地面大气压力变化与矿井瓦斯涌出关系探讨.pdf

第2 0 卷第 1 0 期 甘 肃 科 技 G a n s u S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y vo l . 2 0 2 0 0 4 年 1 0 月 No. 1 0 2 0 0 4 地面大气压力变化与矿井瓦斯涌出关系探讨 武鸿久 窑街煤电 公司三矿， 甘肃兰州 7 3 0 0 8 0 摘要 结合窑街矿区地面大气压力变化引起矿井瓦斯涌出量变化的观浏研究， 对二者之问的相互 关来 进行了 分析和探讨， 找出了 不同源瓦 斯随大气 压变 化的涌出 规律， 对矿井日 常瓦斯管理具有一 定的指导意义。 关键词 大气 压力; 瓦 斯涌出 源; 瓦 斯压力; 涌出 规律 中图分类号二 T n 7 1 3 . 1 1 前言 大气层因受到地心引力作用而呈现的压力称为 大气压力， 简称大气压。矿区大气压力的大小与矿 区所处地面的海拔高度和气象条件有关， 海拔越高， 压在地表上的空气柱越短， 同时空气越稀薄， 空气的 重率r 也越小， 所以造成海拔越高地面大气压力越 低， 反之则越大。一个地区的大气压力不是固定不 变的， 而是随当地气象条件 如气温、 空气湿度等 的 变化而变化。据测定， 窑街矿区地面大气压力变化 在一年内可达1 7 0 0 -4 5 0 0 P a ， 一天内个别情况下可 达2 0 0 -8 0 0 P a o矿井可以看作是一个与大气层连 通的巨 大的连通器， 大气压力的变化必然要引起矿 井内空气压力的变化， 这对矿井不同来源的瓦斯涌 出量变化将产生不同的影响。掌握矿区大气压与矿 井瓦斯涌出变化的规律， 搞清二者之间的相互关系， 对矿井日 常瓦斯管理是十分重要的。本文根据窑街 矿区地面大气压力变化引起矿井瓦斯涌出量变化的 观测资料， 对二者之间的相互关系进行分析探讨， 对 矿井日 常瓦斯管理具有一定的指导意义。 矿井为斜井开拓方式， 生产能力1 8 5 万t / a ， 采 煤方法为急倾斜走向长 短 壁水平分层综 炮 采放 顶煤 开采。采用分 区抽 出式通 风， 总进 风量 1 0 0 9 5 衬/ m i n ， 总回风量1 0 7 1 0 衬/ m in 。为低沼气、 煤 岩 与C O 突出矿井。矿井沼气绝对涌出量1 . 0 9 m 3 / m i n ， 相对涌出量3 . 0 1 m 3 八. d ; C O Z 绝对涌出 量3 2 . 2 7 m 3 / m i n ， 相对涌出量 1 3 . 7 5 m 3 / t . d 。煤层 具有自 然发火危险， 煤尘具有爆炸性。 3 地面大气压与矿井静压的关系 不论流动的空气还是静止的空气都能产生一种 压力， 即静压。静压产生的原因是为数巨大的空气 分子热运动与重力的影响， 其特点是各向同值且垂 直作用于器壁 井巷壁 。静压的大小随井巷所处位 置标高的不同而不同。地面大气压与矿井静压的关 系如图1 所示。 A 下 A 、 、 } 、一 一 2 基本情况 窑街矿区地处兰州市红古区窑街镇， 矿井位于 大通河河谷阶地上， 西部及西北部地势比较平坦， 东 南部、 东部及东北部为中山区， 海拔高度在1 7 9 5 - 2 0 6 0 m之间， 属干旱大陆性气候条件。据气象资料 统计， 矿区每年6 , 7 , 8 三个月气温较高， 1 2 , 1 , 2 三 个月气温较低。月平均最高气温2 1 . 6 0 C ， 平均最低 气温一 9 . 2 0 C . 压入式 抽出式 图 1 矿井静压与大气压关系 从图中可以看出， 对于压入式通风的矿井， 由于 风流中任一点A的绝对静压P A 一般比同标高的当 地大气压P O 大， 所以， A点的绝对静压P A P A P O h a P a 万方数据 第 1 0 期武鸿久 地面大气压力变化与矿并瓦斯涌出关系探讨 1 2 1 对于抽出 式通风的矿井， 由于风流中任一点B 的绝对静压P B 始终比同标高的大气压力P O 小， 故 B 点的绝对静压P B P B P O 一 h b P a 式中 h a , h b 一分别表示压入式、 抽出式通风矿 井的通风压力， P a 。 4 矿井瓦斯的涌出来源及运移规律 4 . 1 矿井瓦斯涌出来源 矿井瓦斯按其涌出地点的不同可分为掘进区瓦 斯、 采煤区瓦斯和采空区瓦斯三种来源。掘进区瓦 斯涌出量的多少主要取决于同时开掘巷道的多少、 巷道围岩涌出瓦斯的大小及掘进区所处的瓦斯地质 环境。采煤区的瓦斯一部分来自开采煤层本身， 另 一部分来自围岩和邻近煤层。一般情况下， 当开采 单一煤层时， 其本身的瓦斯涌出是主要的， 但在煤层 群开采时， 邻近层涌出的瓦斯量占很大比 例， 有时会 大于开采煤层本身的瓦斯涌出量。采空区瓦斯的多 少主要取决于煤层瓦斯含量、 顶板管理方法、 采空区 面积的大小和冒落程度等因素的不同而不同。这是 由于随着采空区岩石和顶煤的冒落， 有时会从顶底 板围岩或邻近煤层中放出大量的瓦斯， 同时， 丢弃在 采空区内的煤柱、 煤皮、 浮煤也放出大量的瓦斯。所 以， 矿井的瓦斯涌出量可用下式表示 Q 瓦 EQ 掘十名Q 采EQ 空名Q 其 它 M / m i n 式中 Q 瓦 矿井瓦斯涌出 量， m 3 / m in ; Z Q M 一掘 进 工作 面瓦 斯 涌出 量 之 和， m 3 / m i n ; E Q 采 采煤工作面瓦斯涌出量之和， 衬/ m i n; EQ 空 工作面采空区瓦斯涌出量总之和， m 3 / m i n ; Z Q 其 它 矿井其它地点瓦斯涌出量之和， m 3 / m i n . 4 . 2 瓦斯在煤体中的存在形态和运移规律 煤体是一种典型的孔隙性介质， 具有十分发达 的孔隙和裂隙， 这样就使得煤体中形成了巨大的自 由空间和孔隙表面。瓦斯在这些孔隙和裂隙中是以 游离状态和吸附状态存在的， 其中吸附瓦斯量约占 9 0 9 6 。在一定条件下， 游离状态与吸附状态的瓦斯 处于一定的动平衡中， 当压力、 温度等条件发生变化 时， 二者可以相互转化。由于煤层中含有大量的裂 隙、 层理和岩石夹层， 其透气性和孔隙率是不相同 的， 是一种不均质的物体， 所以瓦斯在煤层中是以扩 散的方式流动的， 其运移规律符合菲可扩散定律 F i c k s l a w 。众所周知， 扩散是由于分子在介质中 的自由 运动使某物质由高浓度体系运移到低浓度体 系的浓度平衡过程， 同时又是由高压力梯度向低压 力梯度运移的压力平衡过程。 ‘ 瓦斯是以压力气体的 形式存在于煤岩层中的， 据有关资料表明， 一般情况 下， 煤层中的瓦斯压力达 1 . 5 -7 . 8 M P a 。原始煤岩 层中的瓦斯压力是处于平衡状态的。当在煤岩层中 进行采掘作业后， 煤岩的完整性受到破坏， 形成了自 由面， 透气性增加， 破坏了原有的瓦斯压力动平衡状 态， 使部分游离瓦斯在瓦斯压力的作用下从煤岩壁 上渗透涌出， 部分吸附瓦斯转化为游离状态， 形成了 瓦斯流动场。随着采掘工作的发展， 煤体和围岩受 采掘影响的范围不断增大， 瓦斯动平衡破坏的范围 也不断扩大， 涌出瓦斯的范围逐渐增大， 在压力梯度 和浓度梯度的双重作用， 使得瓦斯气体连续由煤岩 体中向采掘空间涌出。采落的煤体和采空区冒落的 破碎煤岩可以看作是松散介质， 其中的瓦斯在浓度 梯度的作用下， 以浓度扩散的形式运移和释放的。 5 地面大气压变化与矿井瓦斯涌出的关系 5 . 1 矿井瓦斯涌出类型划分 为了便于分析问题， 我们将矿井风流携带瓦斯 的来源分为原生源瓦斯涌出和积聚源瓦斯涌出两种 类型。所谓原生源瓦斯涌出是指从煤岩层中涌入到 采掘空间而被风流直接带走的瓦斯。采掘工作面和 各通风巷道煤岩壁及采落的块状煤体中涌出的瓦斯 多属这种类型。积聚源瓦斯涌出是指从煤岩壁中涌 出的瓦斯因种种原因不能与风流迅速混合， 而是积 存在某区域或是以对流扩散的形式向附近巷道迁 移。旧巷和采空区瓦斯涌多属这种类型。 5 . 2 大气压力与掘进巷道瓦斯涌出的关系 掘进巷道瓦斯涌出属煤层原生源瓦斯涌出范 畴， 其涌出瓦斯量的大小与煤层瓦斯压力、 透气性和 瓦斯含量有关， 对于同一区域内的同一煤层， 透气性 和瓦斯含量基本相同， 所以， 瓦斯涌出量的大小取决 于瓦斯压力的大小。瓦斯沿着煤体孔隙和裂隙的流 动的能量是赋存于煤层中的固有能量， 是压力梯度 和浓度梯度共同作用的结果， 瓦斯压力是它的动力。 对于同一煤体来说， 瓦斯涌出量的大小取决于煤体 内的瓦斯压力与井下大气压力之差。一般情况下， 煤层中原生瓦斯压力达 1 . 5 -7 . 8 M P a ， 有时甚至更 大， 而矿井内的静压 通风压力与地面大气压力的代 万方数据 1 2 2甘肃科技第2 0 卷 数和 一般只有数万帕至十万帕左右， 远远低于瓦斯 压力。所以， 它对从煤壁或破碎的煤块中涌出的原 煤巷、 岩巷和采煤工作面在掘进、 生产期间典型的瓦 斯浓度在同一天内随大气压变化的趋势图。从图中 可以看出， 掘进巷道瓦斯涌出量与地面大气压力的 变化之间没有明显关系， 煤巷瓦斯曲线发生波动的 原因是在爆破瞬间从爆落煤体中集中涌出瓦斯所 致。与煤巷相比， 岩巷每天爆破次数远远少于煤巷 爆破次数， 所以瓦斯涌出浓度曲线较煤巷平稳。掘 进巷道内风流处于紊流状态， 在紊流脉动的作用下， 成千倍的提高了风流的传质能力， 巷壁涌出的瓦斯 将迅速混入风流中并被带走， 只要风量合适， 一般不 会出现瓦斯超限。 5 . 3 大气压力与采煤工作面瓦斯涌出的关系 如前所述， 采煤工作面瓦斯涌出主要来自 煤帮、 工作面顶底板、 采落煤体、 进回风巷煤壁和采空区涌 出的瓦斯。采煤工作面一般均采用全矿井负压或正 压通风， 有独立的通风系统。温度一般为 1 9 - 2 0 C， 常年基本不变， 其温度与地面温度变化联系不 大。由于工作面在开采过程中所引起的大范围的围 岩移动， 造成围岩体中原生裂隙迅速扩展、 贯通， 次 生裂隙大量增加， 使煤岩体中的瓦斯涌出量和涌出 速度急剧增大， 导致工作面回风流中的瓦斯浓度也 增大。由于工作面风量大多在4 0 0 -8 0 0 衬/ m i n 之 间， 有的甚至超过1 0 0 0 m 3 / m in ， 风流速度在0 . 2 5 - 4 m / s ， 风流属紊流状态， 瓦斯能迅速与风流混合， 只 要在通风量设计合理 原生瓦斯含量高时可提前预 抽 的情况下， 都能将工作面及回风流中瓦斯浓度控 制在规定值1 以下。另外， 如前所述， 工作面空间 周围的原生源瓦斯压力远远高于工作面通风压力， 所以， 地面大气压变化对采煤工作面瓦斯涌出 不包 括采空区积聚瓦斯 影响也不明显。这一点在我们 的观测中也得到了证实。 5 . 4 大气压变化与采空区瓦斯涌出的关系 采空区瓦斯涌出是构成工作面和矿井瓦斯涌出 量的王要部分。采空区瓦斯主要来自采空区垮落范 围 或空间 周围煤岩壁和垮落的煤岩碎块在瓦斯压 力的作用下向采空区内涌出， 属原生源瓦斯涌出。 对于多煤层开采的矿井或工作面， 相邻煤层中的瓦 斯也通过煤岩裂隙、 孔隙和垮落造成的裂缝带流向 采空区。由于采空区范围较大， 又无风流或很少有 风流通过， 所以瓦斯大量积聚， 形成积聚源瓦斯。积 聚源瓦斯常以扩散的形式由高浓度向低浓度运移， 其特点是补给源充足， 长时间不枯竭。开采引起的 生源瓦斯也不产生明显影响。 卸压带的残余瓦斯压力是推动这种瓦斯涌出的动 力。 原生源瓦斯涌入采空区后再向外流出的状态随 采空区垮落程度不同而不同。在垮落充填较好的情 况下， 工作面空气压力与采空区内压力非常接近， 瓦 斯运移属松散介质中的流动， 其流动规律符合菲可 定律。对于垮落不好、 悬顶空间较大的采空区， 其瓦 斯压力与工作面压力相同， 在无风流作用的条件下， 瓦斯以分子扩散的形式由采空区向工作面回采空间 迁移。 不论是单一煤层开采还是煤层群开采， 积存在 采空区内含有瓦斯空气的压力将随周围井巷空气压 力的变化而变化。当地面大气压力下降引起工作面 空气压力下降时， 采空区压力也随之下降至与其平 衡为止。这个变化过程使采空区内的含瓦斯空气的 体积发生膨胀， 从而向工作面空间溢出， 造成回风流 中瓦斯浓度成倍增加。采空区积聚瓦斯的这一涌出 规律， 在同一矿井的不同区域、 或处于不同通风系统 的工作面、 或工作面是否处于生产状况都是符合的， 如图2 采煤工作面瓦斯涌出浓度变化曲线所示。 从图中可以看出， 地面大气压下降， 引起回风流 中瓦斯浓度上升， 地面大气压上升， 瓦斯浓度下降; 地面大气压变化不大， 回风流中瓦斯浓度变化也不 大。通过观测， 我们还发现， 在正常天气情况下， 窑 街矿区地面大气压变化较大的时间是每天 1 1 -1 7 时， 其最大变化期集中在1 3 -1 5 时， 变化值2 0 0 - 8 0 0 P a ， 瓦斯浓度呈3 -5 倍增加， 工作面风量不足以 将其浓度稀释到规定浓度以下。采煤工作面瓦斯超 限也都发生在此期间。增加的瓦斯主要来自 采空区 积聚源瓦斯。当阴天或雨天时， 由于大气压较晴天 时大， 导致采空区瓦斯气体出于压缩状态， 扩散到工 作面的瓦斯量不大且比较均匀， 工作面回风流中的 瓦斯主要以原生源瓦斯为主， 合理的配风量足以将 瓦斯量稀释到规定浓度之内。 观测还表明， 地面大气压变化只能引起积聚源 瓦斯扩散量的 变化， 而与原生源瓦斯涌出量的关系 不大。 大气压变化引起井下瓦斯涌出量的变化取决 于大气压随时间变化的速度， 即单位时间的 变化率， 而与大气压的绝对值无关。证明这一现象的物理过 程是导致采空区积聚源瓦斯气体的体积膨胀和压缩 的变化过程。 下转第1 1 7 页 万方数据 第 1 0 期武淑芳 离子晶体溶解度规律浅析 1 1 7 度的影响 ， 进行了定量研究， 提出了无机盐溶解度 判据 0 . 7 5 规则。此规则指出， 同一系列离子晶 体溶解度相对大小有如下规律 r 十 八 一 ” 0 . 7 5 时 ， 溶 解 度 最 小 。 r 十 // r 一 0 . 7 5 时， 溶解度随r 十 / r 一 增大而增大。 从表2 所列离子晶 体2 0 ℃的溶解度可看出 此规律。 表2 离子晶体的溶解度与离子r / r _ 的关系。 ; R-TA f* NaCl KCI RbC ICsCl NaF NaCl NaBr NaI KF KCl KBr KIr/r- D.52 0.73 0.82 0.9.700.520.490.4 166.36.69.9Mfg9fmol/L- 6.14.67.611 0.97 6.1 8.8 12 166.36.69.9 除了不同碱金属与同一卤素组成的卤化物和同 一碱金属与不同卤素组成的卤化物有此规律外， 其 它M X 类型离子晶体溶解度的相对大小也有类似 规律。 上述规律只适用于离子极化作用很小的离子晶 体。 A g I 阳离子 1 8 电子构型 一一--闷卜 r逐渐增 大 极化作用增强 共价成分增多溶解性降低 2 离子极化作用强的离子晶体 对于离子极化作用强的离子晶体， 其溶解度相 对大小的规律是 离子极化作用越强， 在水中溶解度 越小。因为离子极化作用越强， 键的离子成分越少， 共价成分越多。极化作用的强弱决定于离子电荷、 离子半径及离子的电子构型。晶体中阴、 阳离子电 荷数越高、 阳离子半径越小、 阴离子半径越大极化作 用越强。尤其非惰性气构型阳离子与大的阴离子组 成的晶体极化作用是较强的。 例如 A g F 戈C l A g B r 3 溶解性规律 如以Z 2 / r 表征阳离子对阴离子的极化力， 则有 如下溶解性规律 1 Z 2 八 2 阴离子的极化力很弱， 这类金属所 组成的化合物大都溶于水中， 如碱金属的化合物。 但当阴离子为复杂离子 如B I I ; 一 、 S b I ; 一 、 M n O 4 一 和 S n C 犷一 等 时， 由于其中变革形性很小， 也可使 R b , C s 十 、 沉淀。 2 2 Z 2 / r 7 阳离子极化力很强， 这类金属离子 如B e e 十 、 A 13 十 、 S c 3 c 的氢氧化整为零物和盐都难 溶于水。 参考文献 [ 1 1 杨宏孝. 简明无机化学教程〔 MI . 天津 夭津大学出版 社， 2 0 0 1 . 5 5 一5 8 [ 2 ] 冯慈珍等. 无机化学教学参考 2 [ M] . 北京 高等教育 出版社， 1 9 8 5 . 4 4 一 5 2 [ 3 ] 张淑民. 基础无机化学 下 [ M] . 兰州 兰州大学出版 社， 1 9 8 9 . 1 3 一1 6 令 令. 今 . 令 . 令. 令. 令. 今. 令. 令. 令 令. 今 . 今. 令 令 令 令 . 令 . 令 今 . 令 令 今 . 今 . 今 令 今. 今. 令 幸 令 . 令 今 今 . 令 令 今 . 今 . 令. 今. 今 令 今 . 令 令 今 今 今 令 . 上接第1 2 2 页 6 结论 通过上述分析和探讨， 可以得出如下结论 1 地面大气压变化只能引 起积聚源瓦斯扩散量 的变化， 从而导致矿井瓦斯涌出量发生变化。地面大 气压力上升， 矿井瓦斯涌出量减小; 反之， 大气压下降 则瓦斯涌出量增大; 大气压变化幅度不大， 矿井瓦斯 涌出量变化幅度也不大。 2 地面大气压变化对原生源瓦斯涌出量影响不 大。 3 在工作面风量和温度保持不变的情况下， 瓦 斯涌出量变化的时间和幅度与地面大气压变化的时 间和幅度有关， 而与大气压的绝对大小无关。 4 处于不同通风系统的工作面， 其积聚源瓦斯 扩散量的大小随大气压变化的关系在时间上具有同 一性， 在数量上随采空区冒落和充填程度不同而不 同。 5 采空区积聚瓦斯的扩散量大小是引起工作面 回风流和矿井回风流瓦斯浓度超限的关键， 属瓦斯异 常涌出形式。 6 本文所描述的瓦斯涌出量随地面大气压变化 的规律， 对矿井的C 0 2 气体涌出同样适应。 参考文献 [ 1 ]煤矿通风与安全编写组， 煤矿通风与安全， 煤炭工业出 版社， 1 9 7 9 年。 [ 2 1 何学秋、 聂百胜， 孔隙气体在煤层中 扩散的机理， 中国矿 业大学学报， 2 0 0 1 年第1 期。 [ 3 ] [ 美] F . W. S E A R S 等， 郭运泰等译， 大学物理学第二册， 高等教育出版社， 1 9 7 9 年。 [ 4 」 中国 矿业学院瓦斯组编， 煤和瓦斯突出的防治， 煤炭工 业出版社， 1 9 7 9 年。 万方数据