大气压力变化与矿井瓦斯涌出规律探究

2019-04-18 07:44李小波
智富时代 2019年2期
关键词:大气压力大气压气压

李小波

【摘 要】大气压力变化引起礦区气压变化,进而影响矿井工作面采空区、采空区密闭内部瓦斯涌出量变化,通过对煤矿回采工作面、采空区永久密闭进行观测,验证结果表明无论回采工作面采空区还是采空区永久密闭都符合理想气体状态方程,大气压变化导致采空区内部气体收缩或膨胀,瓦斯涌出量相应的降低或增加。但当大气压力在急剧变化下,瓦斯涌出量迅速增加,应该在此时期加强瓦斯防治工作。

【关键词】大气压力;瓦斯涌出

瓦斯不规律涌出是制约煤矿安全生产的重要环节,在瓦斯治理过程中,瓦斯异常涌出主要是破煤处于地质破碎带附近、采空区瞬间冒落及工作面周期来压等,往往忽视了大气压力变化对瓦斯涌出的影响。经过我矿近年来在瓦斯治理过程中的分析研究,发现矿井瓦斯涌出量与大气压力有密切的联系,气压变化矿井瓦斯也随之变化,探究大气压力与瓦斯涌出的变化规律,对今后瓦斯治理工作具有指导意义。

一、矿区气压变化规律

地球表面覆盖的一层厚厚的由空气组成的大气层,处于大气层中的物体,都受到空气分子撞击产生的压力,简称大气压力。受到地心引力作用,距地球表面越近,地球吸引力越大,空气分子撞击物体表面的频率越高,产生的大气压力就越大;反之,欲小。据测定, 旬耀矿区地面大气压力变化在一年内可达500~2000pa,特殊情况下一天变化可达200~400pa,每天早晨气压上升,下午气压下降;冬季气压高,夏季气压低,但是如某一次寒流到来,气压相应增高,但是冷空气一过,气压缓慢下降,因此某一固定区域的内大气压力变化,必然导致矿井内部大气压变化,进而影响矿井内部瓦斯变化。

二、瓦斯涌出来源及运移规律

1.矿井瓦斯涌出来源

根据矿井瓦斯涌出地点不同,分为采掘工作面割煤煤壁破坏;已掘岩巷、煤巷逐渐释放;采空区遗煤释放;邻近煤层瓦斯涌出。

2.瓦斯运移规律

瓦斯在煤层中的赋存形式主要有两种状态:一种称为游离瓦斯,渗透于煤层裂隙当中;另一种称为吸附瓦斯,主要吸附在煤的微孔表面和储存煤的微粒内部。实测表明,煤层中吸附瓦斯量占70%~95%,而游离瓦斯量占5%~30%。在煤体未被破坏前,游离和吸附瓦斯在压力作用下处于动态平衡状态。当在井下进行采掘活动时,煤体的平衡状态被打破,部分游离瓦斯在压力作用下从煤层中释放出来,瓦斯压力逐渐降低,同时,吸附瓦斯逐渐从煤层中解析,源源不断的释放瓦斯。

三、大气压力与采空区永久密闭及采煤工作面的关系

1.大气压力与采空区永久密闭的关系

我们把采空区永久密闭作为研究对象,假定采空区永久密闭封闭相当严实,是一个理想封闭空间,根据理想气体状态方程。当压强增大时,为了保持平衡,体积就得减小,内部气体处于收缩状态;当压强减小时,为了保持平衡,体积就得增大,内部气体处于扩张状态。

但在井下采空区永久密闭外,存在大量裂隙与密闭墙内部进行沟通,内部气体会通过裂隙,进行物质与能量交换,以趋近动态平衡。当大气压升高时,为了维持平衡,外部气体必须对密闭墙内进行补充,呈现内漏;当大气压降低时,内部气体必须进行释放,表现出外漏。

2.大气压与采煤工作面的关系

回采期间,受采动影响,瓦斯压力逐渐释放,部分游离瓦斯随着风流进入回风流中,大部分吸附瓦斯来不及释放直接进入采空区,致使大部分瓦斯都遗留在采空区,当大气压升高时,采空区内大气压也同时升高,但是工作面空间压力升高较快,压制着采空区内部瓦斯向外扩散,采空区内瓦斯处于收缩状态,瓦斯在工作面显现不明显。当大气压降低时,采空区内大气压也降低,工作面空间压力降低较快,采空区瓦斯向工作面风流中进行扩散,采空区内部瓦斯气体体积膨胀,部分游离瓦斯、吸附转化的瓦斯及部分围岩瓦斯大量释放进入工作面。

四、实例分析

1.仪器选择

测定压力仪器:选用JFY-2型矿井通风多参数检测仪,主要检测大气压力、温度、湿度等。

测定瓦斯仪器:选用CJG-10/100型光干涉甲烷测定器,主要检测瓦斯及二氧化碳。

2.观测区域

根据我矿生产情况,选择42106综放工作面及42101采空区永久密闭。

(1)42106综放工作面连通采空区面积较大,采空区内部气体对气象条件敏感,并且采空区瓦斯涌出量较大,易于准确掌握。

(2)42101工作面采空区永久密闭内部采空区面积较大,周边风流稳定,便于长时间观测。

3.观测点设置

4.3.1 42106综放工作面压力测定点设置在进风隅角,瓦斯监测点设置在进风隅角、工作面中部、回风隅角及回风流中。

4.3.2 42101工作面采空区永久密闭压力观测点设置在密闭栅栏内,瓦斯监测点设置永久密闭观测孔内。

4.观测方法

根据42106综放工作面生产情况,选择每天上午8点至夜间0点,每1h测定一次大气压力及瓦斯浓度,持续观测1个月。为减少误差,分别选取1个检修班和1个生产班,同时在这期间尽量减小风量调整,保证矿井风压稳定。统计数据方面,取每天数值变化的平均值。

5.监测结果

根据连续监测,整理得到压力及各测点瓦斯浓度(瓦斯和二氧化碳浓度)数据,具体见图:

(1)经分析,一般在中午10点~下午17点工作面进风隅角大气压力明显呈下降趋势,在该对应时刻瓦斯浓度呈上升趋势,在下午17点后,大气压力呈上升趋势,对应瓦斯浓度逐渐下降。

(2)在现场观测某一天,受到天气变化影响,气压变化范围较大,工作面瓦斯浓度变化也较大。

(3)在观测采空区永久密闭中,瓦斯也随着大气压力变化而变化,当大气压力升高时,打开观测孔,观测到外部气体向密闭墙内进风,瓦斯浓度为零;当大气压力降低时,打开永久观测孔,观测到内部气体向密闭墙外出风,瓦斯浓度较高,最高瓦斯浓度达到40%。

五、结论

(1)无论是在采空区永久密闭还是回采工作面,都符合理想气体状态方程,当大气压力升高时,采空区和巷道空间大气压力同时升高,但巷道空间大气压力上升较采空区快,气体向采空区流动,瓦斯涌出量减少。当大气压力降低时,采空区和巷道空间大气压力同时降低,但巷道空间大气压力降低较采空区快,气体向巷道空间流动,瓦斯涌出量升高。

(2)大气压力变化后,瓦斯不是立即发生变化,一般滞后于大气压力变化,虽然给瓦斯治理预留一段时间,但是控制瓦斯应该避免大气压力的影响,采取更加有效的瓦斯治理措施进行控制。

(3)对于采空区永久密闭,密闭墙内漏和外漏都直接或间接影响采空区内部气体流动,增加密闭墙内氧气浓度,不利于采空区防火工作。尤其要注意季节变更期间防火管理工作,应加强密闭墙内标志性气体检测工作。

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