張福國

摘 要：煤礦作為我國的基礎產業(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采過程中不可避免地形成的，極容易產生瓦斯爆炸，不僅對煤炭開采企業(yè)是一個巨大的經濟損失，還很有可能造成煤炭一線作業(yè)人員的人身傷害，造成惡劣的社會影響，所以解決瓦斯涌出問題對煤炭安全事故的預防有著十分積極的推動作用。文章首先分析了瓦斯涌出的來源和特點，在對瓦斯涌出有了一個大致的了解后，進而分析了通風方式和大氣壓力與瓦斯涌出的關系，希望能夠對礦井制訂生產規(guī)劃、合理安排組織生產、減少瓦斯事故、保證礦井安全生產起到一定的指導意義。

關鍵詞：瓦斯涌出；來源；特點；通風方式；大氣壓力

引言

我國每年都會發(fā)生多起煤礦事故。據不完全統(tǒng)計，建國以來，全國共發(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)帶來了經濟損失，還會威脅煤礦一線作業(yè)人員的生命安全，給曠工家屬造成極大的痛苦，也會造成惡劣的社會負面影響。所以瓦斯事故應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，與瓦斯自身的性質是分不開的。（1）爆炸性。在適當的濃度和引火源的作用下會產生強烈的燃燒和爆炸。瓦斯爆炸是最嚴重的煤礦井下事故，造成的人員傷亡和經濟損失不可估量的。（2）瓦斯的擴散燃燒。煤礦井下經常會存在濃度比較高的瓦斯源和火源，一線工作人員由于工作上的疏忽，容易出現如隨意停風、減少風量等處理不當的情況發(fā)生，雖然火源燃燒點已經熄滅，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到爆炸的臨界點，與殘留的火星接觸就會發(fā)生爆炸。（3）瓦斯的突出問題。所謂的瓦斯突出就是指在相對比較短的時間里煤體向巷道或采場突然噴出大量的煤炭并涌出大量的瓦斯，從而產生一定的動力效應的一種現象。不可預測和突發(fā)是其主要特點，所具有的破壞力是十分巨大的，經常會造成重大的人員傷亡和財產損失。不僅如此，瓦斯爆炸后由于高溫高壓會產生巨大的沖擊波，周圍的煤灰和煙塵會被卷起所形成的氣流會破壞巷道和器材設施，甚至產生更加難以想象的后果。

煤炭是我國的主要能源，大多數工業(yè)都需要煤炭作為基礎支撐，隨著經濟的不斷發(fā)展，我國現階段乃至未來很長一段時間的經濟發(fā)展都需要煤炭，需求量也在不斷加大，是關系到國家經濟命脈的基礎產業(yè)。

而在煤炭具體的操作工作中，揭露煤層是煤炭掘進工作面的首要步驟，會造成大量的瓦斯涌出，容易出現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、時間及煤層賦存條件和瓦斯地質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和瓦斯防治帶來諸多困難。所以研究掘進工作面的瓦斯涌出規(guī)律，對于減少瓦斯事故的發(fā)生有著積極的促進作用。

1 綜掘工作面瓦斯來源分析和涌出特點

瓦斯是一種無色、無味、無臭的氣體，煤炭在生成的過程中，在物力和化學雙作用下，瓦斯就此生成，瓦斯會伴隨著煤層開采釋放出來。

1.1 綜掘工作面瓦斯來源

綜掘工作面瓦斯涌出主要來源于煤壁瓦斯和落煤瓦斯兩部分。從煤體瓦斯涌出機理而言，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到巷道壁面是由瓦斯的解吸-擴散-滲流形成的一個復雜的運移過程，而這個過程的最終結果是巷道壁面瓦斯的涌出，并且在不同的過程中，瓦斯的流動遵循不同的規(guī)律。煤壁瓦斯涌出量受多種因素的影響，一方面它受掘進巷道煤質、原巖應力、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條件的影響，另一方面還受到掘進工作面的落煤方式、推進速度等生產技術條件的影響，而正是這些生產技術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的不同。

對于綜掘工作面，采落煤炭的瓦斯涌出主要是煤炭在運輸過程中的瓦斯涌出量。與煤壁瓦斯涌出不同，雖然塊煤表面與其內部仍存在著一定的瓦斯壓力梯度，但其數值極為有限，塊煤的瓦斯涌出主要以分子擴散為主。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巷道內的停留時間等因素的共同影響。一般而言，塊煤的粒度越小，其瓦斯擴散速度越快，而粒度越大則瓦斯擴散越慢。塊煤的殘存瓦斯含量則取決于煤的變質程度和原始瓦斯含量。隨著煤的變質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間的延長呈明顯的衰減趨勢。綜合考慮以上各種因素對塊煤瓦斯涌出量的影響可知：在其他固有地質和煤質條件不變的條件下，掘進工作面塊煤的瓦斯涌出量主要取決于掘進過程中的采、裝、運等工藝過程，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出不同的特征。

1.2 綜掘工作面瓦斯涌出特點

1.2.1 與炮掘工作面相比，綜掘工作面瓦斯涌出量增大

瓦斯涌出是一個由強到弱的過程，會隨著時間的推移慢慢減弱，所以瓦斯量涌出最大的時候在煤壁暴露初期。相比較炮掘工藝，推進速度快使得煤壁的暴露時間大幅度縮短，初期是瓦斯涌出量最多的時段，是綜掘工藝瓦斯涌出的特點之一。另外，綜掘的平均出煤量也是炮掘所無法比擬的。從落煤的瓦斯涌出量上看，炮掘一般是一次就涌出了掘進工作面，綜掘工藝則不同，它是在刮板運輸機、膠帶運輸機等不斷作業(yè)的過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減小，并且瓦斯涌出的不均勻性和工藝過程密切相關

綜掘工藝各工序在時間上具有明顯的連續(xù)性，瓦斯涌出雖有波動，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間內急劇增大，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出瓦斯涌出量大起大落的現象。而在綜掘工作面，掘進機均勻地、連續(xù)不斷地將煤壁上的煤炭破碎、采落，單位時間內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機的割煤速度，割煤速度越快，則瓦斯涌出的瞬時值也就越大，割煤時間越長，則峰值持續(xù)的時間也就越長。

1.2.3 與炮掘工作面相比，綜掘工作面相對瓦斯涌出量降低

綜掘工作面掘進速度快，落煤、裝煤和運煤基本上是連續(xù)進行，加之掘進機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輸機運出了工作面，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，因而其相對瓦斯涌出量反而降低。根據實際測定，當落煤量增加1倍時，相對瓦斯涌出量僅增加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、通風系統(tǒng)運行失控、作業(yè)人員誤入未及時封閉停風的巷道、瓦斯積聚未采取有效應對措施等情況時，均會使作業(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系，如果沒有及時通風換氣，稀釋排除高濃度瓦斯，瓦斯就會在某個位置積聚，在火源附近，一旦接觸上瓦斯就會燃燒，進而形成火災，如果沒有對火災進行有效控制就會發(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、引爆火源等幾個關鍵條件。能夠構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采過程中無法避免的。當瓦斯聚集到一定程度達到爆炸程度時，接觸引爆火源就容易發(fā)生瓦斯爆炸。

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

2 瓦斯涌出與通風方式的關系

2.1 通風系統(tǒng)的常見類型

2.1.1 一進一回型

在具體的煤礦采掘工作面中受到推進方向和進、回風平巷的相對位置不同的影響，一進一回型又可分為四種類型。第一，后退式U型。煤層巖體是后退式U型通風系統(tǒng)進、回風巷全部的落腳點，所以巷道中所能露出的風很少，而上隅角是風交匯的最佳場所，所以采空區(qū)形成的瓦斯很容易在風的作用下聚集在上隅角位置處。第二，后退式Z型。提前掘出進風巷是后退式Z型通風系統(tǒng)所要做的工作，回采工作面不斷推進的過程中，形成了回風巷。工作面不是采空區(qū)漏風攜帶的瓦斯主要的流動方向，回風巷才是，這樣就可以有效防止瓦斯在工作面上隅角聚集。第三，前進式U型。煤層巖體和采空區(qū)分別在前進式U型通風系統(tǒng)的進風平巷的兩側，直接可能導致采空區(qū)遍布于回風平巷的兩側，有很大的空間局限性，只適合于薄煤層或是中厚煤層。第四，前進式Z型。預先掘出回風巷是前進式Z型通風系統(tǒng)所要做的前期準備工作，有利于在回采工作面逐漸深入的過程中，形成進風巷。采空區(qū)漏風攜帶的瓦斯會向工作面流動，瓦斯可能會聚集在某個局部位置超出一定的上限，所以前進式Z型通風系統(tǒng)不適合瓦斯涌出量大的作業(yè)區(qū)。

2.1.2 兩進一回型

Y型和W型是兩進一回的通風系統(tǒng)的兩種主要類型。第一，Y型。后退式Z型是其主要的雛形，依據它逐漸衍生而來。其原理是增加一條風巷在采掘工作面的上端，這樣能夠增大采掘工作面回風巷的風量，此方式高瓦斯煤層應用的比較廣泛。第二，W型。在長工作面或是雙工作面使用W型的通風系統(tǒng)比較多。

2.1.3 兩進兩回及三進一回H型

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

2.2 瓦斯涌出與通風系統(tǒng)類型的關系

為了能夠夠更好地分析瓦斯涌出與通風系統(tǒng)的關系，文章以某煤礦的采掘工作面為例加以說明。這個煤礦是典型的高產高效工作面，2.5萬噸是該煤礦的采掘工作面的日產煤量，所以瓦斯涌出量是很大的，上隅角以及回風巷瓦斯超過上限的情況時有發(fā)生。采空區(qū)是工作面瓦斯的主要來源，兩進一回Y型通風系統(tǒng)是此煤礦一直使用的通風方式。煤礦負責人在努力解決瓦斯涌出的原則下，經過積極探討和研究后，決定設置一段尾巷，這樣就形成三進一回的通風方式。經過調整后，工作面回風流中的瓦斯體積分數降低至0.5%以下，有效解決了瓦斯涌出的難題。所以，實踐證明了改變通風方式能夠有效解決礦井下巷道內的瓦斯涌出，并且可行性和可操作性都比較強。

3 大氣壓力與煤礦瓦斯涌出的關系

3.1 大氣壓力對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源，都會受到煤礦采場四周的大氣壓力變化的影響。采場大氣壓力因地面大氣壓力變化而變化。井下某點的絕對靜壓Pi和此點水平的同高度、同時間的大氣壓力Po之差就是該點的相對靜壓h，即h=Pi-Po。相對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系統(tǒng)下，相對靜壓都不會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，Pi就會減小。

3.2 大氣壓力對煤礦瓦斯涌出影響的規(guī)律性分析

經過多年的測試資料顯示，一年里地面大氣壓變化數值在5.3-8kPa之間，也就是540.8-816.3mmHg。一天有時會在2-2.7kPa，也就是204.1-275.5mmHg。單就一天內的變化值就堪比礦井串聯了一臺中型風機，這一驚人的數字對瓦斯涌出影響上可想而知，其中對鄰近層和已采區(qū)瓦斯涌出的影響是最為明顯的。在大氣壓力降低的時候，瓦斯涌出量自然會增加。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，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，大氣壓力卻是截然相反，處于最高值，這樣的氣溫對采空區(qū)的瓦斯涌出是有一定影響的，觀測表明瓦斯涌出量相對較少。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，遇到陰雨天氣時地面大氣壓力就會變得比較低并且不太穩(wěn)定，綜合起來采空區(qū)瓦斯涌出量就會增加，瓦斯爆炸率也會隨著增高。

基于上文的分析，在高瓦斯煤礦開采中，特別是采空區(qū)的瓦斯涌出量比較大的煤礦中，地面監(jiān)測室是應該建立的，用來監(jiān)測地面氣候條件的變化趨勢，便于及時掌握大氣壓力、溫度、濕度月月、時時的變化規(guī)律，以及井下氣壓和這些數值變化的幅度是否相同、時間速度快慢，了解對工作面采落煤炭、鄰近層、采空區(qū)、綜放采場放頂區(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加強檢查礦井瓦斯?jié)舛?，進行嚴格控制。應對瓦斯涌出增大的情況，可以隨時改變礦井主扇運行參數，將主扇工況點進行適當調節(jié)，以減少主扇工作的壓力，控制井下各瓦斯涌出源的絕對氣壓值在一個相對穩(wěn)定的區(qū)間內。還要具體情況具體分析，根據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，消除瓦斯爆炸隱患。

4 結束語

綜上所述，瓦斯涌出是引發(fā)瓦斯爆炸，進而發(fā)生煤礦安全事故的第一殺手，煤炭企業(yè)應該充分重視，積極想辦法、想對策解決瓦斯涌出這一關鍵環(huán)節(jié)，最大限度地保障礦井安全、高效的作業(yè)，產出更多優(yōu)質煤，積極促進我國煤礦業(yè)的發(fā)展，使其更好地服務于我國經濟社會建設。

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