大屯礦區(qū)煤層自燃原因分析及防治對(duì)策

苑 鐸

（上海大屯能源股份有限公司江蘇分公司，江蘇 徐州 221000）

1 礦區(qū)概況

上海大屯煤電公司位于蘇魯交界的江蘇省沛縣境內(nèi)，隸屬于中國中煤能源集團(tuán)公司。礦區(qū)總面積為245 km2，主要含煤地層為二疊系下統(tǒng)山西組，該組含煤4 層，煤層平均總厚度為8.40 m。礦區(qū)主采煤層2層（7、8號(hào)煤層），兩層煤平均厚度為8.10 m，主要煤種為氣煤和1/3 焦煤。礦區(qū)受新華夏系的強(qiáng)烈改造影響，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，構(gòu)造以斷裂為主，斷層較發(fā)育。

礦區(qū)于1970 年經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)開發(fā)建設(shè)，目前有姚橋煤礦、孔莊煤礦、徐莊煤礦、龍東煤礦四對(duì)生產(chǎn)礦井。礦井均采用立井多水平上、下山開拓，混合式通風(fēng)方式，抽出式通風(fēng)，采深500～1000 m，采用走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化（放頂煤）開采，自然垮落法管理頂板。經(jīng)鑒定，四對(duì)生產(chǎn)礦井均為低瓦斯礦井，煤具有自然傾向性，自然發(fā)火等級(jí)為Ⅱ類，煤塵均具有爆炸性。

2 煤體自燃原因分析

2.1 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜

該區(qū)四礦均在20 世紀(jì)70—80 年代建成投產(chǎn)，經(jīng)過將近40 年的開采，礦井逐漸向井田深部、邊界延伸，通風(fēng)線路最長(zhǎng)達(dá)15 000 m。特別是姚橋煤礦、孔莊煤礦、徐莊煤礦均為兩個(gè)水平同時(shí)開采，三個(gè)以上采區(qū)同時(shí)生產(chǎn)或準(zhǔn)備，導(dǎo)致礦井并聯(lián)、角聯(lián)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)共存，復(fù)雜的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)增大了礦井通風(fēng)阻力，加大了通風(fēng)巷道與采空區(qū)的風(fēng)壓差。礦井老齡化導(dǎo)致老巷道以及采后密閉數(shù)量大，漏風(fēng)通道多，從而增大采空區(qū)漏風(fēng)量，給老巷自燃創(chuàng)造了有利條件。另外，角聯(lián)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)流不穩(wěn)定[1]，加大了該線路上的采煤工作面、采空區(qū)密閉自然發(fā)火風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育

礦區(qū)受新華夏系的強(qiáng)烈改造影響，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，構(gòu)造以斷裂為主，斷層較發(fā)育。四礦井田范圍內(nèi)落差≥2 m 的斷層，姚橋煤礦710 條，孔莊煤礦404 條，徐莊煤礦421 條，龍東煤礦236 條。

由于斷層的存在使一些巷道不能正常掘進(jìn)，為了過斷層尋找斷失的煤層還要多掘巷道，破壞了巷道的完整性，且斷層附近煤層裂隙發(fā)育[2]，頂部極易冒落，形成高冒區(qū)，巷道中的空氣可以通過裂隙滲透進(jìn)入高冒區(qū)松散煤體中，并在裂隙暴露的煤表面發(fā)生氧化反應(yīng)，從而誘發(fā)煤體自燃。

采煤工作面過斷層時(shí)，受斷層影響，該區(qū)域煤體破碎。為確保工作面頂板完整，支架有效支撐，需在斷層處支架頂部上網(wǎng)加固頂煤，且不能徹底放煤，致使大量遺煤進(jìn)入采空區(qū)，為采空區(qū)自燃留下了安全隱患。

2.3 受沖擊地壓影響

隨著開采范圍和規(guī)模的不斷擴(kuò)大，礦井逐步向深部延伸，礦區(qū)大部分采深達(dá)到800 m，局部地點(diǎn)接近1000 m，礦壓的增大加劇了巷道的變形速度，造成巷道周圍煤體松動(dòng)圈的不斷擴(kuò)大。且四礦均存在不同程度的沖擊地壓災(zāi)害，發(fā)生沖擊地壓后使原有煤體的完整性遭到破壞，煤體產(chǎn)生大量裂隙，而卸壓鉆孔、深孔爆破做為日常防治沖擊地壓的解危措施，一定程度上破壞了煤體的完整性，給煤體氧化和蓄熱創(chuàng)造了條件，極易引起煤體自燃[3]。

2.4 受地?zé)釣?zāi)害影響

根據(jù)147 勘探隊(duì)勘探資料及歷年開采搜集資料顯示，該礦區(qū)熱害確定恒溫帶深度為30 m，溫度為16 ℃，地溫梯度平均約2.22 ℃/100 m，姚橋煤礦、孔莊煤礦、徐莊煤礦現(xiàn)有采區(qū)均處于一級(jí)熱害或二級(jí)熱害區(qū)域。而隨著地溫災(zāi)害的顯現(xiàn)，巷道內(nèi)的熱量無法有效的通過通風(fēng)等方式完全帶出，也容易蓄熱造成局部自然發(fā)火[4]。

3 煤體自然發(fā)火防治對(duì)策

3.1 優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)

合理的通風(fēng)系統(tǒng)可以有效降低通風(fēng)阻力，減少向封閉區(qū)或煤體破碎區(qū)的漏風(fēng)量，進(jìn)而控制或消除煤體氧化條件，防止煤層自然發(fā)火事故發(fā)生。

（1）及時(shí)修護(hù)失修巷道或施工補(bǔ)套工程，確保有效通風(fēng)斷面滿足需求，使礦井通風(fēng)阻力處于合理區(qū)間。

（2）合理選擇通風(fēng)設(shè)施類型及構(gòu)筑位置，應(yīng)避免將風(fēng)門等通風(fēng)設(shè)施構(gòu)筑在煤體破碎區(qū)的煤巷及巷道層間距較小的立體交叉附近等容易引起通風(fēng)設(shè)施周圍破碎煤體漏風(fēng)的地點(diǎn)。

（3）選取合理的巷道風(fēng)速。由于巷道中的風(fēng)流受“反壓縮膨脹”作用[5]，很容易向巷道周邊破碎煤體連續(xù)漏風(fēng)供氧，當(dāng)風(fēng)速適中，極易導(dǎo)致該處煤體自燃。

（4）應(yīng)加強(qiáng)通風(fēng)設(shè)施的維護(hù)，確保風(fēng)流穩(wěn)定，嚴(yán)禁出現(xiàn)風(fēng)流短路等非合理改變通風(fēng)系統(tǒng)的現(xiàn)象。

（5）采煤工作面采用下行風(fēng)通風(fēng)方式，工作面液壓泵站、移動(dòng)變電站等高發(fā)熱電氣設(shè)備安設(shè)在回風(fēng)順槽，熱害嚴(yán)重的采掘工作面使用局部降溫設(shè)備，可以有效降低工作面溫度。

3.2 合理組織生產(chǎn)，加強(qiáng)工程質(zhì)量管控

合理的施工組織，可以有效提高工程質(zhì)量。良好的工程質(zhì)量，不但可以有效杜絕頂板事故的發(fā)生，提升工程進(jìn)度，而且可以有效降低煤體自然發(fā)火的幾率。

設(shè)計(jì)合理的煤巷掘進(jìn)工作面支護(hù)參數(shù)，確保支護(hù)強(qiáng)度滿足抵抗圍巖應(yīng)力的需求。當(dāng)遇地質(zhì)構(gòu)造帶時(shí)應(yīng)及時(shí)采取補(bǔ)強(qiáng)措施，縮小錨桿、錨索支護(hù)間排距，嚴(yán)格執(zhí)行“一掘一錨”。在施工錨桿和錨索時(shí)，嚴(yán)格按照先上后下順序，加強(qiáng)工程質(zhì)量管控，出現(xiàn)失效錨桿或錨索時(shí)，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)打，杜絕出現(xiàn)高冒區(qū)。合理組織綜放工作面生產(chǎn)，加強(qiáng)放煤作業(yè)，減少采空區(qū)遺煤，加快工作面推進(jìn)度，確保工作面月推進(jìn)度不少于采空區(qū)自燃帶深度。

3.3 加強(qiáng)火災(zāi)預(yù)警分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)自然發(fā)火隱患

建立“監(jiān)控預(yù)警、束管分析、光纖測(cè)溫、人工巡檢”多源參數(shù)融合的火災(zāi)預(yù)警體系。首先完善礦井火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)，嚴(yán)格按照規(guī)定在采煤工作面回風(fēng)流、煤巷掘進(jìn)工作面回風(fēng)流、采區(qū)回風(fēng)巷、總回風(fēng)巷以及煤巷密閉處、煤巷高冒區(qū)下風(fēng)側(cè)等容易出現(xiàn)自然發(fā)火隱患的地點(diǎn)安設(shè)一氧化碳傳感器，同時(shí)在采煤工作面兩道向采空區(qū)內(nèi)埋設(shè)光纖測(cè)溫系統(tǒng)和束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，全時(shí)段全方位監(jiān)控井下自然發(fā)火征兆；其次定期安排查火工對(duì)采煤工作面老塘及支架頂部、巷道高冒區(qū)和構(gòu)造帶、老巷密閉等地點(diǎn)進(jìn)行人工巡檢，做到精準(zhǔn)預(yù)警。

3.4 “封填堵注”并用，切斷煤體自燃根源

有效的預(yù)防措施是解決煤體自燃的根本手段，可以最大限度地降低煤體自然發(fā)火幾率。

（1）在煤巷高冒區(qū)、煤體破碎區(qū)、小煤柱臨采空區(qū)側(cè)進(jìn)行噴射水泥砂漿封閉，并施工注漿鉆孔，向破碎煤體內(nèi)壓注高分子防火材料，充填破碎煤體裂隙，封堵漏風(fēng)供氧通道。

（2）在采煤工作面上、下端頭堅(jiān)持退錨放頂，確保兩道及時(shí)垮落，每隔5 m 使用煤袋打設(shè)隔離墻，并使用高分子防火材料噴涂，封堵兩道向采空區(qū)的漏風(fēng)通道，并在工作面兩端頭巷幫至端頭支架3～5架架間打設(shè)風(fēng)障，減少向采空區(qū)漏風(fēng)量。

（3）定期向采空區(qū)內(nèi)注漿、注惰?？茖W(xué)選取采空區(qū)預(yù)埋注漿注惰管路步距，通過對(duì)大屯礦區(qū)采空區(qū)三帶實(shí)測(cè)，確定采空區(qū)自燃帶平均為采空區(qū)20～80 m，確定注漿、注惰管路邁步步距為30 m，兩趟管路出口間距15 m，可以有效控制采空區(qū)自燃帶。注漿時(shí)，向漿體內(nèi)添加阻化劑，可以提升漿液抑制采空區(qū)遺煤自燃的效果。定期大流量向采空區(qū)壓注氮?dú)饣蚨趸?，可以稀釋采空區(qū)自燃帶氧氣濃度，并增加采空區(qū)內(nèi)的空氣壓力，從而降低采空區(qū)漏風(fēng)量，而且大量的低溫惰氣可以有效降低采空區(qū)溫度，破壞采空區(qū)遺煤氧化蓄熱條件。

4 結(jié)語

（1）通過建立“監(jiān)控預(yù)警、束管分析、光纖測(cè)溫、人工巡檢”多源參數(shù)融合的火災(zāi)預(yù)警體系，精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)到多處自然發(fā)火隱患點(diǎn)，針對(duì)不同隱患點(diǎn)的特點(diǎn)，分別采取相應(yīng)的防治措施，將自燃事故消除在萌芽狀態(tài)。

（2）針對(duì)礦井容易引發(fā)煤體自燃特點(diǎn)，采取“優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)、強(qiáng)化工程管理、預(yù)警分析定位、封填堵注并用”的綜合防治自然發(fā)火措施，有效杜絕了井下自然發(fā)火事故。