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1、地面大气压力变化与矿井瓦斯涌出关系探讨第20卷第10期2004年10月甘肃科技GansuScienceandTechnologyV.20No.10Oct.2004地面大气压力变化与矿井瓦斯涌出关系探讨武鸿久(窑街煤电公司三矿,甘肃兰州730080)摘要:结合窑街矿区地面大气压力变化引起矿井瓦斯涌出量变化的观测研究,对二者之间的相互关系进行了分析和探讨,找出了不同源瓦斯随大气压变化的涌出规律,对矿井日常瓦斯管理具有一定的指导意义.关键词:大气压力;瓦斯涌出源;瓦斯压力;涌出规律中图分类号:TD713.11前言大气层因受到地心引力作用而呈现的压力称为大气压力,简称大气压.矿区大气压力的大小与矿区所
2、处地面的海拔高度和气象条件有关,海拔越高,压在地表上的空气柱越短,同时空气越稀薄,空气的重率r也越小,所以造成海拔越高地面大气压力越低,反之则越大.一个地区的大气压力不是固定不变的,而是随当地气象条件(如气温,空气湿度等)的变化而变化.据测定.窑街矿区地面大气压力变化在一年内可达17004500Pa,一天内个别情况下可达2o08o0Pa.矿井可以看作是一个与大气层连通的巨大的连通器,大气压力的变化必然要引起矿井内空气压力的变化,这对矿井不同来源的瓦斯涌出量变化将产生不同的影响.掌握矿区大气压与矿井瓦斯涌出变化的规律,搞清二者之间的相互关系,对矿井日常瓦斯管理是十分重要的.本文根据窑街矿区地面大
3、气压力变化引起矿井瓦斯涌出量变化的观测资料,对二者之间的相互关系进行分析探讨,对矿井Fi常瓦斯管理具有一定的指导意义.2基本情况窑街矿区地处兰州市红古区窑街镇,矿井位于大通河河谷阶地上,西部及西北部地势比较平坦,东南部,东部及东北部为中山区,海拔高度在17952060m之间,属干旱大陆性气候条件.据气象资料统计,矿区每年6,7,8三个月气温较高,12,1,2三个月气温较低.月平均最高气温21.60C,平均最低气温一9,20C.矿井为斜井开拓方式,生产能力185万t/a,采煤方法为急倾斜走向长(短)壁水平分层综(炮)采放顶煤开采.采用分区抽出式通风,总进风量10095m/min.总回风量1071
4、0m/min.为低沼气,煤(岩)与C02突出矿井.矿井沼气绝对涌出量1.09m/rain,相对涌出量3.01m/t.d;coz绝对涌出量32.27m3/rain,相对涌出量13.75m3/t.d.煤层具有自然发火危险,煤尘具有爆炸性.3地面大气压与矿井静压的关系不论流动的空气还是静止的空气都能产生一种压力,即静压.静压产生的原因是为数巨大的空气分子热运动与重力的影响,其特点是各向同值且垂直作用于器壁(井巷壁).静压的大小随井巷所处位置标高的不同而不同.地面大气压与矿井静压的关系如图1所示.0,nPxP0nA0POPB,压入式抽出式A0圈1矿井静压与大气压关系从图中可以看出,对于压入式通风的矿井
5、,由于风流中任一点A的绝对静压PA一般比同标高的当地大气压P0大,所以,A点的绝对静压PA:PA=Po+h.Pa第10期武鸿久:地面大气压力变化与矿井瓦斯涌出关系探讨121对于抽出式通风的矿井,由于风流中任一点B的绝对静压PB始终比同标高的大气压力P0小,故B点的绝对静压PB:Ps=Po.hbPa式中:h,hb一分别表示压入式,抽出式通风矿井的通风压力,Pa.4矿井瓦斯的涌出来源及运移规律4.1矿井瓦斯涌出来源矿井瓦斯按其涌出地点的不同可分为掘进区瓦斯,采煤区瓦斯和采空区瓦斯三种来源.掘进区瓦斯涌出量的多少主要取决于同时开掘巷道的多少,巷道围岩涌出瓦斯的大小及掘进区所处的瓦斯地质环境.采煤区的
6、瓦斯一部分来自开采煤层本身,另一部分来自围岩和邻近煤层.一般情况下,当开采单一煤层时,其本身的瓦斯涌出是主要的,但在煤层群开采时,邻近层涌出的瓦斯量占很大比例,有时会大于开采煤层本身的瓦斯涌出量.采空区瓦斯的多少主要取决于煤层瓦斯含量,顶板管理方法,采空区面积的大小和冒落程度等因素的不同而不同.这是由于随着采空区岩石和顶煤的冒落,有时会从顶底板围岩或邻近煤层中放出大量的瓦斯,同时,丢弃在采空区内的煤柱,煤皮,浮煤也放出大量的瓦斯.所以,矿井的瓦斯涌出量可用下式表示:Q瓦=(Q掘+Q采+Q空+Q其它)I133/min式中:Q瓦矿井瓦斯涌出量,m/min;Q掘一掘进工作面瓦斯涌出量之和,m3/mi
7、n;Q采采煤工作面瓦斯涌出量之和,m/rain;Q空工作面采空区瓦斯涌出量总之和,m/min;Q其它矿井其它地点瓦斯涌出量之和,m3/min.4.2瓦斯在煤体中的存在形态和运移规律煤体是一种典型的孔隙性介质,具有十分发达的孔隙和裂隙,这样就使得煤体中形成了巨大的自由空间和孔隙表面.瓦斯在这些孔隙和裂隙中是以游离状态和吸附状态存在的,其中吸附瓦斯量约占90%.在一定条件下,游离状态与吸附状态的瓦斯处于一定的动平衡中,当压力,温度等条件发生变化时,二者可以相互转化.由于煤层中含有大量的裂隙,层理和岩石夹层,其透气性和孔隙率是不相同的,是一种不均质的物体,所以瓦斯在煤层中是以扩散的方式流动的,其运移
8、规律符合菲可扩散定律(Fickslaw).众所周知,扩散是由于分子在介质中的自由运动使某物质由高浓度体系运移到低浓度体系的浓度平衡过程,同时又是由高压力梯度向低压力梯度运移的压力平衡过程.瓦斯是以压力气体的形式存在于煤岩层中的,据有关资料表明,一般情况下,煤层中的瓦斯压力达1.57.8MPa.原始煤岩层中的瓦斯压力是处于平衡状态的.当在煤岩层中进行采掘作业后.煤岩的完整性受到破坏,形成了自由面,透气性增加,破坏了原有的瓦斯压力动平衡状态.使部分游离瓦斯在瓦斯压力的作用下从煤岩壁上渗透涌出,部分吸附瓦斯转化为游离状态,形成了瓦斯流动场.随着采掘工作的发展,煤体和围岩受采掘影响的范围不断增大,瓦斯
9、动平衡破坏的范围也不断扩大,涌出瓦斯的范围逐渐增大,在压力梯度和浓度梯度的双重作用,使得瓦斯气体连续由煤岩体中向采掘空间涌出.采落的煤体和采空区冒落的破碎煤岩可以看作是松散介质,其中的瓦斯在浓度梯度的作用下,以浓度扩散的形式运移和释放的.5地面大气压变化与矿井瓦斯涌出的关系5.1矿井瓦斯涌出类型划分为了便于分析问题,我们将矿井风流携带瓦斯的来源分为原生源瓦斯涌出和积聚源瓦斯涌出两种类型.所谓原生源瓦斯涌出是指从煤岩层中涌入到采掘空间而被风流直接带走的瓦斯.采掘工作面和各通风巷道煤岩壁及采落的块状煤体中涌出的瓦斯多属这种类型.积聚源瓦斯涌出是指从煤岩壁中涌出的瓦斯因种种原因不能与风流迅速混合,而
10、是积存在某区域或是以对流扩散的形式向附近巷道迁移.旧巷和采空区瓦斯涌多属这种类型.5.2大气压力与掘进巷道瓦斯涌出的关系掘进巷道瓦斯涌出属煤层原生源瓦斯涌出范畴,其涌出瓦斯量的大小与煤层瓦斯压力,透气性和瓦斯含量有关,对于同一区域内的同一煤层,透气性和瓦斯含量基本相同,所以,瓦斯涌出量的大小取决于瓦斯压力的大小.瓦斯沿着煤体孔隙和裂隙的流动的能量是赋存于煤层中的固有能量,是压力梯度和浓度梯度共同作用的结果,瓦斯压力是它的动力.对于同一煤体来说,瓦斯涌出量的大小取决于煤体内的瓦斯压力与井下大气压力之差.一般情况下,煤层中原生瓦斯压力达1.57.8MPa,有时甚至更大,而矿井内的静压(通风压力与地
11、面大气压力的代122甘肃科技第20卷数和)一般只有数万帕至十万帕左右,远远低于瓦斯压力.所以,它对从煤壁或破碎的煤块中涌出的原煤巷,岩巷和采煤工作面在掘进,生产期间典型的瓦斯浓度在同一天内随大气压变化的趋势图.从图中可以看出,掘进巷道瓦斯涌出量与地面大气压力的变化之间没有明显关系,煤巷瓦斯曲线发生波动的原因是在爆破瞬间从爆落煤体中集中涌出瓦斯所致.与煤巷相比,岩巷每天爆破次数远远少于煤巷爆破次数,所以瓦斯涌出浓度曲线较煤巷平稳.掘进巷道内风流处于紊流状态,在紊流脉动的作用下,成千倍的提高了风流的传质能力,巷壁涌出的瓦斯将迅速混入风流中并被带走,只要风量合适,一般不会出现瓦斯超限.5.3大气压力
12、与采煤工作面瓦斯涌出的关系如前所述,采煤工作面瓦斯涌出主要来自煤帮,工作面顶底板,采落煤体,进回风巷煤壁和采空区涌出的瓦斯.采煤工作面一般均采用全矿井负压或正压通风,有独立的通风系统.温度一般为19-20,常年基本不变,其温度与地面温度变化联系不大.由于工作面在开采过程中所引起的大范围的围岩移动,造成围岩体中原生裂隙迅速扩展,贯通,次生裂隙大量增加,使煤岩体中的瓦斯涌出量和涌出速度急剧增大,导致工作面回风流中的瓦斯浓度也增大.由于工作面风量大多在400-800m/min之间,有的甚至超过1000m3/min,风流速度在0.254m/s,风流属紊流状态,瓦斯能迅速与风流混合,只要在通风量设计合理
13、(原生瓦斯含量高时可提前预抽)的情况下,都能将工作面及回风流中瓦斯浓度控制在规定值1%以下.另外,如前所述,工作面空间周围的原生源瓦斯压力远远高于工作面通风压力,所以,地面大气压变化对采煤工作面瓦斯涌出(不包括采空区积聚瓦斯)影响也不明显.这一点在我们的观测中也得到了证实.5.4大气压变化与采空区瓦斯涌出的关系采空区瓦斯涌出是构成工作面和矿井瓦斯涌出量的王要部分.采空区瓦斯主要来自采空区垮落范围(或空间)周围煤岩壁和垮落的煤岩碎块在瓦斯压?力的作用下向采空区内涌出,属原生源瓦斯涌出.对于多煤层开采的矿井或工作面,相邻煤层中的瓦斯也通过煤岩裂隙,孔隙和垮落造成的裂缝带流向采空区.由于采空区范围较
14、大,又无风流或很少有风流通过,所以瓦斯大量积聚,形成积聚源瓦斯.积聚源瓦斯常以扩散的形式由高浓度向低浓度运移,其特点是补给源充足,长时间不枯竭.开采引起的生源瓦斯也不产生明显影响.卸压带的残余瓦斯压力是推动这种瓦斯涌出的动力.原生源瓦斯涌入采空区后再向外流出的状态随采空区垮落程度不同而不同.在垮落充填较好的情况下,工作面空气压力与采空区内压力非常接近,瓦斯运移属松散介质中的流动,其流动规律符合菲可定律.对于垮落不好,悬顶空间较大的采空区,其瓦斯压力与工作面压力相同,在无风流作用的条件下,瓦斯以分子扩散的形式由采空区向工作面回采空间迁移.不论是单一煤层开采还是煤层群开采,积存在采空区内含有瓦斯空
15、气的压力将随周围井巷空气压力的变化而变化.当地面大气压力下降引起工作面空气压力下降时,采空区压力也随之下降至与其平衡为止.这个变化过程使采空区内的含瓦斯空气的体积发生膨胀,从而向工作面空间溢出,造成回风流中瓦斯浓度成倍增加.采空区积聚瓦斯的这一涌出规律,在同一矿井的不同区域,或处于不同通风系统的工作面,或工作面是否处于生产状况都是符合的,如图2采煤工作面瓦斯涌出浓度变化曲线所示.从图中可以看出,地面大气压下降,引起回风流中瓦斯浓度上升,地面大气压上升,瓦斯浓度下降;地面大气压变化不大,回风流中瓦斯浓度变化也不大.通过观测,我们还发现,在正常天气情况下,窑街矿区地面大气压变化较大的时间是每天11
16、17时,其最大变化期集中在1315时,变化值200800Pa.瓦斯浓度呈35倍增加,工作面风量不足以将其浓度稀释到规定浓度以下.采煤工作面瓦斯超限也都发生在此期间.增加的瓦斯主要来自采空区积聚源瓦斯.当阴天或雨天时,由于大气压较晴天时大.导致采空区瓦斯气体出于压缩状态,扩散到工作面的瓦斯量不大且比较均匀,工作面回风流中的瓦斯主要以原生源瓦斯为主,合理的配风量足以将瓦斯量稀释到规定浓度之内.观测还表明,地面大气压变化只能引起积聚源瓦斯扩散量的变化,而与原生源瓦斯涌出量的关系不大.大气压变化引起井下瓦斯涌出量的变化取决于大气压随时间变化的速度,即单位时间的变化率,而与大气压的绝对值无关.证明这一现
17、象的物理过程是导致采空区积聚源瓦斯气体的体积膨胀和压缩的变化过程.(下转第117页)第10期武淑芳:离子晶体溶解度规律浅析117度的影响),进行了定量研究,提出了无机盐溶解度AgI判据0.75规则.此规则指出,同一系列离子晶体溶解度相对大小有如下规律:r+/r一0.75时,溶解度最小.r+/r一<0.75时,溶解度随r+/r一增大而减小.r+/r一>0.75时,溶解度随r+/r一增大而增大.从表2所列离子晶体20的溶解度可看出此规律.表2离子晶体的溶解度与离子r+/r一的关系.离子晶体NaaKaRbEICsCINaFNaaNaBrNalKFKaKBrKIr+/r一.520.730.
18、820.93口.700.520.490.44166.36.69.9溶解度(mogL一I6.14.67.6110.976.18.812166.36.69.9除了不同碱金属与同一卤素组成的卤化物和同一碱金属与不同卤素组成的卤化物有此规律外,其它MX类型离子晶体溶解度的相对大小也有类似规律.上述规律只适用于离子极化作用很小的离子晶体.2离子极化作用强的离子晶体对于离子极化作用强的离子晶体,其溶解度相对大小的规律是:离子极化作用越强,在水中溶解度越小.因为离子极化作用越强,键的离子成分越少,共价成分越多.极化作用的强弱决定于离子电荷,离子半径及离子的电子构型.晶体中阴,阳离子电荷数越高,阳离子半径越小
19、,阴离子半径越大极化作用越强.尤其非惰性气构型阳离子与大的阴离子组成的晶体极化作用是较强的.例如:AgFAgClAgBrl8电子构型阳离子一一r一逐渐增大极化作用增强共价成分增多溶解性降低3溶解性规律如以Z/r表征阳离子对阴离子的极化力,则有如下溶解性规律:(1)Z2/r<2:阴离子的极化力很弱,这类金属所组成的化合物大都溶于水中,如碱金属的化合物.但当阴离子为复杂离子(如BiI4一,SbI4一,MnO4一和SnC16一等)时,由于其中变革形性很小,也可使Rb+,Cs+,沉淀.(2)2<Z/r<7:阳离子的极化力较弱,即使与易变形的阴离子所组成的化合物,其溶解度也较小,如碱土
20、金属的碳酸盐,草酸盐,氢氧化物等.(3)z2/r>7:阳离子极化力很强,这类金属离子(如Be2,A13,Sc3,)的氢氧化整为零物和盐都难溶于水.参考文献:1杨宏孝.简明无机化学教程M.天津:天津大学出版社.2001.55582冯慈珍等.无机化学教学参考(2)M.北京:高等教育出版社.1985.44523张淑民.基础无机化学(下)M.兰州:兰州大学出版社.1989.1316(上接第122页)6结论通过上述分析和探讨.可以得出如下结论:(1)地面大气压变化只能引起积聚源瓦斯扩散量的变化,从而导致矿井瓦斯涌出量发生变化.地面大气压力上升,矿井瓦斯涌出量减小;反之,大气压下降则瓦斯涌出量增大;
21、大气压变化幅度不大,矿井瓦斯涌出量变化幅度也不大.(2)地面大气压变化对原生源瓦斯涌出量影响不大.(3)在工作面风量和温度保持不变的情况下,瓦斯涌出量变化的时间和幅度与地面大气压变化的时间和幅度有关,而与大气压的绝对大小无关.(4)处于不同通风系统的工作面,其积聚源瓦斯扩散量的大小随大气压变化的关系在时间上具有同一性,在数量上随采空区冒落和充填程度不同而不同.(5)采空区积聚瓦斯的扩散量大小是引起工作面回风流和矿井回风流瓦斯浓度超限的关键,属瓦斯异常涌出形式.(6)本文所描述的瓦斯涌出量随地面大气压变化的规律,对矿井的c(h气体涌出同样适应.参考文献:1煤矿通风与安全编写组,煤矿通风与安全,煤炭工业出版社.1979年.2何学秋,聂百胜,孔隙气体在煤层中扩散的机理,中国矿业大学,2001年第1期.3美F.W.SEARS等,郭运泰等译,大学物理学第二册,高等教育出版社,1979年.4中国矿业学院瓦斯组编,煤和瓦斯突出的防治,煤炭工业出版社.1979年.
