采煤工作面采空区瓦斯异常涌出原因分析及防治技术.doc

采煤工作面采空区瓦斯异常涌出原因分析及防治技术 摘 要由于地表大气压的变化，造成井下风流绝对静压同步变化，使采空区气体呈“ 膨胀收缩”的“呼吸”状态，从而导致采煤工作面采空区瓦斯涌出异常。通过对磨坡煤矿 -115mSK2采煤工作面采空区瓦斯异常涌出情况的分析，找出了工作面采空区瓦斯异常涌出受地表大气压影响的原因， 通过采取调整通风系统，采用均压通风、引排采空区瓦斯、K2工作面连续化运输等治理措施，有效消除了大气压变化对工作面瓦斯涌出的影响。 关键词地表大气压 采空区瓦斯 异常涌出 大气压变化是人力不可控制的自然现象，其变化对高瓦斯矿井采空区瓦斯涌出有着巨大的影响，是矿井瓦斯管理的难点。地表大气压随着地表气温的变化而变化，当气温升高时大气压力下降，当气温下降时大气压力上升。而矿井内通风静压是随着地表大气压的变化而变化。因此矿井瓦斯，特别是工作面采空区瓦斯受大气压的影响较为明显，尤其在通风系统较为复杂和抗灾能力较弱的矿井。然而地表大气压对矿井瓦斯异常涌出并非无规律可循，研究大气压变化影响采空区瓦斯涌出的原因和其间的关系，采取合理的技术措施就可以有效的抵御或消除这种影响，保证矿井通风系统的安全，保障矿井的生产安全。本文就磨心煤矿 -115mSK2采煤工作面受地表大气压影响的状况进行了分析，并采取了相应的治理措施，取得了明显的效果，确保了-115mSK2采煤工作面顺利回采完毕。 1 概况 天府矿业公司磨心坡煤矿属煤与瓦斯突出矿井，矿井地质构造复杂，瓦斯、矿尘、自然发火等灾害十分严重。矿井采用平硐、竖井、暗斜井开拓方式。矿井通风方法为抽出式，通风方式为混合式。矿井共有＋480m一井、＋520m芦梯沟竖井、＋230m平硐三井筒进风，一井和芦梯沟两个回风斜井回风，抽风机布置在回风平硐口附近。 矿井-115mSK2采煤工作面为该矿的主采煤层,采用伪斜柔性掩护支架采煤法开采，风镐落煤方式进行回采。煤种为焦煤，煤层倾角为61- 68,平均65,煤层真厚1.86-4.96m,平均3.12m。工作面采用“两进一回“Y型下型通风方式。进回风均布置在本煤层巷道内，回风巷兼运输巷。由于受地表大气压变化和采区巷道布置、采空区漏风等因素影响，使采空区气体呈“膨胀收缩”的“呼吸”状态，从而导致采空区瓦斯涌出异常。图1为-115mSK2工作面布置示意图。 图1 -115mSK2工作面布置示意图 2 采空区瓦斯异常涌出规律 通过对-115mSK2采煤工作采空区瓦斯异常涌出进行了长时间的观察、分析和研究，发现一天中，当地面温度逐渐升高时，地表大气压逐渐降低，这时工作面瓦斯涌出量也逐渐增加，当地表大气压达到一天中的最小值时，工作面瓦斯涌出量为一天中的最大。而随着地面温度的降低，地表大气压上升，工作面瓦斯涌出量减少其趋于稳定状态。如图2、3所示 图2 磨心坡煤矿一天内地表大气压与地表温度变化曲线图 图3 磨心坡煤矿一天内地表大气压与工作面瓦斯浓度变化曲线图 一天内工作面受地表大气压变化的影响，工作面瓦斯涌出量极为不稳定。最大时工作面上拐点15米以下风流中瓦斯浓度达到1.3，各斜坡瓦斯浓度达到1.5，回风巷瓦斯浓度达到1.8。工作面、上拐点、回风斜坡、回风巷每天下午瓦斯在超限范围内波动长大五、六个小时。而随着地面温度的降低，地表大气压上升，工作面上拐点15米以下工作面风流中瓦斯浓度、各斜坡瓦斯浓度、回风巷瓦斯浓度均下降到1以下。 3 原因分析 矿井主要通风机的机械风压是克服井巷通风阻力的主要动力，在抽出式通风方式下表现为主要通风机通风静压（忽略自然风压，主要通风机入口的速压较小且相对稳定，也视为定值，忽略不计），即矿井通风负压，如图4所示。 图4 矿井通风负压测定示意图 其值应等于风硐外地表大气压与主要通风机入风口风流绝对静压之差。则有 h通静h阻 1 h通静P0- P入 2 式中 h地静主要通风机负压，Pa； h阻井巷通风阻力， Pa； P0出风井口地表大气压，Pa； P入主要通风机入口风流绝对静压，Pa； 矿井正常通风过程中，井巷通风阻力是相对定值，则通风负压也为相对定值，而地表大气压的随时变化的，由式（2）、（3）可以看出，h阻为定值而P0随时变化，则P入必须与P0同步变化，则主要通风机入风口风流绝对静压应随大气压而同步变化。同理可以推断井下任意测点风流的绝对静压也是随大气压变化而同步变化的，直至矿井进风井口空气绝对静压P0、也是与出风井口大气压P0同步变化的（忽略进出风井口的高差；P0、 P0） 还可以从另一方面来理解这一观点井巷风流流动是因两端存在相对压差，各段井巷两端相对压差累加和即为矿井总风压，使井巷风流稳定流动，矿井通风系统正常运行，必须保持相对压差不变，因此地面大气压变化时井下各点绝对静压必然同步变化，否则矿井总风压将发生变化而引起通风系统紊乱。矿井通风管理中主要通风机实际运行参数也声说明了这一点，不论地表大气压如何变化，矿井主要通风机机房中安设的水柱计或负压传感器显示值为相对定值，并未随大气压变化而变化。 根据波义耳定律在等温过程中，气体的体积与绝对静压成反比。即当 T1T2时，V1/V2P2/P1。 井下采空区可视为半封闭容器，其内充满着的高浓度瓦斯等混合气体也符合波义耳定律，当采空区内气体绝对静压发生变化时，其内的混合气体必然发生体积膨胀或收缩，表现为采空区瓦斯异常涌出或外界向采空区漏风的“呼吸”状态。而瓦斯涌出的通道则为采空区流场的漏风汇，如工作面的上隅角、专用排瓦斯巷、抽放钻孔，灌浆孔或其他通风巷道相连通的裂隙等相对压力较低的特定点。如前所述，井下任意测点风流的绝对静压是随大气压变化而同步变化的，那么地面大气压变化必然引起采空区瓦斯异常涌出，则大气压降低幅度和采空区空间越大，瓦斯涌出量就越大。 4 采空区瓦斯异常涌出的防治措施 4.1治理方法 地表大气压的变化是不以人的意志转变的,对矿井采空区瓦斯涌出的影响也是不可避免的，但大气压变化对采空区瓦斯涌出的影响主要体现在矿井通风系统的薄弱环节、薄弱地点。因此改变与相关系统的通风压力关系、转移大气压力影响采空区瓦斯涌出的地点、并采取有效措施才能有效的防止采空区瓦斯的异常涌出。 4.2 治理措施 4.2.1 均压通风 分别在-10mSK2工作面进风石门以南和 -115mS与K2大巷相对应的茅口大巷内构筑调节风窗，并在各水平的边界反井处同样构筑调节风窗。通过调节风窗来调节工作面的进回风来达到工作面增风均压或减风均压防灭火的目的。由于工作面是动态的，所以风窗要根据工作面的推进改变其位置。图5为-115mSK2采面调节风窗设置位置示意图 图5 -115mSK2采面调节风窗设置位置示意图 采用均压措施，工作面采空区内外压差由40mmH2O减少为2mmH2O，部分区域压差为0。从而减少了采空去瓦斯的异常涌出。 4.2.2 增大支架口进风断面，减少支架背漏风 由于铺完支架后，没有对支架地沟采大和加深，支架口断面减小，通风阻力增加，从而增大了从支架背向采空区漏风，为采空区瓦斯的异常涌出创造了条件，不利于工作面瓦斯管理。 为了降低工作面进风阻力，减少支架背漏风，采取支架地沟采大和加深措施，高由原来的0.8m增加到1.2m，宽由原来的2m增加到2.5m，支架口的通风断面增加0.2㎡，降低了通风阻力。同时，在支架背上构筑砖密闭墙，墙厚0.5m，阻止了风流从支架背漏向采空区。在降低支架背漏风的同时增加了工作面的风量，从而提高了风流稀释工作面瓦斯的能力。如图6所示为技术改造前后掩护支架铺设剖面图。 技术改造前 技术改造后 图6 技术改造前后掩护支架铺设剖面图 4.2.3采空区瓦斯适度引排 在工作面的上水平，采用柔性硬质风筒引排采空区的瓦斯，具体办法是把柔性硬质风筒的一端放入采空区密闭墙内，另一端置于边界反井通风负压处，利用负压把采空区瓦斯引排出来。但引排负压必须控制在5-6mmH2O内。因为引排负压大于10mmH2O，对工作面防火极为不利，引排负压过低又起不到引排瓦斯的作用。 4.2.4 工作面连续化运输 在K2工作面煤层巷道中采用皮带连续运输，这种运输方式即保证了K2煤层巷道通风阻力的持续稳定，又避免了频繁打开风门所创造的风流短路。保证了采空区的内外压差的稳定，防止了外因引起采空区瓦斯异常涌出。 5 效果 通过实施以上治理措施后，改变与工作面通风系统的通风压力关系、转移了大气压力影响采空区瓦斯涌出的地点。-115mSⅡ采区K2采面工作面上拐点15米以下工作面风流中瓦斯浓度为0.42、各斜坡瓦斯浓度为0.55、回风巷瓦斯浓度0.80。且工作面瓦斯涌出基本不受大气压变化的影响，采空区“ 膨胀收缩”的“呼吸”状态再无明显表象，基本杜绝了工作面瓦斯超限现象。 6 结论 大气压变化对采空区瓦斯异常涌出的影响并不是不可防治的，关键是找出与之相关的系统，转移大气压力影响采空区瓦斯涌出的地点至非生产区域，使采空区涌出的瓦斯由工作面以外的其它通道排出，调节区域内通风压力，改变采空区的漏风汇，同时采用引排采空区的瓦斯，降低瓦斯涌出，减缓风排瓦斯的压力，从而确保矿井的安全生产。 - 9 -