大气压对采空区压力变化的影响研究

郭武奎 孙国辉 曹宁宁

(1.甘肃靖远煤电股份有限公司大水头煤矿，甘肃 白银 730913；2.天地（常州）自动化股份有限公司，江苏 常州 213015)

大水头煤矿东107 密闭采空区虽然用密封墙进行了密封，但是采空区外部巷道的气体监测数据显示，当地面的大气压发生变化时，会有不同程度的闭内气体外涌至采空区外部巷道。为了保证井下工作人员的健康及矿井安全，有必要对地面大气压变化与采空区内外差压的关系进行研究[1]，为采空区内部气体外涌的防治提供理论依据，同时为煤矿的安全生产管理提供参考。

1 概况

大水头煤矿地形比较复杂，属大陆性干旱气候，年最低及最高气温分别为-23.8 ℃与37.4 ℃。冰冻期为11 月至次年2 月，最大深度可至0.95 m。每年只有238 mm左右的降水量，降水时间为6～9月份，年蒸发量1500 mm 以上。全年多北风和东南风，冬春之交最大风力可达8 级。

矿井通风系统：两翼对角抽出式，主进风井为新主、副井，辅助进风井为老主、副井、1570 平硐，回风井为配备2 台轴流式通风机的北风井和配备2台对旋轴流式通风机的东风井。

矿井为高瓦斯矿井，相对和绝对瓦斯涌出量分别为11.42 m3/t 和47.93 m3/min。煤层易自燃，自然发火期3～6 个月。

2 东107 密闭采空区数据监测及结果分析

2.1 东107 密闭采空区简介

东107 密闭采空区位于东一采区，由5 堵密封墙对整个东107 采空区进行密封处理。该采空区巷道布置如图1。

从图1 可以看出东107 密闭采空区的巷道构造情况以及5 堵密封墙的具体位置。通过对该采空区的现场实际情况进行调研，了解到由密闭墙深入到采空区内部的预留管道分布情况如图1 中的A 局部放大图所示，管道3、管道4 和管道5 为钢制注浆管道，管道1 和管道2 为塑料软管。考虑到管道在采空区中的位置以及采空区数据采集的密封性，选择管道2 为测点用监测管道，用于采集东107 密闭采空区内部的参数数据。通过对测点进行数据采集监控，可以观察到东107 密闭采空区内部与东107密闭采空区外部密封腔中的参数变化之间的联系。

图1 东107 采空区巷道布置

2.2 矿井大气参数在线监测系统

根据东107 密闭采空区的巷道构造与测点位置情况，通过组建东107 密闭采空区的监测监控系统，可以采集到密闭采空区内部测点的数据。以上获取到的为井下数据，无地表大气压数据为参考依据，无法获悉地面大气压数据变化对东107 密闭采空区动态变化的影响。

为了更好地实现对东107 密闭采空区的数据监测，以便增强后续采集数据的可参考性与可分析性，针对东107 密闭采空区的现场调研情况，以及要实现的全方位监测目标，研究并开发了矿井大气参数在线监测系统，实现矿井地面和井下大气参数的多维度实时监测。将东107 密闭采空区监测系统分为井下密闭采空区监测与地面室外监测两部分，该监测系统采用工业以太环网与现场总线相结合的架构布局[2]，该系统包括监控主机、分站及电源箱、矿用多参数传感器等。

2.3 监测数据及结果分析

从2021 年 11 月初开始，对上述井下采空区即东107 通风顺槽中的测点以及地面测点进行了连续监测，分别采集了井下测点的差压、绝压等参数和地表的温度、绝压等参数，由地面监控系统主机定时记录测点的数据情况，并生成数据报表和实时监测曲线[3]。为了提高研究结果的有效性和针对性，从采集样本中选取6 组数据，利用数据生成的曲线分别如图2 ～图5 所示。曲线图中包含了地表温度、地表绝压、采空区绝压和采空区内外差压等参数的曲线，地表温度、地表绝压代表地面测点数据。对于井下采空区测点多参数传感器GD4 常压口位于采空区外部巷道，负压口接东107通风顺槽中。因此，差压为正时说明采空区外部气压大于采空区内部气压；同理，差压为负时说明采空区外部气压小于采空区内部气压。

结合图2 ～图5 的曲线变化规律，可以发现地表大气压变化与东107 密闭采空区差压变化的基本规律如下：采空区内部测得绝压与地表绝压基本保持同步变化，虽然0 点至10 点与10 点至23 点之间两者之间相差的数值有所不同，但是两者总的变化趋势是一致的；而且还可以看出采空区与外部巷道之间的差压值与地表大气压的变化呈现出十分显著的反向变化趋势，即当大气压增加时，采空区内外差压减小，当大气压减小时，采空区内外差压增加；同时采空区内外差压几乎也与地表温度保持相同的变化趋势，只是采空区内外差压的变化相对于地表温度的变化有一个时间上的滞后性。

图2 大气压与采空区压力变化曲线1

图3 大气压与采空区压力变化曲线2

图4 大气压与采空区压力变化曲线3

图5 大气压与采空区压力变化曲线4

仔细观察上述曲线，能够分析得出由上午9 时开始，地表温度呈现出急剧升高趋势，下午3 时变化迅速下降趋势；同时上午10 时开始地表大气压数值也骤然上升，直至下午4 时变为剧烈下降。

通过上述分析以及对井下采空区和地面采集的连续多日数据的研究得出：采空区内部绝压与地表绝压的变化趋势同步且一致；东107 密闭采空区内部的气体压力随着地表温度和地表大气压的变化呈现出“膨胀—收缩”的“呼吸”状态，因此地表大气压与地表温度等因素的共同作用使得东107 密闭采空区密封墙内外的压力发生变化；地表温度的改变首先影响地表绝压的变化趋势，而后地表绝压再影响采空区内外之间的压力差变化。

3 大气压对采空区内部压力的影响机理分析

采空区经过密封墙处理后，外部的新鲜空气依然可以通过裂缝和密闭墙缝隙与采空区进行气体交换，这是地表大气压能够影响采空区内外差压变化的硬性条件[4]。

受工作面风流压力作用，采空区与外部巷道之间相当于存在一个无形的“活塞”，有气体状态方程：

PV=nRT

式中：P为气体压强，Pa；V为气体体积，m3；n为气体物质的量，mol；T为体系温度，K；R为气体常数，J/（mol·K）。

由上述公式可知，对于同一空间内的气体，气体体积与气体压强的变化趋势相反。当气体压强增大时，气体体积减小；当气体压强减小时，气体体积增大[5]。因此当地表大气压升高时，工作面中风流的绝对压力也随之增加，导致井下密闭墙内采空区呈现“负压”状态，这时候外界“新鲜”空气利用地表和密封墙的漏风进入采空区，致使采空区内部的气体组成发生变化。同理，当地表大气压降低时，工作面中风流的绝对压力也随之减小，使得采空区呈现“正压”状态，这时候采空区内部的气体将经过漏风源涌向外部巷道甚至工作面[6]。

4 结论

（1）通过对东107 密闭采空区的数据监测研究，可以得出：采空区绝压与地表绝压保持着同步的变化趋势；地表温度影响地表大气压的变化，两者具有相反的变化趋势，即当地表温度升高时，地表大气压下降，当地表温度下降时，地表大气压上升，但是这种影响在时间上具有一定的滞后性；地表大气压对采空区内外差压变化的影响是反向的，采空区内外差压会随着地表大气压的升高而降低，随着地表大气压的降低而升高。

（2）地表温度和地表大气压的变化对采空区内部气体成分和体积的变化具有重大影响，尤其是采空区内部有害气体的外涌直接关系到煤矿的安全生产和人员的身体健康，因此必须对采空区密封墙的结构和使用材料进行优化，并加强喷浆工作的处理，以减小大气压变化对采空区“呼吸”状态的影响程度，降低采空区与外部气体的气体交换量。

（3）加强地表气象监测顶警与瓦斯抽采工作的部署与执行，调整并优化通风系统的防治技术体系，保证采空区与外部巷道之间压差平衡，以减弱地表大气压变化对矿井风压波动的影响程度，防止因地表大气压的变化造成采空区内部瓦斯气体的外涌情况发生。