試論煤礦掘進(jìn)工作面瓦斯涌出規(guī)律

張福國(guó)

摘 要：煤礦作為我國(guó)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，是保障其他行業(yè)順利發(fā)展的根本前提。瓦斯涌出是煤礦在開(kāi)采過(guò)程中不可避免地形成的，極容易產(chǎn)生瓦斯爆炸，不僅對(duì)煤炭開(kāi)采企業(yè)是一個(gè)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還很有可能造成煤炭一線(xiàn)作業(yè)人員的人身傷害，造成惡劣的社會(huì)影響，所以解決瓦斯涌出問(wèn)題對(duì)煤炭安全事故的預(yù)防有著十分積極的推動(dòng)作用。文章首先分析了瓦斯涌出的來(lái)源和特點(diǎn)，在對(duì)瓦斯涌出有了一個(gè)大致的了解后，進(jìn)而分析了通風(fēng)方式和大氣壓力與瓦斯涌出的關(guān)系，希望能夠?qū)ΦV井制訂生產(chǎn)規(guī)劃、合理安排組織生產(chǎn)、減少瓦斯事故、保證礦井安全生產(chǎn)起到一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：瓦斯涌出；來(lái)源；特點(diǎn)；通風(fēng)方式；大氣壓力

引言

我國(guó)每年都會(huì)發(fā)生多起煤礦事故。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，建國(guó)以來(lái)，全國(guó)共發(fā)生了22起一次死亡100人以上的煤礦事故，其中的20起是由于瓦斯引起的，所占比例令人觸目驚心。瓦斯事故既給企業(yè)帶來(lái)了經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)威脅煤礦一線(xiàn)作業(yè)人員的生命安全，給曠工家屬造成極大的痛苦，也會(huì)造成惡劣的社會(huì)負(fù)面影響。所以瓦斯事故應(yīng)該也必須引起足夠的重視。

瓦斯之所以能夠如此頻繁的造成煤礦安全事故，與瓦斯自身的性質(zhì)是分不開(kāi)的。（1）爆炸性。在適當(dāng)?shù)臐舛群鸵鹪吹淖饔孟聲?huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的燃燒和爆炸。瓦斯爆炸是最嚴(yán)重的煤礦井下事故，造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失不可估量的。（2）瓦斯的擴(kuò)散燃燒。煤礦井下經(jīng)常會(huì)存在濃度比較高的瓦斯源和火源，一線(xiàn)工作人員由于工作上的疏忽，容易出現(xiàn)如隨意停風(fēng)、減少風(fēng)量等處理不當(dāng)?shù)那闆r發(fā)生，雖然火源燃燒點(diǎn)已經(jīng)熄滅，但是瓦斯?jié)舛冗€是比較高很容易與空氣混合在一起，這種混合氣體極容易達(dá)到爆炸的臨界點(diǎn)，與殘留的火星接觸就會(huì)發(fā)生爆炸。（3）瓦斯的突出問(wèn)題。所謂的瓦斯突出就是指在相對(duì)比較短的時(shí)間里煤體向巷道或采場(chǎng)突然噴出大量的煤炭并涌出大量的瓦斯，從而產(chǎn)生一定的動(dòng)力效應(yīng)的一種現(xiàn)象。不可預(yù)測(cè)和突發(fā)是其主要特點(diǎn)，所具有的破壞力是十分巨大的，經(jīng)常會(huì)造成重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。不僅如此，瓦斯爆炸后由于高溫高壓會(huì)產(chǎn)生巨大的沖擊波，周?chē)拿夯液蜔焿m會(huì)被卷起所形成的氣流會(huì)破壞巷道和器材設(shè)施，甚至產(chǎn)生更加難以想象的后果。

煤炭是我國(guó)的主要能源，大多數(shù)工業(yè)都需要煤炭作為基礎(chǔ)支撐，隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國(guó)現(xiàn)階段乃至未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間的經(jīng)濟(jì)發(fā)展都需要煤炭，需求量也在不斷加大，是關(guān)系到國(guó)家經(jīng)濟(jì)命脈的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。

而在煤炭具體的操作工作中，揭露煤層是煤炭掘進(jìn)工作面的首要步驟，會(huì)造成大量的瓦斯涌出，容易出現(xiàn)瓦斯聚集在巷道的情況，發(fā)生瓦斯事故的概率高。受采掘空間、時(shí)間及煤層賦存條件和瓦斯地質(zhì)條件等方面因素影響，礦井瓦斯涌出具有不均衡性和多變性，這在一定程度上給采掘工作的安全生產(chǎn)和瓦斯防治帶來(lái)諸多困難。所以研究掘進(jìn)工作面的瓦斯涌出規(guī)律，對(duì)于減少瓦斯事故的發(fā)生有著積極的促進(jìn)作用。

1 綜掘工作面瓦斯來(lái)源分析和涌出特點(diǎn)

瓦斯是一種無(wú)色、無(wú)味、無(wú)臭的氣體，煤炭在生成的過(guò)程中，在物力和化學(xué)雙作用下，瓦斯就此生成，瓦斯會(huì)伴隨著煤層開(kāi)采釋放出來(lái)。

1.1 綜掘工作面瓦斯來(lái)源

綜掘工作面瓦斯涌出主要來(lái)源于煤壁瓦斯和落煤瓦斯兩部分。從煤體瓦斯涌出機(jī)理而言，煤壁瓦斯涌出和落煤瓦斯涌出有所不同。

煤壁瓦斯的涌出從煤體基質(zhì)到巷道壁面是由瓦斯的解吸-擴(kuò)散-滲流形成的一個(gè)復(fù)雜的運(yùn)移過(guò)程，而這個(gè)過(guò)程的最終結(jié)果是巷道壁面瓦斯的涌出，并且在不同的過(guò)程中，瓦斯的流動(dòng)遵循不同的規(guī)律。煤壁瓦斯涌出量受多種因素的影響，一方面它受掘進(jìn)巷道煤質(zhì)、原巖應(yīng)力、原始煤層的孔——裂隙發(fā)育情況、瓦斯壓力及含量等固有地質(zhì)條件的影響，另一方面還受到掘進(jìn)工作面的落煤方式、推進(jìn)速度等生產(chǎn)技術(shù)條件的影響，而正是這些生產(chǎn)技術(shù)條件的影響造成了同一煤層綜掘工作面和炮掘工作面瓦斯涌出特點(diǎn)的不同。

對(duì)于綜掘工作面，采落煤炭的瓦斯涌出主要是煤炭在運(yùn)輸過(guò)程中的瓦斯涌出量。與煤壁瓦斯涌出不同，雖然塊煤表面與其內(nèi)部仍存在著一定的瓦斯壓力梯度，但其數(shù)值極為有限，塊煤的瓦斯涌出主要以分子擴(kuò)散為主。塊煤瓦斯涌出量的大小主要受塊煤的粒度、殘余瓦斯含量以及塊煤在掘進(jìn)巷道內(nèi)的停留時(shí)間等因素的共同影響。一般而言，塊煤的粒度越小，其瓦斯擴(kuò)散速度越快，而粒度越大則瓦斯擴(kuò)散越慢。塊煤的殘存瓦斯含量則取決于煤的變質(zhì)程度和原始瓦斯含量。隨著煤的變質(zhì)程度的增高和原始瓦斯含量的增大，殘存瓦斯含量亦增大。塊煤的瓦斯涌出量隨著時(shí)間的延長(zhǎng)呈明顯的衰減趨勢(shì)。綜合考慮以上各種因素對(duì)塊煤瓦斯涌出量的影響可知：在其他固有地質(zhì)和煤質(zhì)條件不變的條件下，掘進(jìn)工作面塊煤的瓦斯涌出量主要取決于掘進(jìn)過(guò)程中的采、裝、運(yùn)等工藝過(guò)程，從而使得綜掘工作面和炮掘工作面落煤的瓦斯涌出也呈現(xiàn)出不同的特征。

1.2 綜掘工作面瓦斯涌出特點(diǎn)

1.2.1 與炮掘工作面相比，綜掘工作面瓦斯涌出量增大

瓦斯涌出是一個(gè)由強(qiáng)到弱的過(guò)程，會(huì)隨著時(shí)間的推移慢慢減弱，所以瓦斯量涌出最大的時(shí)候在煤壁暴露初期。相比較炮掘工藝，推進(jìn)速度快使得煤壁的暴露時(shí)間大幅度縮短，初期是瓦斯涌出量最多的時(shí)段，是綜掘工藝瓦斯涌出的特點(diǎn)之一。另外，綜掘的平均出煤量也是炮掘所無(wú)法比擬的。從落煤的瓦斯涌出量上看，炮掘一般是一次就涌出了掘進(jìn)工作面，綜掘工藝則不同，它是在刮板運(yùn)輸機(jī)、膠帶運(yùn)輸機(jī)等不斷作業(yè)的過(guò)程中不斷的有瓦斯涌出工作面，所以瓦斯涌出量綜掘工作面明顯增大。

1.2.2 綜掘工作面瓦斯涌出的不均勻性相對(duì)減小，并且瓦斯涌出的不均勻性和工藝過(guò)程密切相關(guān)

綜掘工藝各工序在時(shí)間上具有明顯的連續(xù)性，瓦斯涌出雖有波動(dòng)，但與炮掘相比其不均勻性明顯降低。這是由于在炮掘工作面，爆破落煤是一次完成的，造成了瓦斯涌出量在短時(shí)間內(nèi)急劇增大，但隨著爆破落煤的完成，瓦斯涌出衰減很快，從而在炮掘工作面表現(xiàn)出瓦斯涌出量大起大落的現(xiàn)象。而在綜掘工作面，掘進(jìn)機(jī)均勻地、連續(xù)不斷地將煤壁上的煤炭破碎、采落，單位時(shí)間內(nèi)落煤量較炮掘工藝均勻，因而瓦斯涌出也較炮掘平穩(wěn)。影響綜掘工作面瓦斯涌出峰值的主要因素是掘進(jìn)機(jī)的割煤速度，割煤速度越快，則瓦斯涌出的瞬時(shí)值也就越大，割煤時(shí)間越長(zhǎng)，則峰值持續(xù)的時(shí)間也就越長(zhǎng)。

1.2.3 與炮掘工作面相比，綜掘工作面相對(duì)瓦斯涌出量降低

綜掘工作面掘進(jìn)速度快，落煤、裝煤和運(yùn)煤基本上是連續(xù)進(jìn)行，加之掘進(jìn)機(jī)破碎的煤炭塊度比較均勻，從而使落煤中部分瓦斯尚未充分解吸釋放就隨著運(yùn)輸機(jī)運(yùn)出了工作面，這樣綜掘工藝和炮掘工藝相比，落煤量增加的幅度要大于其瓦斯涌出量增大的幅度，因而其相對(duì)瓦斯涌出量反而降低。根據(jù)實(shí)際測(cè)定，當(dāng)落煤量增加1倍時(shí)，相對(duì)瓦斯涌出量?jī)H增加0.5倍。

1.3 瓦斯涌出的危害分析

1.3.1 瓦斯窒息

在遭遇礦井瓦斯大量涌出、通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行失控、作業(yè)人員誤入未及時(shí)封閉停風(fēng)的巷道、瓦斯積聚未采取有效應(yīng)對(duì)措施等情況時(shí)，均會(huì)使作業(yè)人員面臨缺氧窒息而亡的威脅。

1.3.2 瓦斯燃燒

瓦斯大量涌出與煤層瓦斯含量較高有著密切的關(guān)系，如果沒(méi)有及時(shí)通風(fēng)換氣，稀釋排除高濃度瓦斯，瓦斯就會(huì)在某個(gè)位置積聚，在火源附近，一旦接觸上瓦斯就會(huì)燃燒，進(jìn)而形成火災(zāi)，如果沒(méi)有對(duì)火災(zāi)進(jìn)行有效控制就會(huì)發(fā)生瓦斯爆炸。

1.3.3 瓦斯爆炸

要引發(fā)瓦斯爆炸需要有比較高的瓦斯?jié)舛?、充沛的氧氣、引爆火源等幾個(gè)關(guān)鍵條件。能夠構(gòu)成引爆火源的有很多形式，摩擦火花、電氣火花、爆破火焰都是引爆火源的可能性，這些火花又是煤礦開(kāi)采過(guò)程中無(wú)法避免的。當(dāng)瓦斯聚集到一定程度達(dá)到爆炸程度時(shí)，接觸引爆火源就容易發(fā)生瓦斯爆炸。

前文重點(diǎn)分析了瓦斯涌出的基本情況，包括來(lái)源、特點(diǎn)、危害，不難看出煤礦的環(huán)境與瓦斯的涌出有著密切的關(guān)系，下文重點(diǎn)分析通風(fēng)方式和大氣壓力和瓦斯涌出的關(guān)系。

2 瓦斯涌出與通風(fēng)方式的關(guān)系

2.1 通風(fēng)系統(tǒng)的常見(jiàn)類(lèi)型

2.1.1 一進(jìn)一回型

在具體的煤礦采掘工作面中受到推進(jìn)方向和進(jìn)、回風(fēng)平巷的相對(duì)位置不同的影響，一進(jìn)一回型又可分為四種類(lèi)型。第一，后退式U型。煤層巖體是后退式U型通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)、回風(fēng)巷全部的落腳點(diǎn)，所以巷道中所能露出的風(fēng)很少，而上隅角是風(fēng)交匯的最佳場(chǎng)所，所以采空區(qū)形成的瓦斯很容易在風(fēng)的作用下聚集在上隅角位置處。第二，后退式Z型。提前掘出進(jìn)風(fēng)巷是后退式Z型通風(fēng)系統(tǒng)所要做的工作，回采工作面不斷推進(jìn)的過(guò)程中，形成了回風(fēng)巷。工作面不是采空區(qū)漏風(fēng)攜帶的瓦斯主要的流動(dòng)方向，回風(fēng)巷才是，這樣就可以有效防止瓦斯在工作面上隅角聚集。第三，前進(jìn)式U型。煤層巖體和采空區(qū)分別在前進(jìn)式U型通風(fēng)系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)平巷的兩側(cè)，直接可能導(dǎo)致采空區(qū)遍布于回風(fēng)平巷的兩側(cè)，有很大的空間局限性，只適合于薄煤層或是中厚煤層。第四，前進(jìn)式Z型。預(yù)先掘出回風(fēng)巷是前進(jìn)式Z型通風(fēng)系統(tǒng)所要做的前期準(zhǔn)備工作，有利于在回采工作面逐漸深入的過(guò)程中，形成進(jìn)風(fēng)巷。采空區(qū)漏風(fēng)攜帶的瓦斯會(huì)向工作面流動(dòng)，瓦斯可能會(huì)聚集在某個(gè)局部位置超出一定的上限，所以前進(jìn)式Z型通風(fēng)系統(tǒng)不適合瓦斯涌出量大的作業(yè)區(qū)。

2.1.2 兩進(jìn)一回型

Y型和W型是兩進(jìn)一回的通風(fēng)系統(tǒng)的兩種主要類(lèi)型。第一，Y型。后退式Z型是其主要的雛形，依據(jù)它逐漸衍生而來(lái)。其原理是增加一條風(fēng)巷在采掘工作面的上端，這樣能夠增大采掘工作面回風(fēng)巷的風(fēng)量，此方式高瓦斯煤層應(yīng)用的比較廣泛。第二，W型。在長(zhǎng)工作面或是雙工作面使用W型的通風(fēng)系統(tǒng)比較多。

2.1.3 兩進(jìn)兩回及三進(jìn)一回H型

在瓦斯涌出量大、通風(fēng)斷面大的工作面應(yīng)用的較為常見(jiàn)。采空區(qū)大部分瓦斯會(huì)在風(fēng)力的作用下流向回風(fēng)平巷?；诨仫L(fēng)平巷兩側(cè)都毗鄰采空區(qū)，做好必要的防漏風(fēng)控制措施是非常有效的。

2.2 瓦斯涌出與通風(fēng)系統(tǒng)類(lèi)型的關(guān)系

為了能夠夠更好地分析瓦斯涌出與通風(fēng)系統(tǒng)的關(guān)系，文章以某煤礦的采掘工作面為例加以說(shuō)明。這個(gè)煤礦是典型的高產(chǎn)高效工作面，2.5萬(wàn)噸是該煤礦的采掘工作面的日產(chǎn)煤量，所以瓦斯涌出量是很大的，上隅角以及回風(fēng)巷瓦斯超過(guò)上限的情況時(shí)有發(fā)生。采空區(qū)是工作面瓦斯的主要來(lái)源，兩進(jìn)一回Y型通風(fēng)系統(tǒng)是此煤礦一直使用的通風(fēng)方式。煤礦負(fù)責(zé)人在努力解決瓦斯涌出的原則下，經(jīng)過(guò)積極探討和研究后，決定設(shè)置一段尾巷，這樣就形成三進(jìn)一回的通風(fēng)方式。經(jīng)過(guò)調(diào)整后，工作面回風(fēng)流中的瓦斯體積分?jǐn)?shù)降低至0.5%以下，有效解決了瓦斯涌出的難題。所以，實(shí)踐證明了改變通風(fēng)方式能夠有效解決礦井下巷道內(nèi)的瓦斯涌出，并且可行性和可操作性都比較強(qiáng)。

3 大氣壓力與煤礦瓦斯涌出的關(guān)系

3.1 大氣壓力對(duì)煤礦瓦斯涌出影響的理論分析

不論是什么樣的瓦斯涌出來(lái)源，都會(huì)受到煤礦采場(chǎng)四周的大氣壓力變化的影響。采場(chǎng)大氣壓力因地面大氣壓力變化而變化。井下某點(diǎn)的絕對(duì)靜壓Pi和此點(diǎn)水平的同高度、同時(shí)間的大氣壓力Po之差就是該點(diǎn)的相對(duì)靜壓h，即h=Pi-Po。相對(duì)靜壓主要是在礦井主扇的作用下的，所以在不管何種形式的通風(fēng)系統(tǒng)下，相對(duì)靜壓都不會(huì)隨地面大氣壓力的變化而變化，所以由h=Pi-Po可知，地面大氣壓力Po減少時(shí)，Pi就會(huì)減小。

3.2 大氣壓力對(duì)煤礦瓦斯涌出影響的規(guī)律性分析

經(jīng)過(guò)多年的測(cè)試資料顯示，一年里地面大氣壓變化數(shù)值在5.3-8kPa之間，也就是540.8-816.3mmHg。一天有時(shí)會(huì)在2-2.7kPa，也就是204.1-275.5mmHg。單就一天內(nèi)的變化值就堪比礦井串聯(lián)了一臺(tái)中型風(fēng)機(jī)，這一驚人的數(shù)字對(duì)瓦斯涌出影響上可想而知，其中對(duì)鄰近層和已采區(qū)瓦斯涌出的影響是最為明顯的。在大氣壓力降低的時(shí)候，瓦斯涌出量自然會(huì)增加。井下氣體壓力較地面大氣壓力的變化速度要慢一些，幅度大致相同。

北方的氣候是冬季寒冷且漫長(zhǎng)，春季也比較冷，每年的11、12、1、2、3、4月份，特別是每年12、1、2月，夜間溫度在最低時(shí)，大氣壓力卻是截然相反，處于最高值，這樣的氣溫對(duì)采空區(qū)的瓦斯涌出是有一定影響的，觀(guān)測(cè)表明瓦斯涌出量相對(duì)較少。而在夏秋兩季，特別是7、8、9月，白天溫度在最高，氣壓也處在最高期，遇到陰雨天氣時(shí)地面大氣壓力就會(huì)變得比較低并且不太穩(wěn)定，綜合起來(lái)采空區(qū)瓦斯涌出量就會(huì)增加，瓦斯爆炸率也會(huì)隨著增高。

基于上文的分析，在高瓦斯煤礦開(kāi)采中，特別是采空區(qū)的瓦斯涌出量比較大的煤礦中，地面監(jiān)測(cè)室是應(yīng)該建立的，用來(lái)監(jiān)測(cè)地面氣候條件的變化趨勢(shì)，便于及時(shí)掌握大氣壓力、溫度、濕度月月、時(shí)時(shí)的變化規(guī)律，以及井下氣壓和這些數(shù)值變化的幅度是否相同、時(shí)間速度快慢，了解對(duì)工作面采落煤炭、鄰近層、采空區(qū)、綜放采場(chǎng)放頂區(qū)瓦斯涌出的影響程度。這樣就可以在大氣壓力處于低位時(shí)加強(qiáng)檢查礦井瓦斯?jié)舛?，進(jìn)行嚴(yán)格控制。應(yīng)對(duì)瓦斯涌出增大的情況，可以隨時(shí)改變礦井主扇運(yùn)行參數(shù)，將主扇工況點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，以減少主扇工作的壓力，控制井下各瓦斯涌出源的絕對(duì)氣壓值在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)間內(nèi)。還要具體情況具體分析，根據(jù)井下各瓦斯源瓦斯涌出的情況，采用綜合瓦斯抽放的方法，最大限度地發(fā)揮已建的礦井瓦斯抽放系統(tǒng)的作用，將瓦斯涌出量控制在安全范圍內(nèi)，消除瓦斯爆炸隱患。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，瓦斯涌出是引發(fā)瓦斯爆炸，進(jìn)而發(fā)生煤礦安全事故的第一殺手，煤炭企業(yè)應(yīng)該充分重視，積極想辦法、想對(duì)策解決瓦斯涌出這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)，最大限度地保障礦井安全、高效的作業(yè)，產(chǎn)出更多優(yōu)質(zhì)煤，積極促進(jìn)我國(guó)煤礦業(yè)的發(fā)展，使其更好地服務(wù)于我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)建設(shè)。

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