大氣壓對采空區壓力變化的影響研究

郭武奎 孫國輝 曹寧寧

(1.甘肅靖遠煤電股份有限公司大水頭煤礦，甘肅 白銀 730913；2.天地（常州）自動化股份有限公司，江蘇 常州 213015)

大水頭煤礦東107 密閉采空區雖然用密封墻進行了密封，但是采空區外部巷道的氣體監測數據顯示，當地面的大氣壓發生變化時，會有不同程度的閉內氣體外涌至采空區外部巷道。為了保證井下工作人員的健康及礦井安全，有必要對地面大氣壓變化與采空區內外差壓的關系進行研究[1]，為采空區內部氣體外涌的防治提供理論依據，同時為煤礦的安全生產管理提供參考。

1 概況

大水頭煤礦地形比較復雜，屬大陸性干旱氣候，年最低及最高氣溫分別為-23.8 ℃與37.4 ℃。冰凍期為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，降水時間為6～9月份，年蒸發量1500 mm 以上。全年多北風和東南風，冬春之交最大風力可達8 級。

礦井通風系統：兩翼對角抽出式，主進風井為新主、副井，輔助進風井為老主、副井、1570 平硐，回風井為配備2 臺軸流式通風機的北風井和配備2臺對旋軸流式通風機的東風井。

礦井為高瓦斯礦井，相對和絕對瓦斯涌出量分別為11.42 m3/t 和47.93 m3/min。煤層易自燃，自然發火期3～6 個月。

2 東107 密閉采空區數據監測及結果分析

2.1 東107 密閉采空區簡介

東107 密閉采空區位于東一采區，由5 堵密封墻對整個東107 采空區進行密封處理。該采空區巷道布置如圖1。

從圖1 可以看出東107 密閉采空區的巷道構造情況以及5 堵密封墻的具體位置。通過對該采空區的現場實際情況進行調研，了解到由密閉墻深入到采空區內部的預留管道分布情況如圖1 中的A 局部放大圖所示，管道3、管道4 和管道5 為鋼制注漿管道，管道1 和管道2 為塑料軟管。考慮到管道在采空區中的位置以及采空區數據采集的密封性，選擇管道2 為測點用監測管道，用于采集東107 密閉采空區內部的參數數據。通過對測點進行數據采集監控，可以觀察到東107 密閉采空區內部與東107密閉采空區外部密封腔中的參數變化之間的聯系。

圖1 東107 采空區巷道布置

2.2 礦井大氣參數在線監測系統

根據東107 密閉采空區的巷道構造與測點位置情況，通過組建東107 密閉采空區的監測監控系統，可以采集到密閉采空區內部測點的數據。以上獲取到的為井下數據，無地表大氣壓數據為參考依據，無法獲悉地面大氣壓數據變化對東107 密閉采空區動態變化的影響。

為了更好地實現對東107 密閉采空區的數據監測，以便增強后續采集數據的可參考性與可分析性，針對東107 密閉采空區的現場調研情況，以及要實現的全方位監測目標，研究并開發了礦井大氣參數在線監測系統，實現礦井地面和井下大氣參數的多維度實時監測。將東107 密閉采空區監測系統分為井下密閉采空區監測與地面室外監測兩部分，該監測系統采用工業以太環網與現場總線相結合的架構布局[2]，該系統包括監控主機、分站及電源箱、礦用多參數傳感器等。

2.3 監測數據及結果分析

從2021 年 11 月初開始，對上述井下采空區即東107 通風順槽中的測點以及地面測點進行了連續監測，分別采集了井下測點的差壓、絕壓等參數和地表的溫度、絕壓等參數，由地面監控系統主機定時記錄測點的數據情況，并生成數據報表和實時監測曲線[3]。為了提高研究結果的有效性和針對性，從采集樣本中選取6 組數據，利用數據生成的曲線分別如圖2 ～圖5 所示。曲線圖中包含了地表溫度、地表絕壓、采空區絕壓和采空區內外差壓等參數的曲線，地表溫度、地表絕壓代表地面測點數據。對于井下采空區測點多參數傳感器GD4 常壓口位于采空區外部巷道，負壓口接東107通風順槽中。因此，差壓為正時說明采空區外部氣壓大于采空區內部氣壓；同理，差壓為負時說明采空區外部氣壓小于采空區內部氣壓。

結合圖2 ～圖5 的曲線變化規律，可以發現地表大氣壓變化與東107 密閉采空區差壓變化的基本規律如下：采空區內部測得絕壓與地表絕壓基本保持同步變化，雖然0 點至10 點與10 點至23 點之間兩者之間相差的數值有所不同，但是兩者總的變化趨勢是一致的；而且還可以看出采空區與外部巷道之間的差壓值與地表大氣壓的變化呈現出十分顯著的反向變化趨勢，即當大氣壓增加時，采空區內外差壓減小，當大氣壓減小時，采空區內外差壓增加；同時采空區內外差壓幾乎也與地表溫度保持相同的變化趨勢，只是采空區內外差壓的變化相對于地表溫度的變化有一個時間上的滯后性。

圖2 大氣壓與采空區壓力變化曲線1

圖3 大氣壓與采空區壓力變化曲線2

圖4 大氣壓與采空區壓力變化曲線3

圖5 大氣壓與采空區壓力變化曲線4

仔細觀察上述曲線，能夠分析得出由上午9 時開始，地表溫度呈現出急劇升高趨勢，下午3 時變化迅速下降趨勢；同時上午10 時開始地表大氣壓數值也驟然上升，直至下午4 時變為劇烈下降。

通過上述分析以及對井下采空區和地面采集的連續多日數據的研究得出：采空區內部絕壓與地表絕壓的變化趨勢同步且一致；東107 密閉采空區內部的氣體壓力隨著地表溫度和地表大氣壓的變化呈現出“膨脹—收縮”的“呼吸”狀態，因此地表大氣壓與地表溫度等因素的共同作用使得東107 密閉采空區密封墻內外的壓力發生變化；地表溫度的改變首先影響地表絕壓的變化趨勢，而后地表絕壓再影響采空區內外之間的壓力差變化。

3 大氣壓對采空區內部壓力的影響機理分析

采空區經過密封墻處理后，外部的新鮮空氣依然可以通過裂縫和密閉墻縫隙與采空區進行氣體交換，這是地表大氣壓能夠影響采空區內外差壓變化的硬性條件[4]。

受工作面風流壓力作用，采空區與外部巷道之間相當于存在一個無形的“活塞”，有氣體狀態方程：

PV=nRT

式中：P為氣體壓強，Pa；V為氣體體積，m3；n為氣體物質的量，mol；T為體系溫度，K；R為氣體常數，J/（mol·K）。

由上述公式可知，對于同一空間內的氣體，氣體體積與氣體壓強的變化趨勢相反。當氣體壓強增大時，氣體體積減小；當氣體壓強減小時，氣體體積增大[5]。因此當地表大氣壓升高時，工作面中風流的絕對壓力也隨之增加，導致井下密閉墻內采空區呈現“負壓”狀態，這時候外界“新鮮”空氣利用地表和密封墻的漏風進入采空區，致使采空區內部的氣體組成發生變化。同理，當地表大氣壓降低時，工作面中風流的絕對壓力也隨之減小，使得采空區呈現“正壓”狀態，這時候采空區內部的氣體將經過漏風源涌向外部巷道甚至工作面[6]。

4 結論

（1）通過對東107 密閉采空區的數據監測研究，可以得出：采空區絕壓與地表絕壓保持著同步的變化趨勢；地表溫度影響地表大氣壓的變化，兩者具有相反的變化趨勢，即當地表溫度升高時，地表大氣壓下降，當地表溫度下降時，地表大氣壓上升，但是這種影響在時間上具有一定的滯后性；地表大氣壓對采空區內外差壓變化的影響是反向的，采空區內外差壓會隨著地表大氣壓的升高而降低，隨著地表大氣壓的降低而升高。

（2）地表溫度和地表大氣壓的變化對采空區內部氣體成分和體積的變化具有重大影響，尤其是采空區內部有害氣體的外涌直接關系到煤礦的安全生產和人員的身體健康，因此必須對采空區密封墻的結構和使用材料進行優化，并加強噴漿工作的處理，以減小大氣壓變化對采空區“呼吸”狀態的影響程度，降低采空區與外部氣體的氣體交換量。

（3）加強地表氣象監測頂警與瓦斯抽采工作的部署與執行，調整并優化通風系統的防治技術體系，保證采空區與外部巷道之間壓差平衡，以減弱地表大氣壓變化對礦井風壓波動的影響程度，防止因地表大氣壓的變化造成采空區內部瓦斯氣體的外涌情況發生。