采空區(qū)呼吸效應(yīng)既氣球理論假說研究對策

陶世超

一、實施背景

常村煤礦為低瓦斯礦井，2-3煤瓦斯含量在2.04 m3/t-2.66 m3/t之間，原始瓦斯壓力在0.28 Mpa-0.32 Mpa之間，隨著礦井采掘機械化程度的提高，采深的增大，采空區(qū)的體積越來越大，特別像義煤常村礦這樣的老礦，采空區(qū)就像巨大氣球包圍著采掘空間，采掘面瓦斯含量和壓力總體呈上升趨勢，礦井瓦斯涌出量急驟增大，采掘工作面瓦斯積聚和瓦斯超限現(xiàn)象時有發(fā)生，其中采煤工作面的回風(fēng)上隅角和與采空區(qū)相連的閉墻尤為突出，特別是在季節(jié)交替和地面溫度變化幅度較大時，既采空區(qū)受外界大氣壓影響，整個采空區(qū)就像一個巨大氣球受到擠壓從而產(chǎn)生呼吸效應(yīng)，采空區(qū)瓦斯涌出凸顯為異常變化，嚴(yán)重制約了采煤工作面的正常安全生產(chǎn)，威脅到整個礦井安全問題。因此，探索季節(jié)變化和呼吸現(xiàn)象之間的關(guān)系，掌握其相關(guān)性，優(yōu)化采面瓦斯超限治理措施，可以更加有效的抵御和消除因呼吸效應(yīng)引起的瓦斯異常涌出。

二、影響采空區(qū)瓦斯異常涌出的壓力效應(yīng)

（一）地面大氣壓變化對采空區(qū)瓦斯涌出的影響

當(dāng)?shù)孛娲髿鈮喊l(fā)生變化時，必定引起井下巷道內(nèi)空氣壓力和風(fēng)量的變化，從而引起工作面采空區(qū)內(nèi)、密閉內(nèi)瓦斯涌出量的變化，根據(jù)研究數(shù)據(jù)可知地面大氣壓晝夜變化范圍一般在4-8×10-3MPa，通過對比可得地面大氣壓的變化量遠(yuǎn)比煤層壓力小，因此，地面大氣壓的變化對巷道內(nèi)外露煤層瓦斯涌出量影響微乎甚微，但地面大氣壓的變化對采空區(qū)瓦斯涌出量影響較大，特別是春夏季節(jié)，隨氣溫逐步升高，煤礦的倒風(fēng)季節(jié)也隨之來臨，倒風(fēng)季節(jié)往往是煤礦瓦斯事故發(fā)生的高發(fā)期，通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)觀測，當(dāng)?shù)孛鏈囟壬?，大氣壓下降梯度增大，并處于低壓周期，采空區(qū)瓦斯涌出量急劇增大，井下工作面現(xiàn)場表現(xiàn)為瓦斯涌出量在短時間內(nèi)明顯增大，瓦斯?jié)舛仍诙虝r間內(nèi)局部范圍內(nèi)（工作面上隅角）發(fā)生顯著變化，瓦斯?jié)舛瘸杀吨鸩皆龃?，從而?dǎo)致上隅角發(fā)生瓦斯超限事故。

大氣壓變化對瓦斯異常涌出作用機理表現(xiàn)在2方面：

1、當(dāng)大氣壓突然下降時，回采工作面的靜壓下降，而采空區(qū)內(nèi)部瓦斯壓力在封閉區(qū)域內(nèi)短時間保持相對穩(wěn)定。隨大氣壓持續(xù)下降，工作面采空區(qū)內(nèi)外壓差增大，根據(jù)氣體流動規(guī)律，氣體會從壓力大的一側(cè)流向壓力小的一側(cè)，采空區(qū)瓦斯氣體會更快、更多地向壓力較低的工作面涌出。

2、采空區(qū)內(nèi)氣壓隨溫度變化而變化，遵守?zé)崦浝淇s原理，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程可知：

PV=nRT

式中P——采空區(qū)內(nèi)瓦斯氣體壓力;

V——采空區(qū)氣體體積;

n——氣體量;

R——氣體常熟;

T——氣體熱力學(xué)溫度。

當(dāng)采空區(qū)內(nèi)瓦斯氣體溫度發(fā)生變化時，氣壓也隨之變化，其變化量為：

△P=nR△T/V

當(dāng)工作面上下隅角及架間存在有向采空區(qū)漏風(fēng)通道時，溫度變化引起的內(nèi)外壓差將促使氣體在裂隙處流動，最終達(dá)到內(nèi)外氣壓平衡，氣體的流動量為：

n1=PV/RT1

n2=PV/RT2

△n=n1-n2=PV/R（1/T1-1/T2）

當(dāng)采空區(qū)內(nèi)溫度升高時，采空區(qū)就會呼出氣體，當(dāng)采空區(qū)內(nèi)溫度降低時，采空區(qū)就會吸入氣體。

（二）風(fēng)量變化對采空區(qū)瓦斯異常涌出的壓力影響

當(dāng)工作面的風(fēng)量變化時，會直接影響采空區(qū)的漏風(fēng)量和漏風(fēng)中的瓦斯?jié)舛?，在短時間內(nèi)采掘面瓦斯涌出量和風(fēng)流中瓦斯?jié)舛葧l(fā)生異常變化，增大工作面風(fēng)量，會同步增大工作面負(fù)壓和采空區(qū)漏風(fēng)量，采空區(qū)一部分瓦斯受壓力變化影響從采空區(qū)溢出，導(dǎo)致工作面絕對瓦斯涌出量迅速增加，風(fēng)流中瓦斯?jié)舛燃眲∩仙?，隨風(fēng)量的增加，受風(fēng)排瓦斯的作用，瓦斯?jié)舛乳_始下降，經(jīng)過一段時間后，絕對瓦斯涌出量恢復(fù)到或接近原有值，風(fēng)流中瓦斯?jié)舛炔拍芙档皆袧舛戎担L(fēng)量減少時，情況相反，但都有超出平常的峰值出現(xiàn)。

三、采空區(qū)瓦斯防治對策

21220工作面概況：

21220工作面位于21采區(qū)三條下山西翼，從上而下第十個工作面，上部為已采畢的21200工作面，下部為未開掘的21240工作面，西部與躍進(jìn)井田相鄰，本工作面采用走向長壁采煤法，綜采放頂煤，一次采全高，自然垮落法管理頂板。

21220上巷設(shè)計長度874m，下巷設(shè)計長度841m，切眼設(shè)計長度265m，可采走向長度739m，煤層傾角11.5°，可采平均煤度7.9m，屬防沖區(qū)域，考略到防沖需要，平均月進(jìn)尺在25米左右，工作面風(fēng)量配備在850m3/min左右。

（一）合理安排作業(yè)循環(huán)

大氣壓急劇變化和工作面放頂煤期間會導(dǎo)致工作面瓦斯涌出在短時間內(nèi)增大，甚至造成工作面上隅角瓦斯超限。夏季中午左右是地面氣壓最低時候，為避免放頂煤與大氣壓變化對工作面采空區(qū)瓦斯異常涌出的影響，礦井可計劃在此階段內(nèi)進(jìn)行檢修作業(yè)，可以調(diào)整作業(yè)循環(huán)表，采用分段作業(yè)和追機作業(yè)相結(jié)合，放煤工分段作業(yè)，拉架工、移溜工追機作業(yè)，端頭工、采煤機司機和溜子司機及檢修工定崗包機專職作業(yè)，勞動專職可分為兩個檢修班，兩個生產(chǎn)班，每天一班生產(chǎn)，一班檢修。21220工作面作業(yè)循環(huán)安排為：檢修時間：10：00-22：00，生產(chǎn)時間：22：00-次日10：00。

（二）均壓通風(fēng)技術(shù)

1、均壓通風(fēng)作用原理

該技術(shù)是通過調(diào)節(jié)通風(fēng)系統(tǒng)局部區(qū)域的壓差，使漏風(fēng)通道進(jìn)出口兩端的壓力平衡，以達(dá)到杜絕或減少漏風(fēng)為目的均壓技術(shù)。

2、均壓通風(fēng)在21220工作面應(yīng)用

在滿足工作面風(fēng)量需求的前提下，可以在21220工作面上巷回風(fēng)中合適位置設(shè)置2道自由調(diào)節(jié)的擋風(fēng)簾，人工實時不間斷監(jiān)測上下隅角壓差變化，及時調(diào)節(jié)擋風(fēng)簾高度，減少回風(fēng)巷過風(fēng)斷面，從而使工作面風(fēng)流壓力保持相對穩(wěn)定，縮減上下隅角壓差，從而，抑制采空區(qū)的“呼吸”作用。

根據(jù)以上觀測數(shù)據(jù)可知，通過均壓通風(fēng)手段的設(shè)施，工作面上下隅角壓差縮減56.25%，采空區(qū)漏風(fēng)量縮減47.73%，現(xiàn)場上隅角瓦斯?jié)舛绕骄档?.06%-0.12%，措施效果明顯。

（三）加強抽放，合理確定抽放半徑

1、上隅角埋管、插管和天管瓦斯抽放

在工作面上隅角處向采空區(qū)預(yù)先、連續(xù)壓入一趟管徑不小于Φ100mm的聚乙烯管，且間隔12m或24m出一個T型三通立桿。隨著工作面的推進(jìn)，當(dāng)每個三通立桿進(jìn)入采空區(qū)后進(jìn)行埋管抽放。同時，沿上隅角煤袋墻巷道頂部接入1根6m長？100mm聚乙稀抽放管進(jìn)行插管抽放，插管插入煤袋墻以里不得低于1.5米。待下一道煤袋墻建成后移出，以此循環(huán)作業(yè)。必要時可在主管上分出支管進(jìn)行上隅角空間瓦斯抽放。所用埋管、插管和天管均通過彈簧管與上巷？250mm聚乙烯抽放主管路上的三通或四通相連，進(jìn)行瓦斯抽放。

2、分源（鉆場）瓦斯抽放

回采期間在工作面回風(fēng)巷下幫距離開切眼煤壁30-40m范圍內(nèi)布置一個低位鉆場，在鉆場內(nèi)施工6-8個高位鉆孔，鉆孔仰角（傾角）和鉆孔與巷道軸線夾角，主要根據(jù)工作面煤層厚度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，保證鉆孔終孔位置落在采空區(qū)的裂隙帶內(nèi)，以便鉆孔內(nèi)套管可以穩(wěn)定地抽出裂隙帶內(nèi)的高濃度瓦斯。每個鉆場的抽放鉆孔與前一個鉆場抽放鉆孔的搭接長度不少于20m。

鉆孔封好后用彈簧管將套管與抽放主管路混合器連接好，每個鉆孔與混合器之間設(shè)流量計、測氣嘴、閘門等，抽放管路沿途設(shè)放水器及放碴器，以免煤層內(nèi)的水、碎煤等進(jìn)入抽放管。當(dāng)鉆孔與工作面采空區(qū)透氣后，打開支管閥門進(jìn)行抽放瓦斯。每個鉆孔支管設(shè)觀測孔以便進(jìn)行瓦斯和CO濃度測試，發(fā)現(xiàn)失效的低濃度瓦斯抽放鉆孔和采空區(qū)自然發(fā)火征兆的鉆孔時及時進(jìn)行關(guān)閉。

利用瓦斯壓力降低法來測定瓦斯抽放孔有效半徑，通過現(xiàn)場大量鉆場孔數(shù)據(jù)對比分析發(fā)現(xiàn)距工作面25-60m時鉆場孔抽放效果最佳。故最終確定單孔的有效抽放半徑為6m，抽放影響半徑為7.5m。