论文部分内容阅读
一、实施背景
常村煤矿为低瓦斯矿井，2-3煤瓦斯含量在2.04 m3/t-2.66 m3/t之间，原始瓦斯压力在0.28 Mpa-0.32 Mpa之间，随着矿井采掘机械化程度的提高，采深的增大，采空区的体积越来越大，特别像义煤常村矿这样的老矿，采空区就像巨大气球包围着采掘空间，采掘面瓦斯含量和压力总体呈上升趋势，矿井瓦斯涌出量急骤增大，采掘工作面瓦斯积聚和瓦斯超限现象时有发生，其中采煤工作面的回风上隅角和与采空区相连的闭墙尤为突出，特别是在季节交替和地面温度变化幅度较大时，既采空区受外界大气压影响，整个采空区就像一个巨大气球受到挤压从而产生呼吸效应，采空区瓦斯涌出凸显为异常变化，严重制约了采煤工作面的正常安全生产，威胁到整个矿井安全问题。因此，探索季节变化和呼吸现象之间的关系，掌握其相关性，优化采面瓦斯超限治理措施，可以更加有效的抵御和消除因呼吸效应引起的瓦斯异常涌出。
二、影响采空区瓦斯异常涌出的压力效应
（一）地面大气压变化对采空区瓦斯涌出的影响
当地面大气压发生变化时，必定引起井下巷道内空气压力和风量的变化，从而引起工作面采空区内、密闭内瓦斯涌出量的变化，根据研究数据可知地面大气压昼夜变化范围一般在4-8×10-3MPa，通过对比可得地面大气压的变化量远比煤层压力小，因此，地面大气压的变化对巷道内外露煤层瓦斯涌出量影响微乎甚微，但地面大气压的变化对采空区瓦斯涌出量影响较大，特别是春夏季节，随气温逐步升高，煤矿的倒风季节也随之来临，倒风季节往往是煤矿瓦斯事故发生的高发期，通过现场数据观测，当地面温度升高，大气压下降梯度增大，并处于低压周期，采空区瓦斯涌出量急剧增大，井下工作面现场表现为瓦斯涌出量在短时间内明显增大，瓦斯浓度在短时间内局部范围内（工作面上隅角）发生显著变化，瓦斯浓度成倍逐步增大，从而导致上隅角发生瓦斯超限事故。
大气压变化对瓦斯异常涌出作用机理表现在2方面：
1、当大气压突然下降时，回采工作面的静压下降，而采空区内部瓦斯压力在封闭区域内短时间保持相对稳定。随大气压持续下降，工作面采空区内外压差增大，根据气体流动规律，气体会从压力大的一侧流向压力小的一侧，采空区瓦斯气体会更快、更多地向压力较低的工作面涌出。
2、采空区内气压随温度变化而变化，遵守热胀冷缩原理，根据理想气体状态方程可知：
PV=nRT
式中P——采空区内瓦斯气体压力;
V——采空区气体体积;
n——气体量;
R——气体常熟;
T——气体热力学温度。
當采空区内瓦斯气体温度发生变化时，气压也随之变化，其变化量为：
△P=nR△T/V
当工作面上下隅角及架间存在有向采空区漏风通道时，温度变化引起的内外压差将促使气体在裂隙处流动，最终达到内外气压平衡，气体的流动量为：
n1=PV/RT1
n2=PV/RT2
△n=n1-n2=PV/R（1/T1-1/T2）
当采空区内温度升高时，采空区就会呼出气体，当采空区内温度降低时，采空区就会吸入气体。
（二）风量变化对采空区瓦斯异常涌出的压力影响
当工作面的风量变化时，会直接影响采空区的漏风量和漏风中的瓦斯浓度，在短时间内采掘面瓦斯涌出量和风流中瓦斯浓度会发生异常变化，增大工作面风量，会同步增大工作面负压和采空区漏风量，采空区一部分瓦斯受压力变化影响从采空区溢出，导致工作面绝对瓦斯涌出量迅速增加，风流中瓦斯浓度急剧上升，随风量的增加，受风排瓦斯的作用，瓦斯浓度开始下降，经过一段时间后，绝对瓦斯涌出量恢复到或接近原有值，风流中瓦斯浓度才能降到原有浓度值，风量减少时，情况相反，但都有超出平常的峰值出现。
三、采空区瓦斯防治对策
21220工作面概况：
21220工作面位于21采区三条下山西翼，从上而下第十个工作面，上部为已采毕的21200工作面，下部为未开掘的21240工作面，西部与跃进井田相邻，本工作面采用走向长壁采煤法，综采放顶煤，一次采全高，自然垮落法管理顶板。
21220上巷设计长度874m，下巷设计长度841m，切眼设计长度265m，可采走向长度739m，煤层倾角11.5°，可采平均煤度7.9m，属防冲区域，考略到防冲需要，平均月进尺在25米左右，工作面风量配备在850m3/min左右。
（一）合理安排作业循环
大气压急剧变化和工作面放顶煤期间会导致工作面瓦斯涌出在短时间内增大，甚至造成工作面上隅角瓦斯超限。夏季中午左右是地面气压最低时候，为避免放顶煤与大气压变化对工作面采空区瓦斯异常涌出的影响，矿井可计划在此阶段内进行检修作业，可以调整作业循环表，采用分段作业和追机作业相结合，放煤工分段作业，拉架工、移溜工追机作业，端头工、采煤机司机和溜子司机及检修工定岗包机专职作业，劳动专职可分为两个检修班，两个生产班，每天一班生产，一班检修。21220工作面作业循环安排为：检修时间：10：00-22：00，生产时间：22：00-次日10：00。
（二）均压通风技术
1、均压通风作用原理
该技术是通过调节通风系统局部区域的压差，使漏风通道进出口两端的压力平衡，以达到杜绝或减少漏风为目的均压技术。
2、均压通风在21220工作面应用
在满足工作面风量需求的前提下，可以在21220工作面上巷回风中合适位置设置2道自由调节的挡风帘，人工实时不间断监测上下隅角压差变化，及时调节挡风帘高度，减少回风巷过风断面，从而使工作面风流压力保持相对稳定，缩减上下隅角压差，从而，抑制采空区的“呼吸”作用。
根据以上观测数据可知，通过均压通风手段的设施，工作面上下隅角压差缩减56.25%，采空区漏风量缩减47.73%，现场上隅角瓦斯浓度平均降低0.06%-0.12%，措施效果明显。
（三）加强抽放，合理确定抽放半径
1、上隅角埋管、插管和天管瓦斯抽放
在工作面上隅角处向采空区预先、连续压入一趟管径不小于Φ100mm的聚乙烯管，且间隔12m或24m出一个T型三通立杆。随着工作面的推进，当每个三通立杆进入采空区后进行埋管抽放。同时，沿上隅角煤袋墙巷道顶部接入1根6m长？100mm聚乙稀抽放管进行插管抽放，插管插入煤袋墙以里不得低于1.5米。待下一道煤袋墙建成后移出，以此循环作业。必要时可在主管上分出支管进行上隅角空间瓦斯抽放。所用埋管、插管和天管均通过弹簧管与上巷？250mm聚乙烯抽放主管路上的三通或四通相连，进行瓦斯抽放。
2、分源（钻场）瓦斯抽放
回采期间在工作面回风巷下帮距离开切眼煤壁30-40m范围内布置一个低位钻场，在钻场内施工6-8个高位钻孔，钻孔仰角（倾角）和钻孔与巷道轴线夹角，主要根据工作面煤层厚度进行适当调整，保证钻孔终孔位置落在采空区的裂隙带内，以便钻孔内套管可以稳定地抽出裂隙带内的高浓度瓦斯。每个钻场的抽放钻孔与前一个钻场抽放钻孔的搭接长度不少于20m。
钻孔封好后用弹簧管将套管与抽放主管路混合器连接好，每个钻孔与混合器之间设流量计、测气嘴、闸门等，抽放管路沿途设放水器及放碴器，以免煤层内的水、碎煤等进入抽放管。当钻孔与工作面采空区透气后，打开支管阀门进行抽放瓦斯。每个钻孔支管设观测孔以便进行瓦斯和CO浓度测试，发现失效的低浓度瓦斯抽放钻孔和采空区自然发火征兆的钻孔时及时进行关闭。
利用瓦斯压力降低法来测定瓦斯抽放孔有效半径，通过现场大量钻场孔数据对比分析发现距工作面25-60m时钻场孔抽放效果最佳。故最终确定单孔的有效抽放半径为6m，抽放影响半径为7.5m。
常村煤矿为低瓦斯矿井，2-3煤瓦斯含量在2.04 m3/t-2.66 m3/t之间，原始瓦斯压力在0.28 Mpa-0.32 Mpa之间，随着矿井采掘机械化程度的提高，采深的增大，采空区的体积越来越大，特别像义煤常村矿这样的老矿，采空区就像巨大气球包围着采掘空间，采掘面瓦斯含量和压力总体呈上升趋势，矿井瓦斯涌出量急骤增大，采掘工作面瓦斯积聚和瓦斯超限现象时有发生，其中采煤工作面的回风上隅角和与采空区相连的闭墙尤为突出，特别是在季节交替和地面温度变化幅度较大时，既采空区受外界大气压影响，整个采空区就像一个巨大气球受到挤压从而产生呼吸效应，采空区瓦斯涌出凸显为异常变化，严重制约了采煤工作面的正常安全生产，威胁到整个矿井安全问题。因此，探索季节变化和呼吸现象之间的关系，掌握其相关性，优化采面瓦斯超限治理措施，可以更加有效的抵御和消除因呼吸效应引起的瓦斯异常涌出。
二、影响采空区瓦斯异常涌出的压力效应
（一）地面大气压变化对采空区瓦斯涌出的影响
当地面大气压发生变化时，必定引起井下巷道内空气压力和风量的变化，从而引起工作面采空区内、密闭内瓦斯涌出量的变化，根据研究数据可知地面大气压昼夜变化范围一般在4-8×10-3MPa，通过对比可得地面大气压的变化量远比煤层压力小，因此，地面大气压的变化对巷道内外露煤层瓦斯涌出量影响微乎甚微，但地面大气压的变化对采空区瓦斯涌出量影响较大，特别是春夏季节，随气温逐步升高，煤矿的倒风季节也随之来临，倒风季节往往是煤矿瓦斯事故发生的高发期，通过现场数据观测，当地面温度升高，大气压下降梯度增大，并处于低压周期，采空区瓦斯涌出量急剧增大，井下工作面现场表现为瓦斯涌出量在短时间内明显增大，瓦斯浓度在短时间内局部范围内（工作面上隅角）发生显著变化，瓦斯浓度成倍逐步增大，从而导致上隅角发生瓦斯超限事故。
大气压变化对瓦斯异常涌出作用机理表现在2方面：
1、当大气压突然下降时，回采工作面的静压下降，而采空区内部瓦斯压力在封闭区域内短时间保持相对稳定。随大气压持续下降，工作面采空区内外压差增大，根据气体流动规律，气体会从压力大的一侧流向压力小的一侧，采空区瓦斯气体会更快、更多地向压力较低的工作面涌出。
2、采空区内气压随温度变化而变化，遵守热胀冷缩原理，根据理想气体状态方程可知：
PV=nRT
式中P——采空区内瓦斯气体压力;
V——采空区气体体积;
n——气体量;
R——气体常熟;
T——气体热力学温度。
當采空区内瓦斯气体温度发生变化时，气压也随之变化，其变化量为：
△P=nR△T/V
当工作面上下隅角及架间存在有向采空区漏风通道时，温度变化引起的内外压差将促使气体在裂隙处流动，最终达到内外气压平衡，气体的流动量为：
n1=PV/RT1
n2=PV/RT2
△n=n1-n2=PV/R（1/T1-1/T2）
当采空区内温度升高时，采空区就会呼出气体，当采空区内温度降低时，采空区就会吸入气体。
（二）风量变化对采空区瓦斯异常涌出的压力影响
当工作面的风量变化时，会直接影响采空区的漏风量和漏风中的瓦斯浓度，在短时间内采掘面瓦斯涌出量和风流中瓦斯浓度会发生异常变化，增大工作面风量，会同步增大工作面负压和采空区漏风量，采空区一部分瓦斯受压力变化影响从采空区溢出，导致工作面绝对瓦斯涌出量迅速增加，风流中瓦斯浓度急剧上升，随风量的增加，受风排瓦斯的作用，瓦斯浓度开始下降，经过一段时间后，绝对瓦斯涌出量恢复到或接近原有值，风流中瓦斯浓度才能降到原有浓度值，风量减少时，情况相反，但都有超出平常的峰值出现。
三、采空区瓦斯防治对策
21220工作面概况：
21220工作面位于21采区三条下山西翼，从上而下第十个工作面，上部为已采毕的21200工作面，下部为未开掘的21240工作面，西部与跃进井田相邻，本工作面采用走向长壁采煤法，综采放顶煤，一次采全高，自然垮落法管理顶板。
21220上巷设计长度874m，下巷设计长度841m，切眼设计长度265m，可采走向长度739m，煤层倾角11.5°，可采平均煤度7.9m，属防冲区域，考略到防冲需要，平均月进尺在25米左右，工作面风量配备在850m3/min左右。
（一）合理安排作业循环
大气压急剧变化和工作面放顶煤期间会导致工作面瓦斯涌出在短时间内增大，甚至造成工作面上隅角瓦斯超限。夏季中午左右是地面气压最低时候，为避免放顶煤与大气压变化对工作面采空区瓦斯异常涌出的影响，矿井可计划在此阶段内进行检修作业，可以调整作业循环表，采用分段作业和追机作业相结合，放煤工分段作业，拉架工、移溜工追机作业，端头工、采煤机司机和溜子司机及检修工定岗包机专职作业，劳动专职可分为两个检修班，两个生产班，每天一班生产，一班检修。21220工作面作业循环安排为：检修时间：10：00-22：00，生产时间：22：00-次日10：00。
（二）均压通风技术
1、均压通风作用原理
该技术是通过调节通风系统局部区域的压差，使漏风通道进出口两端的压力平衡，以达到杜绝或减少漏风为目的均压技术。
2、均压通风在21220工作面应用
在满足工作面风量需求的前提下，可以在21220工作面上巷回风中合适位置设置2道自由调节的挡风帘，人工实时不间断监测上下隅角压差变化，及时调节挡风帘高度，减少回风巷过风断面，从而使工作面风流压力保持相对稳定，缩减上下隅角压差，从而，抑制采空区的“呼吸”作用。
根据以上观测数据可知，通过均压通风手段的设施，工作面上下隅角压差缩减56.25%，采空区漏风量缩减47.73%，现场上隅角瓦斯浓度平均降低0.06%-0.12%，措施效果明显。
（三）加强抽放，合理确定抽放半径
1、上隅角埋管、插管和天管瓦斯抽放
在工作面上隅角处向采空区预先、连续压入一趟管径不小于Φ100mm的聚乙烯管，且间隔12m或24m出一个T型三通立杆。随着工作面的推进，当每个三通立杆进入采空区后进行埋管抽放。同时，沿上隅角煤袋墙巷道顶部接入1根6m长？100mm聚乙稀抽放管进行插管抽放，插管插入煤袋墙以里不得低于1.5米。待下一道煤袋墙建成后移出，以此循环作业。必要时可在主管上分出支管进行上隅角空间瓦斯抽放。所用埋管、插管和天管均通过弹簧管与上巷？250mm聚乙烯抽放主管路上的三通或四通相连，进行瓦斯抽放。
2、分源（钻场）瓦斯抽放
回采期间在工作面回风巷下帮距离开切眼煤壁30-40m范围内布置一个低位钻场，在钻场内施工6-8个高位钻孔，钻孔仰角（倾角）和钻孔与巷道轴线夹角，主要根据工作面煤层厚度进行适当调整，保证钻孔终孔位置落在采空区的裂隙带内，以便钻孔内套管可以稳定地抽出裂隙带内的高浓度瓦斯。每个钻场的抽放钻孔与前一个钻场抽放钻孔的搭接长度不少于20m。
钻孔封好后用弹簧管将套管与抽放主管路混合器连接好，每个钻孔与混合器之间设流量计、测气嘴、闸门等，抽放管路沿途设放水器及放碴器，以免煤层内的水、碎煤等进入抽放管。当钻孔与工作面采空区透气后，打开支管阀门进行抽放瓦斯。每个钻孔支管设观测孔以便进行瓦斯和CO浓度测试，发现失效的低浓度瓦斯抽放钻孔和采空区自然发火征兆的钻孔时及时进行关闭。
利用瓦斯压力降低法来测定瓦斯抽放孔有效半径，通过现场大量钻场孔数据对比分析发现距工作面25-60m时钻场孔抽放效果最佳。故最终确定单孔的有效抽放半径为6m，抽放影响半径为7.5m。