复采工作面瓦斯涌出随地表气压变化的相关性分析及对策_薛伟超.pdf

Vol．51No．2 Feb． 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 煤炭是不可再生能源， 2018 年煤炭消费量占能 源消费的比重仍达 59[1]，越来越多的矿井随着煤 复采工作面瓦斯涌出随地表气压变化的 相关性分析及对策 薛伟超 1， 2， 3， 李艳增1， 2 （1．煤科集团沈阳研究院有限公司， 辽宁 沈阳 110016； 2．煤矿安全技术国家重点实验室， 辽宁 抚顺 113122； 3．中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221008） 摘要 以西安矿为例， 发现残复采工作面地表气压的突然下降造成井下回风流瓦斯涌出异常 增大， 且瓦斯异常涌出通常滞后于气压下降 3～6 h 左右。异常涌出的瓦斯浓度曲线分 “极峰” 、 “波动”“波动＋极峰” 3 种类型。分析了地表气压影响井下复采工作面回风流瓦斯浓度的基本原 理， 认为巷道空气压力的绝对值影响煤孔隙壁上瓦斯的 “解吸⇌吸附” 速度， 巷道空气压力的相 对变化引起的压力梯度影响煤孔隙和裂隙中瓦斯运移速度。结合实测数据， 得出了初始地表气 压条件下， 残煤复采工作面回风瓦斯浓度随地表气压变化的量化方程。最后根据大气压降对复 采面瓦斯涌出的影响原理， 提出切断瓦斯向外涌出的通道和抵消大气压降这 2 种防治思路。 关键词 残煤复采工作面； 地表气压变化； 瓦斯异常涌出； 巷道空气压力； 大气压降 中图分类号 TD712文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020） 02-0165-04 Correlation Analysis and Countermeasure of Gas Emission with Atmospheric Pressure in Re-mining Face XUE Weichao1,2,3, LI Yanzeng1,2 （1．China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute, Shenyang 110016, China;2．State Key Laboratory of Coal Mine Safety Technology, Fushun 113122, China;3．School of Mines, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China） Abstract Taking Xi’ an Mine as an example, it is found that the sudden drop of the atmospheric pressure causes the abnormal increase of gas emission in underground return airflow, and the abnormal gas emission usually lags behind the pressure drop of about 3-6 h． The abnormal gas emission curve is divided into three types“polar peak” ,“fluctuation”and“fluctuation ＋ polar peak” ． The basic principle of the atmospheric pressure affecting the gas concentration of return air flow in the underground mining face is analyzed． It is considered that the absolute value of the air pressure of the roadway affects the“desorption and adsorption” speed of the coal pore wall gas． The pressure gradient caused by the relative change of the air pressure of the roadway affects the gas migration velocity in the pore and fracture． Combined with the measured data, the quantitative equation of the change of the return gas concentration with the atmospheric pressure in the residual coal recovery face under the initial surface pressure is obtained． Finally, according to the influence of the atmospheric pressure drop on the gas emission, two kinds of prevention and control ideas are proposed to cut off the gas migration channel or to offset the atmospheric pressure drop． Key words residual coal recovery working face; atmospheric pressure change; gas abnormal emission; air pressure of roadway; atmospheric pressure drop DOI10．13347/j．cnki．mkaq．2020．02．038 薛伟超， 李艳增．复采工作面瓦斯涌出随地表气压变化的相关性分析及对策 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （2） 165-168， 173． XUE Weichao, LI Yanzeng． Correlation Analysis and Countermeasure of Gas Emission with Atmospheric Pressure in Re-mining Face［J］ ． Safety in Coal Mines, 2020, 51 （2） 165-168, 173． 基 金 项 目 “ 十 三 五 ” 国 家 科 技 重 大 专 项 资 助 项 目 （2016ZX05045004- 001） 移动扫码阅读 165 ChaoXing 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．2 Feb． 2020 图 1回风流瓦斯浓度随地表气压变化 Fig．1Gas concentration of the return airflow varies with the surface atmospheric pressure 炭资源减少， 逐渐进入煤柱回收和三角煤、 分层煤、 煤顶、煤底等残煤的复采阶段。瓦斯是影响煤矿安 全生产的重要因素，一般而言，工作面瓦斯涌出量 主要受自然因素和开采因素的影响[2]， 其中工作面 和采空区瓦斯涌出随地表气压变化规律也有大量研 究[3-10]。残煤瓦斯已经经过一次或多次释放， 煤体受 采动裂隙和采动矿压的反复影响渗透率明显增大， 复采瓦斯涌出量相对原煤开采减少很大，影响工作 面瓦斯涌出的主要因素发生了新的变化。结合西安 矿 07033 残煤复采综放面生产技术条件和回风流瓦 斯浓度变化分析了工作面瓦斯异常涌出变化规律， 为残煤复采工作面瓦斯防治提供参考。 1工程概况 07033工作面为残煤复采综放工作面，地面 标高＋257．5～＋263．7 m， 井下标高-482．0～-393．0 m。 走向长 240 m， 倾向长 50 m。主采下煤， 属气煤， 煤层 结构简单， 倾角 20～30， 平均 25， 残煤厚度平均 8 m， 硬度 1．25。直接顶为中粗砂岩， 基本底由凝灰角 砾岩、 玄武质集块岩和安山质凝灰岩组成， 无层理。 采用综采放顶煤采煤法， 顶板自然垮落， 平均日 产 384．5 t。原始煤层瓦斯含量高， 矿井属高瓦斯矿 井。回采局部遇水砂、 金属网、 单扒等采迹及相关旧 巷， 开采影响致煤质疏松破碎， 煤层渗透性大， 瓦斯 已经大量逸出，残煤瓦斯含量 1．13 m3/t，孔隙率 1．79， 残煤瓦斯放散初速度为 5．8， 放散初速度较小。 2地表气压对复采工作面瓦斯涌出影响规律 07033工作面是复采工作面， 一般情况工作面回 风巷瓦斯浓度基本为 0。西安矿经验表明， 一般情况 下，只在阴天下雨时有瓦斯异常增大的现象。气象 变化引起大气压改变， 由于云层 “温室效应” ， 阴天 空气密度减小、 湿度比较大， 导致阴天的大气压比晴 天的大气压低，标准大气压为 1．013 25105Pa。因 此，影响 07033 工作面瓦斯涌出的主要因素为地表 气压的变化。 为了进一步研究残煤复采工作面瓦斯涌出与地 表大气压力下降的关系， 将 07033 复采工作面 2017 年 1 月 1 日至 4 月 17 日所有正常工作日 （扣除 2 月 份过春节） 92 d 内二者在同一时间尺度下的变化情 况进行了统计分析，回风流瓦斯浓度随地表气压变 化如图 1 （1 mmHg133．322 4 Pa） 。 从图 1 可以看出 一般情况下， 当地表气压增大 或者保持相对平稳时，工作面回风巷口瓦斯浓度基 本为 0；工作面回风流瓦斯浓度与地表大气压力密 切相关，基本上每次瓦斯浓度的异常涌出增大都伴 随着地表气压的突然下降，瓦斯异常涌出增大一般 滞后于气压下降 3～6 h； 1 月 17 日 4 00 时，工作面 166 ChaoXing Vol．51No．2 Feb． 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 图 2复采工作面风流和瓦斯流动示意图 Fig．2Schematic of the air and gas flow in the residual coal recovery process 回风流瓦斯可最高由平时的 0异常涌出增大至 1．04， 造成瓦斯超限事故， 严重影响矿井安全生产。 统计发现， 在这 92 d 内， 地表大气压共下降次 数 33 次，其中 25 次伴随工作面瓦斯异常涌出增 大， 另外 8 次瓦斯没有异常涌出。 残采工作面回风瓦斯随地表气压变化的规律是 怎样的从 25 次瓦斯涌出随地表气压变化的情况 看①1 月和 4 月的井下瓦斯异常涌出增大呈极峰 状 （图 1 （a） 、 图 1 （d） ） ， 且在大气压的最低时刻瓦斯 异常涌出量最大；②2 月伴随 2 次、 3 月上半月和 4 月初，地表大气压呈整体阶梯式下降，井下残煤复 采工作面回风流瓦斯浓度呈波动变化规律 （图 1 （b） ～图 1 （d） ） ， 即当地表气压下降时， 回风瓦斯涌出增 大； 当地表气压短时间稳定时， 瓦斯涌出减小， 而地 表气压继续下降时，瓦斯浓度又增大，导致井下瓦 斯涌出出现波动变化的现象；③3 月 1 日 0 时至 3 月 17 日 8 时， 07033 工作面回风瓦斯浓度密集波 动，波动范围主要集中在 0．08～0．16；甚至出现 地表气压上升时也有瓦斯异常涌出的现象，这说明 该段时间内有其它因素影响瓦斯涌出，该因素对瓦 斯涌出的贡献约为 0．08～0．16；在波动的基础 上，在大气压降低至最低点附近，瓦斯浓度急剧增 大呈极峰状， 瓦斯浓度达到 0．39 （图 1 （c） ） 。 那么，什么情况下的大气压下降会引起井下瓦 斯异常涌出呢从这 8 次没有关联的大气压力下降 中， 1 月 5 次， 2 月 2 次， 3 月 1 次。 这 8 次压力下降， 最大压降 3．75 mmHg， 平均压降 1．72 mmHg； 最大压 降速度（压降速度为单位时间内大气压下降的多 少，单位 mmHg/h ） 0．500 mmHg/h, 最小压降速度 0．167 mmHg/h． 对比分析 25 次关联的大气压下降， 最大压降为 16 mmHg， 最小压降为 1．5 mm Hg/h， 平 均压降为 5．75 mmHg；最大压降速度 1．125 mmHg/ h，最小压降速度为 0．101 mmHg/h, 平均压降速度 0．303 mmHg/h。 对比发现， 伴随瓦斯异常涌出时的地 表大气压力， 平均压降增大 4．03 mmHg， 平均压降速 度增大 0．136 mmHg/h。需要注意的是， 虽然平均压 降和压降速度都有所增大，但并不能决定瓦斯涌出 情况，因为也存在小压降和小压降速度的条件下的 瓦斯异常涌出，这可能与气压监测的记录是以每小 时 1 次记录而非实时记录有关。 从图 1 可以看出，瓦斯异常涌出的瓦斯浓度曲 线可以分为“极峰” 、“波动”“波动＋极峰” 3 种类型。 “极峰” 状态对应地表气压的急速单一线性下降 （图 1 （a） 、 图 1 （d） ） ；“波动” 状态对应地表气压阶梯式下 降，且气压下降阶段存在阶梯变速的情况 （图 1 （b） ） ；“波动＋极峰”状态则是上述 2 种情况的综合 （图 1 （c） ） 。在 25 次关联的大气压下降中， 小压降和 小压降速度主要存在于 “波动” 和 “波动＋极峰” 状态 下， 是伴随整体压降的 1 个阶段。 3大气压降对残采面瓦斯涌出的影响原理 对于残煤复采， 原始煤体已遭破坏， 经过长时间 的释放后煤体内残余瓦斯压力经由煤体孔隙和裂隙 内空气连接与回采巷道内空气压力处于动态平衡状 态。当地面大气压突然下降时， 井口巷道空气压力减 小。根据单位体积流量的气体能量方程，井下回采 巷道内任一点 r 断面处的空气压力 pr必然减小， 造 成井下原有的瓦斯压力动态平衡被打破。一方面， 采空区内积存了大量瓦斯气体因工作面气压减小而 大量涌入工作面巷道中，经回风巷使回风瓦斯浓度 增大 （通风机风量稳定） 。复采工作面风流和瓦斯流 动示意图如图 2。另一方面， 煤是一种双重孔隙介质， 瓦斯以游离和吸附二态赋存其中，其中游离态瓦斯 可以流动[11-12]。当煤颗粒表面的压力气压减小时， 原 有的瓦斯 “解吸⇌吸附” 平衡被打破， 短时间内瓦斯 解吸作用大于吸附作用，煤颗粒表面吸附的瓦斯解 吸后转为游离态瓦斯进入孔隙和裂隙中参与瓦斯流 动， 最终进入回采巷道经回风口流出， 亦造成回风流 瓦斯浓度增大 （图 2 红框 ） 。这其中， 巷道空气压力的 绝对值影响煤壁瓦斯的 “解吸⇌吸附” 速度[13-14]， 巷道 空气压力的相对变化引起的压力梯度影响煤孔隙和 裂隙中瓦斯运移速度。 4复采面瓦斯异常涌出的量化方程 井下回风流瓦斯浓度随时间变化函数如下 W＝F1（t）（1 ） 式中 W 为井下回风流瓦斯浓度， ； F1为回风 167 ChaoXing 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．2 Feb． 2020 瓦斯 W 随时间 t 变化的函数； t 为时间， h。 地表气压随时间变化的函数为 pdF2（t）（2） 式中pd为地面大气压力， mmHg； F2为地面大 气压 pd随时间 t 变化的函数。 根据前面节分析，井下瓦斯浓度与地表气压及 其变化速度有关， 结合式 （1 ） 、 式（2 ） 得 W F3（pd， △pd） ＋X＋W0，△pd＜0 X＋W0，△pd≥ ｛ 0 （3） 式中 F3为回风瓦斯 W 的影响函数； △pd为地 面气压力变化速度， mmHg/h； X 为其它因素对工作 面瓦斯涌出影响， ； W0为初始瓦斯涌出浓度， 。 对于 07033 残煤煤复采工作面，根据平时回风 流瓦斯浓度基本为 0， 判断 X0， W00。 生产中尤其关注瓦斯异常增大的峰值。在“极 峰” 、“波动”“波动＋极峰” 3 种瓦斯异常波动类型中 “极峰” 的瓦斯异常值最高， 因此以 2017 年 4 月中典 型的 4 次 “瓦斯-压降”（图 1 （d） ） 关系为例分析， 截 取其中的地表气压连续下降段，以地表气压变化的 时刻点为坐标零点做散点拟合，基本符合线性变化 规律相关系数0．933 3。 从瓦斯异常增大的图像规 律看，将瓦斯上升过程基本符合线性升高规律。将 这 4 个方程参数做算术平均得式 （4） ， 即为初始地 表气压条件下残煤复采工作面回风瓦斯浓度随地表 气压变化的量化方程。 W △W pd-pd0 △pd 0．047 pd-pd0 -0．847 1 ， pd-pd0＜0 0， pd-pd0≥ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■0 （4） 式中 △W 为瓦斯异常涌出速度， /h； pd0为初 始地表气压， ． 5对策分析 为了防止复采工作面瓦斯因大气压降而出现异 常增大的现象，根据大气压降对复采面瓦斯涌出的 影响原理，可以通过以下 2 个方面减小大气压降的 影响 ①切断瓦斯向外涌出的通道 具体而言， 做好 采空区的封堵、充填工作，减少采空区的自由空间 同时切断采空区里段与工作面的通道，此举还有利 于控制采空区顶板沉降，减少冲击地压危险，实现 采空区防灭火； ②抵消大气降的影响 具体而言， 实 时监测大气压力变化，当有气压骤降时，采用智能 控制系统自动向采空区或带采煤体内注入一定压力 的氮气，或者开启智能调节风门采用均压通风的方 式抵消大气压降影响。 6结论 1） 复采工作面回风流瓦斯浓度与地表大气压力 密切相关，地表气压的突然下降大概率造成井下回 风流瓦斯涌出异常增大，且瓦斯异常涌出滞后于气 压下降 3～6 h 左右。 2） 瓦斯异常涌出的瓦斯浓度曲线可以分为 “极 峰” 、“波动”“波动＋极峰” 3 种类型。“极峰” 状态对应 地表气压的急速单一线性下降，“波动”状态对应地 表气压阶梯式下降，“波动＋极峰”状态则是上述 2 种情况的综合。 3） 巷道空气压力的绝对值影响煤壁瓦斯的 “解 吸⇌吸附” 速度， 巷道空气压力的相对变化引起的压 力梯度影响煤孔隙和裂隙中瓦斯运移速度。得出初 始地表气压条件下残煤复采工作面回风瓦斯浓度随 地表气压变化的量化方程。 4） 提出切断瓦斯向外涌出的通道和抵消大气压 降这 2 种防止工作面瓦斯随地表气压突变而异常涌 出的思路。 参考文献 ［1］ 国家统计局．中华人民共和国 2018 年国民经济和社 会发展统计公报 ［R］ ．北京 国家统计局， 2019． ［2］ 常志华．保德煤矿 88303 工作面瓦斯涌出量动态分源 预测 ［D］ ．阜新 辽宁工程技术大学， 2014． ［3］ 王帅， 王宏伟．基于大气压力的工作面瓦斯异常涌出 规律分析 ［J］ ．煤矿安全， 2018， 49 （1） 190－193． ［4］ 苏福鹏， 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责任编辑 陈 洋） 性演化机制与应用 ［D］ ．徐州 中国矿业大学， 2016． ［12］ 何学秋， 聂百胜．孔隙气体在煤层中扩散的机理 ［J］ ． 中国矿业大学学报， 2001， 30 （1） 3－6． ［13］ 李云波， 张玉贵， 张子敏， 等．构造煤瓦斯解吸初期特 征实验研究 ［J］ ．煤炭学报， 2013， 38 （1） 15－21． ［14］ 聂百胜， 杨涛， 李祥春， 等．煤粒瓦斯解吸扩散规律实 验 ［J］ ．中国矿业大学学报， 2013， 42 （6） 975－981． 作者简介 薛伟超 （1988） ， 河南沁阳人， 助理研究员， 中国矿业大学在读博士研究生，主要从事煤矿深部动力灾 害与瓦斯防治研究。 （收稿日期 2019-03-08； 责任编辑 王福厚） （上接第 168 页） 173 ChaoXing