王晓东
神华神东煤炭集团哈拉沟煤矿 陕西 榆林 719315
摘要：神华神东煤炭集团哈拉沟煤矿采用中央分裂式通风系统、机械抽出式通风方法，综采面为两翼条带后退式回采，综采面其中一条顺槽与上一个综采面采空区相邻，通过煤柱和一般防火密闭隔离采空区。上一个综采面采空区内外静压差的大小，影响着回采综采面回风隅角及回风顺槽有毒、有害气体浓度，决定着综采面通风系统的选择。通过持续观测、分析、总结神东矿区哈拉沟煤矿22205、22407综采面采空区内外静压差变化规律，总结采空区内外静压差简易的计算方法，为判断采空区内外静压差是否异常提供理论支持。
关键词：采空区内外静压差；抽出式通风方法；冒落高度；采空区呼吸现象；自然发火标志性气体；均压通风系统
1工作面基本情况
哈拉沟煤矿煤层瓦斯地质属性为CO2-N2气带，采空区内有毒有害气体多为氮气，相邻采空区中的高浓度氮气极易通过裂隙涌入回采工作，影响工作面安全回采。哈拉沟矿采空区内外静压差多在200～1400pa范围内波动，受采空区内外压差影响，22煤二盘区采空区气体不存在采空区呼吸现象，22206综采工作面回风隅角氧气浓度≥17%；22煤四盘区采空区气体存在呼吸现象，22408综采工作面回风隅角氧气浓度≥18.5%，采空区内外压差严重影响回采工作面回风隅角氧气浓度。
22205综采工作面是哈拉沟煤矿二盘区第8个工作面，工作面长度300m，推采长度3500m，采高5.2m，埋深100～130m。直接顶为细粉砂岩，厚度0.8～10.88m，老顶为中粒砂岩，厚度0.98～20.33m，基岩厚度25～95m，松散层厚度0～50m，22205采空区内外静压差为870.2～1313.2pa，采空区气体常年出气，采空区氧气浓度5%，一氧化碳浓度7ppm，瓦斯浓度0.02%，其余为氮气，采空区内无自然发火标志性气体。
22407综采工作面是哈拉沟煤矿四盘区第7个工作面，工作面长度284m，推采长度3224m，采高5.2m，埋深120～130m。直接顶为细粉砂岩，厚度18.41～44.1m，老顶为中粒砂岩，厚度0.9～17.3m，基岩厚度35～98.5m，松散层厚度40～69m，22407采空区内外静压差为391.9～396.9pa，采空区气体随季节变化出现呼吸现象，采空区氧气浓度4%，一氧化碳浓度9ppm，瓦斯浓度0.02%，其余为氮气，采空区内无自然发火标志性气体。
2采空区压差对回采工作面的影响
采空区压差的偏大时，影响着工作面、采空区密闭、回风顺槽的氧气浓度。受采动影响，22206采空区与22205采空区冒落带连通，22205采空区有毒有害气体大量涌入22206综采工作面，导致工作面回风隅角氧气浓度低于18%，影响回风隅角设备检修；22206回顺密闭经常出现沙眼漏风现象，导致密闭前氧气浓度低于18%，影响安全行车和密闭检查；并且在采动影响下，22206回顺煤柱的裂隙、锚杆孔中也存在漏风现象，导致22206回顺全线氧气浓度在18.5%左右。
采空区内外压差偏大时，采空区漏风增加，为采空区遗留煤炭自然发火提供的供氧条件，不利于全矿防灭火管理，目前通过快采，抑制煤炭自然发火隐患。
哈拉沟煤矿二盘区综采工作面普遍受采空区内外高压差影响，导致回采时工作面经常出现低氧现象，四盘区工作面采空区内外压差小，回采工作面在采空区大面积冒顶时，偶尔出现回风隅角低氧现象。
3采空区内外静压差观测
3.1观测方法
目前，采空区内外静压差多采用“U”型压差计或监测监控压力传感器进行实时观测，2014年4月21日～23日三天时间，每2小时分别对22205采空区18联巷、22407采空区20联巷采空区数据进行观测，。通过采空区一般防火密闭上的观测管，采用“U”型压差计测量采空区内外静压差；采用多参议测量巷道内、地面绝对静压，测量结果见折线图一、折线图二：
3.2观测数据
3.3观测结果分析
观察图表，发现地表绝对静压与井下观测点巷道绝对静压同步增减，采空区内外静压差随地表绝对静压剧烈变化，22205采空区内外静压差为870.2～1313.2pa，基本在地表绝对静压与井下观测点巷道绝对静压的差值范围内。
发现地表绝对静压与井下观测点巷道绝对静压同步增减，采空区内外静压差随地表绝对静压变化不剧烈，22407采空区内外静压差为391.9～396.9pa。22205与22407采空区内外静压差相差2.22～3.31倍。
4两个采空区内外静压差相差2.22～3.31倍的原因分析
对比两个采空区基本参数。两个采空区埋深、回采高度、相对回风立井的位置等基本相同。但22205采空区松散层厚度0～50m，22407采空区松散层厚度40～69m，22205采空区松散层远小于22407采空区松散层厚度。22205采空区地表多出现大的裂隙并伴有基岩出漏的现象，22205采空区存在地表裂隙大量漏风现象；22407采空区地表多为细小的缝隙，并且在风力、雨水冲刷作用下裂隙能够自动复原，22407采空区不存在地表裂隙漏风现象。对比两者本质的区别在于22205采空区与地表有直通的裂隙，22407不存在与地表直通的裂隙。
22205采空区与地表有直接连通的裂隙，把22205采空区内裂隙简化为直上直下的漏风通道，采空区内外压差分析示意图详见图一：
图一 22205采空区内外压差分析示意图
依据可压缩流体能量方程[1]推断，取观测点对应的巷道为基准面列能量方程，22205采空区内外静压差为采空区地表绝对静压、采空区内空气柱重力势能与观测点巷道内绝对静压的矢量和，即自然风压，空气柱平均高度约为127.9m。
22407采空区与地表没有直接连通的裂隙，把22407采空区看做完全封闭的空间，采空区内外压差分析示意图详见图二：
图二 22407采空区内外压差分析示意图
依据可压缩流体能量方程推断，取观测点对应的巷道为基准面列能量方程，22407采空区内外静压差为采空区冒落带最高点绝对静压、冒落带空气柱的重力势能与观测点巷道内绝对静压的矢量和，直接顶为细粉砂岩，厚度18.41～44.1m，空气柱的高度即冒落带的高度，即采高的4～7倍，这里取6倍31.2m。
5采空区静压差计算公式推导与验证
5.1推导计算公式
依据上述两种现象，采空区静压差计算公式有两种。
公式一：采空区与地表有连通通道的，计算公式如下：
P地+P空气柱-P巷=P’ （1）
公式二：采空区相对封闭，不存在与地表连通现象，计算公式如下：
P采空区绝对静压+P空气柱-P巷=P’ （2）
P空气柱=ρgh；ρ—为了简化计算，取标准空气密度1.29kg/m3（取对应温度、气压的密度计算更准确）；g—为重力加速度，取9.8m/s2；h—为采空区平均埋深高度或采空区冒落高度（m）。
P巷—为观测点巷道内绝对静压（pa）
P压差—为计算静压差（pa）
P采空区绝对静压—为观测点采空区内冒落定点的绝对静压，
即P巷=P采空区绝对静压
以此公式二中可以简化为P空气柱=P压差
5.2采空区静压差计算公式验证
通过测量的地面绝对静压、观测点巷道内的绝对静压、采空区冒落高度、采空区埋深等参数，带入上述公式一可以计算出22205采空区18联巷内外静压差，带入上述公式二可以计算出22407采空区20联巷内外静压差，计算结果见折线图三。
折线图三 计算数据与实测数据对比表
5.3计算结果分析
22205采空区18联巷内外实测静压差与计算静压差相差±11pa，误差范围0.85%，计算的采空区内外压差基本与实测采空区内外压差吻合；
22407采空区20联巷内外实际静压差与计算静压差相差±2.5pa左右，误差范围0.63%，计算的采空区内外压差为一固定数值，该数值随采空区气体密度的变化而发生变化。
排除取值、测量误差，误差在允许范围内，证明公式推导正确。
5.4误差原因分析
产生误差主要有如下原因：
因未考虑采空区内气体的实际密度，采用标准空气密度进行计算，导致计算结果产生误差；并且均采用空气点密度代替平均密度，增加了误差范围。
采空区冒落高度采用经验冒落高度，未实际测量采空区冒落高度，导致计算结果产生误差；
采空区中裂隙复杂，压力传导存在阻力[2]，但在计算中忽略了阻力，因此计算结果普遍偏大。
测量的每组数据非同一时间点测量，增加了计算结果的误差。
6结束语
通过持续观测、分析、总结神东矿区哈拉沟煤矿22205、22407综采面采空区内外静压差变化规律，结合可压缩流体能量方程，总结、简化采空区内外静压差简易的计算方法，为综合防灭火措施的制定、合理通风系统的选择、采空区内外静压差异常情况的判定提供理论支持。
当采空区内外静压差大于冒落带空气柱重力势能时，即为采空区内外静压压差异常情况，若采空区未发生自然发火，即可以判断为采空区与地表、其他采空区或无限空间连通，此现象多出现在浅埋深综采工作面，可以采取地表回填、井下堵漏、开式增压、尾排通风系统、均压通风系统等措施减少采空区漏风，避免采空区自然发火。
参考文献
[1]王德明，中国矿业大学.矿井通风与安全，2009.
[2]宋来智，杨广文，段西凯.封闭采空区气体波动的原因和理论研究.煤矿安全,2015.
论文作者:王晓东
论文发表刊物:《防护工程》2018年第21期
论文发表时间:2018/12/10
标签：采空区论文; 静压论文; 工作面论文; 地表论文; 裂隙论文; 浓度论文; 巷道论文; 《防护工程》2018年第21期论文;