上解决了大气压变化带来的异常瓦斯涌出现象，采煤工作面实现了瓦斯零超限管理目标，既保障了安全生产，同时又提高了采煤工作面的单产，该工作面月产达3.5万t。