大氣壓力變化與礦井瓦斯涌出規律探究

李小波

【摘 要】大氣壓力變化引起礦區氣壓變化，進而影響礦井工作面采空區、采空區密閉內部瓦斯涌出量變化，通過對煤礦回采工作面、采空區永久密閉進行觀測，驗證結果表明無論回采工作面采空區還是采空區永久密閉都符合理想氣體狀態方程，大氣壓變化導致采空區內部氣體收縮或膨脹，瓦斯涌出量相應的降低或增加。但當大氣壓力在急劇變化下，瓦斯涌出量迅速增加，應該在此時期加強瓦斯防治工作。

【關鍵詞】大氣壓力；瓦斯涌出

瓦斯不規律涌出是制約煤礦安全生產的重要環節，在瓦斯治理過程中，瓦斯異常涌出主要是破煤處于地質破碎帶附近、采空區瞬間冒落及工作面周期來壓等，往往忽視了大氣壓力變化對瓦斯涌出的影響。經過我礦近年來在瓦斯治理過程中的分析研究，發現礦井瓦斯涌出量與大氣壓力有密切的聯系，氣壓變化礦井瓦斯也隨之變化，探究大氣壓力與瓦斯涌出的變化規律，對今后瓦斯治理工作具有指導意義。

一、礦區氣壓變化規律

地球表面覆蓋的一層厚厚的由空氣組成的大氣層，處于大氣層中的物體，都受到空氣分子撞擊產生的壓力，簡稱大氣壓力。受到地心引力作用，距地球表面越近，地球吸引力越大，空氣分子撞擊物體表面的頻率越高，產生的大氣壓力就越大；反之，欲小。據測定， 旬耀礦區地面大氣壓力變化在一年內可達500～2000pa，特殊情況下一天變化可達200～400pa，每天早晨氣壓上升，下午氣壓下降；冬季氣壓高，夏季氣壓低，但是如某一次寒流到來，氣壓相應增高，但是冷空氣一過，氣壓緩慢下降，因此某一固定區域的內大氣壓力變化，必然導致礦井內部大氣壓變化，進而影響礦井內部瓦斯變化。

二、瓦斯涌出來源及運移規律

1.礦井瓦斯涌出來源

根據礦井瓦斯涌出地點不同，分為采掘工作面割煤煤壁破壞；已掘巖巷、煤巷逐漸釋放；采空區遺煤釋放；鄰近煤層瓦斯涌出。

2.瓦斯運移規律

瓦斯在煤層中的賦存形式主要有兩種狀態：一種稱為游離瓦斯，滲透于煤層裂隙當中；另一種稱為吸附瓦斯，主要吸附在煤的微孔表面和儲存煤的微粒內部。實測表明，煤層中吸附瓦斯量占70%～95%，而游離瓦斯量占5%～30%。在煤體未被破壞前，游離和吸附瓦斯在壓力作用下處于動態平衡狀態。當在井下進行采掘活動時，煤體的平衡狀態被打破，部分游離瓦斯在壓力作用下從煤層中釋放出來，瓦斯壓力逐漸降低，同時，吸附瓦斯逐漸從煤層中解析，源源不斷的釋放瓦斯。

三、大氣壓力與采空區永久密閉及采煤工作面的關系

1.大氣壓力與采空區永久密閉的關系

我們把采空區永久密閉作為研究對象，假定采空區永久密閉封閉相當嚴實，是一個理想封閉空間，根據理想氣體狀態方程。當壓強增大時，為了保持平衡，體積就得減小，內部氣體處于收縮狀態；當壓強減小時，為了保持平衡，體積就得增大，內部氣體處于擴張狀態。

但在井下采空區永久密閉外，存在大量裂隙與密閉墻內部進行溝通，內部氣體會通過裂隙，進行物質與能量交換，以趨近動態平衡。當大氣壓升高時，為了維持平衡，外部氣體必須對密閉墻內進行補充，呈現內漏；當大氣壓降低時，內部氣體必須進行釋放，表現出外漏。

2.大氣壓與采煤工作面的關系

回采期間，受采動影響，瓦斯壓力逐漸釋放，部分游離瓦斯隨著風流進入回風流中，大部分吸附瓦斯來不及釋放直接進入采空區，致使大部分瓦斯都遺留在采空區，當大氣壓升高時，采空區內大氣壓也同時升高，但是工作面空間壓力升高較快，壓制著采空區內部瓦斯向外擴散，采空區內瓦斯處于收縮狀態，瓦斯在工作面顯現不明顯。當大氣壓降低時，采空區內大氣壓也降低，工作面空間壓力降低較快，采空區瓦斯向工作面風流中進行擴散，采空區內部瓦斯氣體體積膨脹，部分游離瓦斯、吸附轉化的瓦斯及部分圍巖瓦斯大量釋放進入工作面。

四、實例分析

1.儀器選擇

測定壓力儀器：選用JFY-2型礦井通風多參數檢測儀，主要檢測大氣壓力、溫度、濕度等。

測定瓦斯儀器：選用CJG-10/100型光干涉甲烷測定器，主要檢測瓦斯及二氧化碳。

2.觀測區域

根據我礦生產情況，選擇42106綜放工作面及42101采空區永久密閉。

（1）42106綜放工作面連通采空區面積較大，采空區內部氣體對氣象條件敏感，并且采空區瓦斯涌出量較大，易于準確掌握。

（2）42101工作面采空區永久密閉內部采空區面積較大，周邊風流穩定，便于長時間觀測。

3.觀測點設置

4.3.1 42106綜放工作面壓力測定點設置在進風隅角，瓦斯監測點設置在進風隅角、工作面中部、回風隅角及回風流中。

4.3.2 42101工作面采空區永久密閉壓力觀測點設置在密閉柵欄內，瓦斯監測點設置永久密閉觀測孔內。

4.觀測方法

根據42106綜放工作面生產情況，選擇每天上午8點至夜間0點，每1h測定一次大氣壓力及瓦斯濃度，持續觀測1個月。為減少誤差，分別選取1個檢修班和1個生產班，同時在這期間盡量減小風量調整，保證礦井風壓穩定。統計數據方面，取每天數值變化的平均值。

5.監測結果

根據連續監測，整理得到壓力及各測點瓦斯濃度（瓦斯和二氧化碳濃度）數據，具體見圖：

（1）經分析，一般在中午10點～下午17點工作面進風隅角大氣壓力明顯呈下降趨勢，在該對應時刻瓦斯濃度呈上升趨勢，在下午17點后，大氣壓力呈上升趨勢，對應瓦斯濃度逐漸下降。

（2）在現場觀測某一天，受到天氣變化影響，氣壓變化范圍較大，工作面瓦斯濃度變化也較大。

（3）在觀測采空區永久密閉中，瓦斯也隨著大氣壓力變化而變化，當大氣壓力升高時，打開觀測孔，觀測到外部氣體向密閉墻內進風，瓦斯濃度為零；當大氣壓力降低時，打開永久觀測孔，觀測到內部氣體向密閉墻外出風，瓦斯濃度較高，最高瓦斯濃度達到40%。

五、結論

（1）無論是在采空區永久密閉還是回采工作面，都符合理想氣體狀態方程，當大氣壓力升高時，采空區和巷道空間大氣壓力同時升高，但巷道空間大氣壓力上升較采空區快，氣體向采空區流動，瓦斯涌出量減少。當大氣壓力降低時，采空區和巷道空間大氣壓力同時降低，但巷道空間大氣壓力降低較采空區快，氣體向巷道空間流動，瓦斯涌出量升高。

（2）大氣壓力變化后，瓦斯不是立即發生變化，一般滯后于大氣壓力變化，雖然給瓦斯治理預留一段時間，但是控制瓦斯應該避免大氣壓力的影響，采取更加有效的瓦斯治理措施進行控制。

（3）對于采空區永久密閉，密閉墻內漏和外漏都直接或間接影響采空區內部氣體流動，增加密閉墻內氧氣濃度，不利于采空區防火工作。尤其要注意季節變更期間防火管理工作，應加強密閉墻內標志性氣體檢測工作。