大氣壓變化對采空區瓦斯涌出的影響及其防治

胡德萍 廖志成

（江西煤業集團有限責任公司萍鄉分公司安源煤礦，江西 萍鄉 337000）

大氣壓變化是客觀存在的自然現象，其變化對礦井采空區瓦斯涌出有著較大的影響，是礦井瓦斯防治的難點。安源煤礦經過對333綜采工作面的長期觀測，分析大氣壓對瓦斯涌出的影響規律，采取通風系統調整、采空區瓦斯抽放等技術，對大氣壓變化影響采空區瓦斯涌出治理取得了較好的效果。

1 礦井概況

安源煤礦是一個具有一百二十多年開采歷史的礦井，核定生產能力78萬t/a。現主采南翼下煤組大槽煤層，層位穩定，全層厚2.02～18.56m，一般8.47m，純煤厚度1.57～6.80m。煤層結構復雜，含夾矸3～9層，多為灰色粉砂巖及細砂巖，厚度0.1～0.5m。礦井為低瓦斯礦井，煤層瓦斯含量為3.14ml/g。2019年礦井絕對瓦斯涌出量為5.76m3/min，相對瓦斯涌出量為5.74m3/t，煤塵有爆炸性，煤層自燃傾向性等級為二類自燃。礦井采用混合抽出通風方式，礦井總進風量5197m3/min，總排風量為5716m3/min。333通風系統示意圖如圖1。

圖1 333通風系統示意圖

2 大氣壓變化與采空區瓦斯涌出變化規律

2.1 工作面簡介

3214 采區333工作面煤層結構復雜，厚度變化較大，煤層平均厚度5m左右。該工作面為單斜構造，走向N10°～45°E，傾角NW∠10°～15°。工作面走向長度260m，傾斜長度平均90m。工作面采用綜合機械化放頂煤開采，采空區頂板管理為全部自然垮落法。煤層頂底板情況見表1。

表1 煤層頂底板情況表

2.2 一天中大氣壓變化規律

地表大氣壓即為地表空氣的絕對靜壓。地表大氣壓是隨時隨地變化的，大氣壓與空氣溫度和濕度等因素有關，空氣溫度和濕度越低，氣壓就越大，反之越小。在2019年10月對上述333回采工作面瓦斯及氣壓進行了連續監測，定時記錄，現取用一天記錄，見表2。

表2 2019年10月15日大氣壓與絕對瓦斯涌出量

通過實際觀測數據，在一天內大氣壓在下午12：00～17：00 逐漸變低，隨后大氣壓逐漸升高。如果連續下雨天氣，一天中大氣壓較為穩定，變化相差0.3kPa左右。連續幾天晴朗天氣，大氣壓一天中下午12：00～17：00時間段與其他時間段相比變化較大，變化相差最大值0.8kPa左右。

2.3 大氣壓變化與瓦斯涌出變化規律

333 采煤工作面采用負壓通風方式，按照規程要求調配適當風量，工作面運輸巷與風巷存在標高差，運輸巷與風巷存在相對壓差，并且工作面各段具有相對壓差，從工作面運輸巷往風巷壓差逐漸增加，地面大氣壓變化時井下各點絕對靜壓必然同步變化。從監測數據可知，當大氣壓增大時采空區瓦斯涌出量降低，當大氣壓突然大幅降低時，采空區瓦斯涌出量增大。

安源礦大槽煤層瓦斯含量相對較低，采煤工作面開采過程中，煤層中瓦斯解析一部分隨著風流排入回風巷，另一部分會積存在采空區頂部。采空區可視為半封閉容器，根據波義耳定律，在等溫過程中，氣體的體積與絕對靜壓成反比變化，即

T1=T2時，V2/V1=P1/P2

式中：

T-溫度；

V-氣體體積；

P-靜壓。

采煤工作面采空區內絕對靜壓相對不變時，當采煤工作面絕對靜壓發生變化時，受靜壓變化影響必然會出現采空區氣體體積膨脹或收縮現象，表現為采空區有害氣體異常涌出或外界向采空區漏風的“呼吸”現象。通過對333機采工作面的觀測發現，井下任意測點風流的絕對靜壓是隨大氣壓變化而同步變化的，地面大氣壓變化必然引起采煤工作面絕對靜壓發生變化，當地面大氣壓降低時采空區瓦斯向工作面涌出。

3 大氣壓降低時采空區瓦斯涌出防治技術

333 機采工作面采用“ U”型通風方式，工作面正常開采過程中回風巷瓦斯濃度0.05%～0.2%，風排瓦斯量相對較低。但是受地表大氣壓突然降低的影響，工作面回風巷風流中的瓦斯濃度出現增大趨勢。大氣壓下降壓差值越大，在工作面風量一定時則回風巷瓦斯濃度增加越明顯，造成工作面瓦斯涌出量極不穩定。在表1中，大氣壓在100.5kPa時絕對瓦斯涌出量0.205m3/min，大氣壓在99.70kPa時絕對瓦斯涌出量2.289m3/min，采空區瓦斯涌出量與大氣壓成反比變化。

3.1 工作面增加風量稀釋瓦斯濃度

333 機采工作面配風量410m3/min，工作面受大氣壓變化經常出現瓦斯超過0.5%預警值的情況，采取增加工作面風量來稀釋瓦斯濃度的措施，將333工作面風量調整為510m3/min后，工作面瓦斯濃度降低明顯。由于增加風量過大不利于防治煤炭自然發火，所以僅采用增加風量的措施不能完全遏制瓦斯涌出量隨大氣壓變化而出現的異常涌出。

3.2 調節增大工作面靜壓減小采空區壓差值

針對大氣壓變化會出現采空區瓦斯異常涌出的現象，在333機采工作面風巷安裝一套可調節風門來增大工作面靜壓，達到遏制采空區大氣壓變化帶來的瓦斯涌出現象。監測礦井地面大氣壓變化，當大氣壓降低時，在工作面風巷調節風門以達到增大靜壓遏制采空區瓦斯涌出量增加的目的，雖然效果明顯，但是操作不太方便。

3.3 采取高位鉆孔抽放采空區瓦斯

通過分析大氣壓變化與采空區瓦斯涌出的規律，結合333工作面地質構造及開采工藝，在333工作面采用高位鉆孔瓦斯抽放技術，通過采空區抽放形成一定負壓，減少大氣壓降低引起的采空區瓦斯涌出量。通過采用高位鉆孔交替抽放采空區頂部瓦斯形成負壓，使采空區靜壓在地表大氣壓突然降低時，由于采空區高位鉆孔負壓抽放，使采空區內外氣壓差相對減少。并且高位鉆孔的抽放，使大量瓦斯通過抽放管輸送至地面，達到了有效降低采空區瓦斯大量涌出的效果。未采取高位鉆孔抽放時，當大氣壓降低至0.7～0.8kPa時，工作面回風流瓦斯濃度0.6%～0.7%左右；采取高位鉆孔抽放時，當大氣壓降低0.7～0.8kPa時，工作面回風流瓦斯濃度0.2%左右。

3.3.1 高位鉆孔的布置

在333采煤工作面風巷距工作面回風隅角10m、20m處布置2組鉆孔，每組4個鉆孔，見圖2。高位鉆孔1號、2號、5號和6號平行風巷靠近下幫內側棚頂，設計坡度30°，施工20m終孔于工作面尾或風巷頂部巖層裂隙，起、終孔標高差10m；3號、7號和4號、8號鉆孔分別與風巷20°夾角和 30°夾角，施工20m終孔于工作面頂部巖層裂隙，起、終孔標高差10m。每個鉆孔坡度+20°～ +25°，每組鉆孔相距10m，形成鉆孔交替方式，工作面推進至第一組一半時，第二組鉆孔可以循環接替。并且采用短孔抽放可以大幅提高抽放效率和避免長期抽放一個地點不利于防治煤炭自然發火的缺陷。

圖2 高位鉆孔布置示意圖

3.3.2 高位鉆孔施工

（1）鉆孔施工設備

鉆機型號：ZL-500型；

鉆桿直徑：Φ45mm，長度700mm；

鉆頭直徑：Φ75mm，合金鋼鉆頭。

（2）鉆孔基本要求

① 在工作面回風巷處安裝好鉆機，其鉆機方位坡度按設計的方案而定，并打好固定柱，先按鉆孔設計位置參數進行開孔。

② 施工鉆孔時，觀察鉆孔返水情況，一般距設計鉆孔距離近時，鉆孔不返水，則可以確定鉆孔已到達采空區頂部裂隙中。

③ 鉆孔終孔后，按要求下入套管，套管長度要與鉆孔長度相近。

④ 保證鉆孔封孔質量，封孔長度要達到0.8m以上，防止鉆孔漏氣而降低抽放效率。

3.3.3 瓦斯抽放

安源礦建有兩套90kW集中瓦斯抽放系統，管路連接至各個生產采區，瓦斯泵抽放負壓38kPa，通過主抽放管路連接至采區工作面高位鉆孔。當鉆孔檢測瓦斯低時，則關閉鉆孔不進行抽放，保留1～2個高位鉆孔進行抽放；當大氣壓突然降低時，增加高位鉆孔數量進行采空區抽放，此時就可以減少采空區內外壓差和采空區頂部瓦斯量。

4 結語

地面大氣壓變化對礦井通風、瓦斯和防滅火管理都有著較大影響，是礦井“一通三防”管理中不容忽視的客觀因素之一。根據大氣壓變化對333綜采工作面瓦斯涌出影響的程度，采取相應的瓦斯防治措施。實踐證明采用高位鉆孔抽放技術后瓦斯防治效果顯著，從根本上解決了大氣壓變化帶來的異常瓦斯涌出現象，采煤工作面實現了瓦斯零超限管理目標，既保障了安全生產，同時又提高了采煤工作面的單產，該工作面月產達3.5萬t。