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1、 地面大氣壓力變化與礦井瓦斯涌出關(guān)系探討 第20卷第10期 2004年10月 甘肅科技 GansuScienceandTechnology V.20No.10 Oct.2004 地面大氣壓力變化與礦井瓦斯涌出關(guān)系探討 武鴻久 (窯街煤電公司三礦,甘肅蘭州730080) 摘要:結(jié)合窯街礦區(qū)地面大氣壓力變化引起礦井瓦斯涌出量變化的觀測研究,對二者之間的相互 關(guān)系進行了分析和探討,找出了不同源瓦斯隨大氣壓變化的涌出規(guī)律,對礦井日常瓦斯管理具有一 定的指導(dǎo)意義. 關(guān)鍵詞:大氣壓力;瓦斯涌出源;瓦斯壓力;涌出規(guī)律 中圖分類號:TD713.1 1前言 大氣層因受到地心引力

2、作用而呈現(xiàn)的壓力稱為 大氣壓力,簡稱大氣壓.礦區(qū)大氣壓力的大小與礦 區(qū)所處地面的海拔高度和氣象條件有關(guān),海拔越高, 壓在地表上的空氣柱越短,同時空氣越稀薄,空氣的 重率r也越小,所以造成海拔越高地面大氣壓力越 低,反之則越大.一個地區(qū)的大氣壓力不是固定不 變的,而是隨當(dāng)?shù)貧庀髼l件(如氣溫,空氣濕度等)的 變化而變化.據(jù)測定.窯街礦區(qū)地面大氣壓力變化 在一年內(nèi)可達1700~4500Pa,一天內(nèi)個別情況下可 達2o0—8o0Pa.礦井可以看作是一個與大氣層連 通的巨大的連通器,大氣壓力的變化必然要引起礦 井內(nèi)空氣壓力的變化,這對礦井不同來源的瓦斯涌 出量變化將產(chǎn)生不同的影響

3、.掌握礦區(qū)大氣壓與礦 井瓦斯涌出變化的規(guī)律,搞清二者之間的相互關(guān)系, 對礦井日常瓦斯管理是十分重要的.本文根據(jù)窯街 礦區(qū)地面大氣壓力變化引起礦井瓦斯涌出量變化的 觀測資料,對二者之間的相互關(guān)系進行分析探討,對 礦井Fi常瓦斯管理具有一定的指導(dǎo)意義. 2基本情況 窯街礦區(qū)地處蘭州市紅古區(qū)窯街鎮(zhèn),礦井位于 大通河河谷階地上,西部及西北部地勢比較平坦,東 南部,東部及東北部為中山區(qū),海拔高度在1795— 2060m之間,屬干旱大陸性氣候條件.據(jù)氣象資料 統(tǒng)計,礦區(qū)每年6,7,8三個月氣溫較高,12,1,2三 個月氣溫較低.月平均最高氣溫21.60C,平均最低 氣溫一9,20

4、C. 礦井為斜井開拓方式,生產(chǎn)能力185萬t/a,采 煤方法為急傾斜走向長(短)壁水平分層綜(炮)采放 頂煤開采.采用分區(qū)抽出式通風(fēng),總進風(fēng)量 10095m/min.總回風(fēng)量10710m/min.為低沼氣, 煤(巖)與C02突出礦井.礦井沼氣絕對涌出量1. 09m/rain,相對涌出量3.01m/t.d;coz絕對涌出 量32.27m3/rain,相對涌出量13.75m3/t.d.煤層 具有自然發(fā)火危險,煤塵具有爆炸性. 3地面大氣壓與礦井靜壓的關(guān)系 不論流動的空氣還是靜止的空氣都能產(chǎn)生一種 壓力,即靜壓.靜壓產(chǎn)生的原因是為數(shù)巨大的空氣 分子熱運動與重力的影響,其特點是

5、各向同值且垂 直作用于器壁(井巷壁).靜壓的大小隨井巷所處位 置標(biāo)高的不同而不同.地面大氣壓與礦井靜壓的關(guān) 系如圖1所示. 0 , ^ ,n PxP0 ^n A 0 ～ PO PB , 壓入式抽出式 A 0 圈1礦井靜壓與大氣壓關(guān)系 從圖中可以看出,對于壓入式通風(fēng)的礦井,由于 風(fēng)流中任一點A的絕對靜壓PA一般比同標(biāo)高的當(dāng) 地大氣壓P0大,所以,A點的絕對靜壓PA: PA=Po+h.Pa 第10期武鴻久:地面大氣壓力變化與礦井瓦斯涌出關(guān)系探討121 對于抽出式通風(fēng)的礦井,由于風(fēng)流中任一點B 的絕對靜壓PB始終比同標(biāo)高的大氣壓力P0小,故

6、B點的絕對靜壓PB: Ps=Po—.hbPa 式中:h,hb一分別表示壓入式,抽出式通風(fēng)礦 井的通風(fēng)壓力,Pa. 4礦井瓦斯的涌出來源及運移規(guī)律 4.1礦井瓦斯涌出來源 礦井瓦斯按其涌出地點的不同可分為掘進區(qū)瓦 斯,采煤區(qū)瓦斯和采空區(qū)瓦斯三種來源.掘進區(qū)瓦 斯涌出量的多少主要取決于同時開掘巷道的多少, 巷道圍巖涌出瓦斯的大小及掘進區(qū)所處的瓦斯地質(zhì) 環(huán)境.采煤區(qū)的瓦斯一部分來自開采煤層本身,另 一 部分來自圍巖和鄰近煤層.一般情況下,當(dāng)開采 單一煤層時,其本身的瓦斯涌出是主要的,但在煤層 群開采時,鄰近層涌出的瓦斯量占很大比例,有時會 大于開采煤層本身的瓦斯涌出量.

7、采空區(qū)瓦斯的多 少主要取決于煤層瓦斯含量,頂板管理方法,采空區(qū) 面積的大小和冒落程度等因素的不同而不同.這是 由于隨著采空區(qū)巖石和頂煤的冒落,有時會從頂?shù)? 板圍巖或鄰近煤層中放出大量的瓦斯,同時,丟棄在 采空區(qū)內(nèi)的煤柱,煤皮,浮煤也放出大量的瓦斯.所 以,礦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——礦井瓦斯涌出量,m/min; ∑Q掘一掘進工作面瓦斯涌出量之和,m3/min; ∑Q采——采煤工作面瓦斯涌出量之和,m/ rain; ∑Q空——工作面采空區(qū)瓦斯涌出量總之和, m/min; ∑Q其它——礦井

8、其它地點瓦斯涌出量之和, m3/min. 4.2瓦斯在煤體中的存在形態(tài)和運移規(guī)律 煤體是一種典型的孔隙性介質(zhì),具有十分發(fā)達 的孔隙和裂隙,這樣就使得煤體中形成了巨大的自 由空間和孔隙表面.瓦斯在這些孔隙和裂隙中是以 游離狀態(tài)和吸附狀態(tài)存在的,其中吸附瓦斯量約占 90%.在一定條件下,游離狀態(tài)與吸附狀態(tài)的瓦斯 處于一定的動平衡中,當(dāng)壓力,溫度等條件發(fā)生變化 時,二者可以相互轉(zhuǎn)化.由于煤層中含有大量的裂 隙,層理和巖石夾層,其透氣性和孔隙率是不相同 的,是一種不均質(zhì)的物體,所以瓦斯在煤層中是以擴 散的方式流動的,其運移規(guī)律符合菲可擴散定律 (Fickslaw).眾所周知,

9、擴散是由于分子在介質(zhì)中 的自由運動使某物質(zhì)由高濃度體系運移到低濃度體 系的濃度平衡過程,同時又是由高壓力梯度向低壓 力梯度運移的壓力平衡過程.瓦斯是以壓力氣體的 形式存在于煤巖層中的,據(jù)有關(guān)資料表明,一般情況 下,煤層中的瓦斯壓力達1.5—7.8MPa.原始煤巖 層中的瓦斯壓力是處于平衡狀態(tài)的.當(dāng)在煤巖層中 進行采掘作業(yè)后.煤巖的完整性受到破壞,形成了自 由面,透氣性增加,破壞了原有的瓦斯壓力動平衡狀 態(tài).使部分游離瓦斯在瓦斯壓力的作用下從煤巖壁 上滲透涌出,部分吸附瓦斯轉(zhuǎn)化為游離狀態(tài),形成了 瓦斯流動場.隨著采掘工作的發(fā)展,煤體和圍巖受 采掘影響的范圍不斷增大,瓦斯動

10、平衡破壞的范圍 也不斷擴大,涌出瓦斯的范圍逐漸增大,在壓力梯度 和濃度梯度的雙重作用,使得瓦斯氣體連續(xù)由煤巖 體中向采掘空間涌出.采落的煤體和采空區(qū)冒落的 破碎煤巖可以看作是松散介質(zhì),其中的瓦斯在濃度 梯度的作用下,以濃度擴散的形式運移和釋放的. 5地面大氣壓變化與礦井瓦斯涌出的關(guān)系 5.1礦井瓦斯涌出類型劃分 為了便于分析問題,我們將礦井風(fēng)流攜帶瓦斯 的來源分為原生源瓦斯涌出和積聚源瓦斯涌出兩種 類型.所謂原生源瓦斯涌出是指從煤巖層中涌入到 采掘空間而被風(fēng)流直接帶走的瓦斯.采掘工作面和 各通風(fēng)巷道煤巖壁及采落的塊狀煤體中涌出的瓦斯 多屬這種類型.積聚源瓦斯涌出是指從

11、煤巖壁中涌 出的瓦斯因種種原因不能與風(fēng)流迅速混合,而是積 存在某區(qū)域或是以對流擴散的形式向附近巷道遷 移.舊巷和采空區(qū)瓦斯涌多屬這種類型. 5.2大氣壓力與掘進巷道瓦斯涌出的關(guān)系 掘進巷道瓦斯涌出屬煤層原生源瓦斯涌出范 疇,其涌出瓦斯量的大小與煤層瓦斯壓力,透氣性和 瓦斯含量有關(guān),對于同一區(qū)域內(nèi)的同一煤層,透氣性 和瓦斯含量基本相同,所以,瓦斯涌出量的大小取決 于瓦斯壓力的大小.瓦斯沿著煤體孔隙和裂隙的流 動的能量是賦存于煤層中的固有能量,是壓力梯度 和濃度梯度共同作用的結(jié)果,瓦斯壓力是它的動力. 對于同一煤體來說,瓦斯涌出量的大小取決于煤體 內(nèi)的瓦斯壓力與井下大氣壓

12、力之差.一般情況下, 煤層中原生瓦斯壓力達1.5—7.8MPa,有時甚至更 大,而礦井內(nèi)的靜壓(通風(fēng)壓力與地面大氣壓力的代 122甘肅科技第20卷 數(shù)和)一般只有數(shù)萬帕至十萬帕左右,遠遠低于瓦斯 壓力.所以,它對從煤壁或破碎的煤塊中涌出的原 煤巷,巖巷和采煤工作面在掘進,生產(chǎn)期間典型的瓦 斯?jié)舛仍谕惶靸?nèi)隨大氣壓變化的趨勢圖.從圖中 可以看出,掘進巷道瓦斯涌出量與地面大氣壓力的 變化之間沒有明顯關(guān)系,煤巷瓦斯曲線發(fā)生波動的 原因是在爆破瞬間從爆落煤體中集中涌出瓦斯所 致.與煤巷相比,巖巷每天爆破次數(shù)遠遠少于煤巷 爆破次數(shù),所以瓦斯涌出濃度曲線較煤巷平穩(wěn).掘 進巷道

13、內(nèi)風(fēng)流處于紊流狀態(tài),在紊流脈動的作用下, 成千倍的提高了風(fēng)流的傳質(zhì)能力,巷壁涌出的瓦斯 將迅速混入風(fēng)流中并被帶走,只要風(fēng)量合適,一般不 會出現(xiàn)瓦斯超限. 5.3大氣壓力與采煤工作面瓦斯涌出的關(guān)系 如前所述,采煤工作面瓦斯涌出主要來自煤幫, 工作面頂?shù)装?采落煤體,進回風(fēng)巷煤壁和采空區(qū)涌 出的瓦斯.采煤工作面一般均采用全礦井負壓或正 壓通風(fēng),有獨立的通風(fēng)系統(tǒng).溫度一般為19-- 20℃,常年基本不變,其溫度與地面溫度變化聯(lián)系不 大.由于工作面在開采過程中所引起的大范圍的圍 巖移動,造成圍巖體中原生裂隙迅速擴展,貫通,次 生裂隙大量增加,使煤巖體中的瓦斯涌出量和涌出 速度

14、急劇增大,導(dǎo)致工作面回風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛纫? 增大.由于工作面風(fēng)量大多在400--800m/min之 間,有的甚至超過1000m3/min,風(fēng)流速度在0.25— 4m/s,風(fēng)流屬紊流狀態(tài),瓦斯能迅速與風(fēng)流混合,只 要在通風(fēng)量設(shè)計合理(原生瓦斯含量高時可提前預(yù) 抽)的情況下,都能將工作面及回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛瓤? 制在規(guī)定值1%以下.另外,如前所述,工作面空間 周圍的原生源瓦斯壓力遠遠高于工作面通風(fēng)壓力, 所以,地面大氣壓變化對采煤工作面瓦斯涌出(不包 括采空區(qū)積聚瓦斯)影響也不明顯.這一點在我們 的觀測中也得到了證實. 5.4大氣壓變化與采空區(qū)瓦斯涌出的關(guān)系 采空區(qū)瓦斯涌出是構(gòu)成

15、工作面和礦井瓦斯涌出 量的王要部分.采空區(qū)瓦斯主要來自采空區(qū)垮落范 圍(或空間)周圍煤巖壁和垮落的煤巖碎塊在瓦斯壓 ? 力的作用下向采空區(qū)內(nèi)涌出,屬原生源瓦斯涌出. 對于多煤層開采的礦井或工作面,相鄰煤層中的瓦 斯也通過煤巖裂隙,孔隙和垮落造成的裂縫帶流向 采空區(qū).由于采空區(qū)范圍較大,又無風(fēng)流或很少有 風(fēng)流通過,所以瓦斯大量積聚,形成積聚源瓦斯.積 聚源瓦斯常以擴散的形式由高濃度向低濃度運移, 其特點是補給源充足,長時間不枯竭.開采引起的 生源瓦斯也不產(chǎn)生明顯影響. 卸壓帶的殘余瓦斯壓力是推動這種瓦斯涌出的動 力. 原生源瓦斯涌入采空區(qū)后再向外流出的狀態(tài)隨 采空區(qū)

16、垮落程度不同而不同.在垮落充填較好的情 況下,工作面空氣壓力與采空區(qū)內(nèi)壓力非常接近,瓦 斯運移屬松散介質(zhì)中的流動,其流動規(guī)律符合菲可 定律.對于垮落不好,懸頂空間較大的采空區(qū),其瓦 斯壓力與工作面壓力相同,在無風(fēng)流作用的條件下, 瓦斯以分子擴散的形式由采空區(qū)向工作面回采空間 遷移. 不論是單一煤層開采還是煤層群開采,積存在 采空區(qū)內(nèi)含有瓦斯空氣的壓力將隨周圍井巷空氣壓 力的變化而變化.當(dāng)?shù)孛娲髿鈮毫ο陆狄鸸ぷ髅? 空氣壓力下降時,采空區(qū)壓力也隨之下降至與其平 衡為止.這個變化過程使采空區(qū)內(nèi)的含瓦斯空氣的 體積發(fā)生膨脹,從而向工作面空間溢出,造成回風(fēng)流 中瓦斯?jié)舛瘸杀对?/p>

17、加.采空區(qū)積聚瓦斯的這一涌出 規(guī)律,在同一礦井的不同區(qū)域,或處于不同通風(fēng)系統(tǒng) 的工作面,或工作面是否處于生產(chǎn)狀況都是符合的, 如圖2采煤工作面瓦斯涌出濃度變化曲線所示. 從圖中可以看出,地面大氣壓下降,引起回風(fēng)流 中瓦斯?jié)舛壬仙?地面大氣壓上升,瓦斯?jié)舛认陆? 地面大氣壓變化不大,回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛茸兓膊? 大.通過觀測,我們還發(fā)現(xiàn),在正常天氣情況下,窯 街礦區(qū)地面大氣壓變化較大的時間是每天11—17 時,其最大變化期集中在13—15時,變化值200— 800Pa.瓦斯?jié)舛瘸?—5倍增加,工作面風(fēng)量不足以 將其濃度稀釋到規(guī)定濃度以下.采煤工作面瓦斯超 限也都發(fā)生在此期間.

18、增加的瓦斯主要來自采空區(qū) 積聚源瓦斯.當(dāng)陰天或雨天時,由于大氣壓較晴天 時大.導(dǎo)致采空區(qū)瓦斯氣體出于壓縮狀態(tài),擴散到工 作面的瓦斯量不大且比較均勻,工作面回風(fēng)流中的 瓦斯主要以原生源瓦斯為主,合理的配風(fēng)量足以將 瓦斯量稀釋到規(guī)定濃度之內(nèi). 觀測還表明,地面大氣壓變化只能引起積聚源 瓦斯擴散量的變化,而與原生源瓦斯涌出量的關(guān)系 不大.大氣壓變化引起井下瓦斯涌出量的變化取決 于大氣壓隨時間變化的速度,即單位時間的變化率, 而與大氣壓的絕對值無關(guān).證明這一現(xiàn)象的物理過 程是導(dǎo)致采空區(qū)積聚源瓦斯氣體的體積膨脹和壓縮 的變化過程.(下轉(zhuǎn)第117頁) 第10期武淑芳:離子晶體

19、溶解度規(guī)律淺析117 度的影響),進行了定量研究,提出了無機鹽溶解度AgI 判據(jù)——0.75規(guī)則.此規(guī)則指出,同一系列離子晶 體溶解度相對大小有如下規(guī)律: r+/r一≈0.75時,溶解度最小. r+/r一<0.75時,溶解度隨r+/r一增大而減小. r+/r一>0.75時,溶解度隨r+/r一增大而增大. 從表2所列離子晶體20℃的溶解度可看出此規(guī)律. 表2離子晶體的溶解度與離子r+/r一的關(guān)系. 離子晶體NaaKaRbEICsCINaFNaaNaBrNalKFKaKBrKI r+/r一.520.730.820.93口.700.520.490.44166.36.6

20、9.9 溶解度(mogL一I6.14.67.6110.976.18.812166.36.69.9 除了不同堿金屬與同一鹵素組成的鹵化物和同 一 堿金屬與不同鹵素組成的鹵化物有此規(guī)律外,其 它MX類型離子晶體溶解度的相對大小也有類似 規(guī)律. 上述規(guī)律只適用于離子極化作用很小的離子晶 體. 2離子極化作用強的離子晶體 對于離子極化作用強的離子晶體,其溶解度相 對大小的規(guī)律是:離子極化作用越強,在水中溶解度 越小.因為離子極化作用越強,鍵的離子成分越少, 共價成分越多.極化作用的強弱決定于離子電荷, 離子半徑及離子的電子構(gòu)型.晶體中陰,陽離子電 荷數(shù)越高,陽離子半徑越小

21、,陰離子半徑越大極化作 用越強.尤其非惰性氣構(gòu)型陽離子與大的陰離子組 成的晶體極化作用是較強的.例如:AgFAgClAgBr l8電子構(gòu)型 陽離子————一一 r一 逐漸增大 極化作用增強 共價成分增多溶解性降低 3溶解性規(guī)律 如以Z/r表征陽離子對陰離子的極化力,則有 如下溶解性規(guī)律: (1)Z2/r<2:陰離子的極化力很弱,這類金屬所 組成的化合物大都溶于水中,如堿金屬的化合物. 但當(dāng)陰離子為復(fù)雜離子(如BiI4一,SbI4一,MnO4一和 SnC16一等)時,由于其中變革形性很小,也可使 Rb+,Cs+,沉淀. (2)2<Z/r<7:陽

22、離子的極化力較弱,即使與 易變形的陰離子所組成的化合物,其溶解度也較小, 如堿土金屬的碳酸鹽,草酸鹽,氫氧化物等. (3)z2/r>7:陽離子極化力很強,這類金屬離子 (如Be2,A13,Sc3,)的氫氧化整為零物和鹽都難 溶于水. 參考文獻: [1]楊宏孝.簡明無機化學(xué)教程[M].天津:天津大學(xué)出版 社.2001.55—58 [2]馮慈珍等.無機化學(xué)教學(xué)參考(2)[M].北京:高等教育 出版社.1985.44—52 [3]張淑民.基礎(chǔ)無機化學(xué)(下)[M].蘭州:蘭州大學(xué)出版 社.1989.13—16 (上接第122頁) 6結(jié)論 通過上述分析和探討.可以得出

23、如下結(jié)論: (1)地面大氣壓變化只能引起積聚源瓦斯擴散量 的變化,從而導(dǎo)致礦井瓦斯涌出量發(fā)生變化.地面大 氣壓力上升,礦井瓦斯涌出量減小;反之,大氣壓下降 則瓦斯涌出量增大;大氣壓變化幅度不大,礦井瓦斯 涌出量變化幅度也不大. (2)地面大氣壓變化對原生源瓦斯涌出量影響不 大. (3)在工作面風(fēng)量和溫度保持不變的情況下,瓦 斯涌出量變化的時間和幅度與地面大氣壓變化的時 間和幅度有關(guān),而與大氣壓的絕對大小無關(guān). (4)處于不同通風(fēng)系統(tǒng)的工作面,其積聚源瓦斯 擴散量的大小隨大氣壓變化的關(guān)系在時間上具有同 一 性,在數(shù)量上隨采空區(qū)冒落和充填程度不同而不 同. (5)采空區(qū)積聚瓦斯的擴散量大小是引起工作面 回風(fēng)流和礦井回風(fēng)流瓦斯?jié)舛瘸薜年P(guān)鍵,屬瓦斯異 常涌出形式. (6)本文所描述的瓦斯涌出量隨地面大氣壓變化 的規(guī)律,對礦井的c(h氣體涌出同樣適應(yīng). 參考文獻: [1]煤礦通風(fēng)與安全編寫組,煤礦通風(fēng)與安全,煤炭工業(yè)出 版社.1979年. [2]何學(xué)秋,聶百勝,孔隙氣體在煤層中擴散的機理,中國礦 業(yè)大學(xué),2001年第1期. [3][美]F.W.SEARS等,郭運泰等譯,大學(xué)物理學(xué)第二冊, 高等教育出版社,1979年. [4]中國礦業(yè)學(xué)院瓦斯組編,煤和瓦斯突出的防治,煤炭工 業(yè)出版社.1979年.