徐洁 陈祥
新巨龙能源有限责任公司
摘要：低瓦斯矿井停采工作面进行封闭处理后, 大量游离瓦斯会集聚在封闭空间内。当密闭质量下降到一定程度时, 采空区外界空气压力的波动会引发封闭采空区“呼吸”现象, 该现象会使密闭外侧存在瓦斯超限的安全隐患。为了预防密闭外侧瓦斯超限, 新巨龙煤矿设计了由监测信号采集子系统、现场自动控制子系统和管道抑爆子系统组成的瓦斯释放自动监测调控系统, 确定了基于压差阈值和瓦斯浓度阈值的联合调控准则, 提出了阀门开度的分级调控逻辑思路。
关键词： 低瓦斯矿井 封闭采空区 “呼吸”现象 瓦斯超限 防控技术
目前我国煤矿以综采、综放等高强度开采方式为主。由于综采、综放开采方式强度大、生产集中、推进速度快, 工作面生产结束并封闭后, 会形成大面积采空区。采空区封闭质量和外界环境条件发生变化时, 就会影响临近采掘空间的安全生产。
对于低瓦斯矿井, 随着时间的推移, 封闭采空区瓦斯储量会逐渐增大, 采空区的封闭质量在地应力、采掘作业扰动下会有所降低, 如果采空区内外压力失衡, 采空区瓦斯则沿着漏风通道向密闭外侧缓慢涌出, 密闭外侧有瓦斯浓度超限的安全隐患。
掌握矿区不同地面大气参数条件下封闭采空区“呼吸”现象特征和产生机理, 设计安全可行的防控技术方案, 对于预防低瓦斯矿井封闭采空区密闭处的瓦斯异常涌出和瓦斯超限问题, 具有重要的指导意义和工程价值。
1 现场封闭采空区“呼吸”现象特征
1.1 现场概况
为了预防由于“呼吸”现象导致密闭外侧瓦斯浓度超限, 现场通过注浆来减少密闭以及周边煤岩体的漏风通道, 并利用扩散风流稀释涌出的瓦斯并将其带入采区回风巷。这种方法在短时间内能解决密闭处的瓦斯积聚问题, 但是在矿压的长期作用下, 密闭设施的封闭质量会逐渐降低, 采空区内高体积分数瓦斯在正压差作用下向外部涌出的强度会逐渐增大。当密闭外风量不足时, 则容易出现瓦斯超限问题。
1.2 监测结果与分析
针对该矿封闭采空区“呼吸”现象, 现场测试了不同季节下的地面大气参数、工作面运输巷密闭内外压差和密闭外瓦斯体积分数, 并综合分析了各参数间的相关性。
1.2.1 密闭内外侧压力的变化特征
从宏观上看, 在日周期内, 密闭内侧气压相对稳定, 密闭内外压差与密闭外侧空气静压的变化趋势相反。说明密闭外侧空气静压是密闭内外压差变化与否的主导因素。
从细观上看, 采空区密闭内侧气压也有明显的变化规律, 在正压差的持续作用下, 采空区内瓦斯向密闭外侧缓慢涌出, 采空区内压力整体逐渐降低。
1.2.2 密闭内外压差与地面大气参数的相关性
分析了不同季节条件下密闭内外压差随矿区地面大气参数的变化情况, 典型的分析结果。
随着地面大气温度升高, 密闭内外压差也在逐渐增大, 两者的线性拟合优度在0.72～0.92, 说明地面大气温度对密闭内外压差有明显的影响，随着地面大气压的增大, 密闭内外压差呈减小趋势, 两者的线性拟合优度在0.77～0.95, 说明密闭内外压差受地面大气压的影响非常明显。
1.2.3 密闭内外压差与密闭外侧瓦斯体积分数的相关性
在地面温度较高的温暖季节, 在正压差的作用下, 采空区内瓦斯会通过密闭及周围裂隙慢慢涌出至密闭外侧。由于密闭外侧属于扩散通风区域且风流流量非常小, 密闭外侧会出现瓦斯积聚。
2 封闭采空区“呼吸”现象的产生机理
封闭采空区可视为一个处于弱平衡状态的半封闭容器, 采空区内、外气体状态发生变化时, 这种平衡就有可能被打破, 采空区内外会产生气体交换, 从而呈现出“呼气”和“吸气”现象。这类现象的影响因素主要包括:采空区煤柱、遗煤及导气裂隙带内邻近煤岩层的补充瓦斯 、外部惰性气体的注入、地面大气压、通风系统变化 、密闭质量 , 采空区疏放水过程中的“水气置换” 以及邻近采空区上覆岩层间的离层裂缝 。
2.1 密闭内外侧气压变化的致因分析
(1) 密闭外空气静压的波动。
为了有针对性的分析密闭外侧风流压力变化情况, 不考虑其他生产工作面的影响, 将实际矿井通风系统进行适当的简化。
在实际中, 矿井总风压和总风量也变化不大, 可以认为井下空气流动是稳定流动;对井深不超过1 000 m的矿井, 空气密度变化不大, 可近似认为不可压缩流体。所以可以应用不可压缩流体的能量方程式来分析矿井通风的实际问题。
(2) 采空区内气压的变化。
停采工作面封闭后, 大量高体积分数瓦斯会积存在该封闭空间内, 假设该空间内的气体状态参数符合理想气体状态方程式中, pI为采空区内气体压强;V为封闭空间体积;n为气体物质的量;T为体系温度;R为气体常数。
2.2 采空区与外界的气体交换
提出垮落较好的回采工作面采空区在无风流作用的条件下, 采空区内瓦斯的涌出过程系多孔介质中的缓慢渗流。封闭采空区内瓦斯的涌出和外界空气的涌入亦属于多孔介质中的缓慢渗流。因此, 封闭采空区内气体与外界空气在密闭处的物质交换过程可以运用达西定律来分析。两类采空区不同之处在于, 工作面采空区内气压会与工作面空气压力保持动态平衡, 而封闭采空区内瓦斯压力与密闭外侧空气压力有较大差异, 两者保持动态平衡。
3“呼吸”现象防控技术方案
为了防止因封闭采空区“呼吸”现象而导致密闭外侧瓦斯体积分数超限, 在采空区密闭预留措施管上延伸了瓦斯释放管路并安装了手动调节阀, 将采空区内高体积分数瓦斯释放至采区回风巷。
3.1 控制参数与调控准则
封闭采空区瓦斯释放的开始与停止都有一定的时间节点, 这是人工难以准确掌控的。在瓦斯释放管路上安装电动调节阀并配套自动控制装置后便能很好的解决这个问题。
阀门的开启、关闭和开度微调需要确定合理的控制参数和调控准则。实现瓦斯自动释放的同时, 需要考虑释放区域的瓦斯超限问题。另外, 还需要考虑瓦斯释放停止后释放管路末端空气回流问题。根据“呼吸”现象的产生机制, 将压差作为主要控制参数;根据行业安全标准, 将释放区域瓦斯体积分数作为辅助控制参数。
(1) 基于压差的调控准则。
在未安装释放管路前, 密闭外预留孔的压差检测结果显示, 当密闭内外压差达到300 Pa时, 瓦斯往密闭外涌出非常明显。安装释放管路后, 管道上预留孔的压差监测结果显示, 在瓦斯释放正常时段, 管道内气体处于负压状态, 当管道内负压降至-300 Pa以下时, 瓦斯释放自行停止。因此, 需要根据压差控制阀门的开启与关闭。
(2) 基于释放区域瓦斯体积分数的调控准则。
采空区瓦斯通过管道释放至采区回风巷, 在阀门全开状态下, 释放口下风侧瓦斯体积分数能超过1.2%,。《煤矿安全规程》第136条规定, 采区回风巷、采掘工作面回风巷风流中瓦斯体积分数不能超过1.0% 。因此, 需要利用瓦斯体积分数信号对管道瓦斯流量进行控制。
结合瓦斯释放时间段内密闭内外的压差以及释放口下风侧瓦斯体积分数的观测结果, 确定了利用压差和瓦斯体积分数联合控制释放管路电控阀门的调控准则, 将压差的控制阈值设置为-300 Pa, 释放区甲烷体积分数的控制阈值设置为0.8%。
(3) 瓦斯释放分级调控逻辑。
在采空区瓦斯能够释放时, 必须兼顾释放区域的瓦斯安全体积分数, 阀门不能一开到底。因此, 为了保障采空区内瓦斯安全释放, 提出了瓦斯释放分级调控思路, 设计了以PLC控制器和信号转换模块为载体的自动调整。
3.2 自动监测调控系统设计原理
为了安全、高效地释放采空区瓦斯, 有效、便捷地解决因采空区“呼吸”现象而导致密闭外侧瓦斯超限问题, 设计了封闭采空区瓦斯释放自动监测调控系统。该系统主要由监测信号采集子系统, 现场自动控制子系统和管道抑爆子系统组成, 系统设计原理和现场实施方案分别。系统硬件设备主要包括PLC控制箱、电动阀门、矿用低体积分数瓦斯传感器等。
4 结论
(1) 在不同季节, 密闭内外压差与地面空气温度变化趋势基本相同, 与地面大气压的变化趋势相反。在一定的周期内, 地面大气压与封闭采空区密闭外大气压呈线性关系。地面大气压力的波动会引起井下密闭外大气压力同步变化, 而封闭采空区内的瓦斯压力相对稳定, 从而引起密闭内外压差时正时负。
(2) 封闭采空区密闭内外侧正压差是采空区内瓦斯涌出的直接动力。当压差为正值且持续时间较长时, 采空区瓦斯向密闭外侧涌出并在密闭外侧靠近顶板处积聚, 两者呈明显的线性关系。