开滦东露天煤矿防灭火方案的研究

宁保军

（1.河北联合大学，河北 唐山 063000；2.新疆开滦能源投资有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000）

0 前言

我国国有煤矿中有56%的矿井存在自然发火危险，煤炭不完全燃烧释放大量的CO、CO2、SO2等有毒有害气体，污染大气环境，影响生态平衡。随着新疆煤炭资源的不断开发，露天煤矿所占的比例也在逐年增加，煤炭自燃已成为露天矿山的重大自然灾害之一[1]。煤炭自燃既浪费资源，降低煤炭质量，又污染环境，而且对矿区的安全生产构成威胁。因此，研究露天煤矿煤炭自然发火规律，采取积极有效的防灭火措施意义重大。

1 矿区概况

开滦新疆东露天煤矿属大陆干旱荒漠气候，夏季高温炎热，白天气温常在40℃以上，冬季气候严寒，绝对最低气温-49.8℃。区内年均降水量192mm，年蒸发量1595.2～2410.4mm。常年多风，风力4～5级，最大可达10级。上部地层主要有第四系松散岩类、侏罗系碎屑岩类，结构松散、干燥，孔隙度大，属典型的散体结构。矿区内控制的西山窑组可采煤层 4 层，从上至下编号为 B22、B21、B12、B11，在首采区倾角为 0～5°，平均 3°，平均厚度分别为 5.38、3.67、2.68、5.42m，均是特低灰～低灰、特低硫、低磷、31号不粘煤为主体的煤类，有少量41号长焰煤及21号不粘煤。煤炭变质程度低，风化程度高，发火期短，在存储过程中煤炭极易自燃发火，各可采煤层的自燃倾向等级均为容易自燃（I）。矿区首采区为露天开采，2009年7月剥离开工，目前采场揭露面积0.79km2，平均深度13m，由于浅部煤层开采靠近火烧区，采场北部低洼处有积水。

2 露天矿煤炭自燃的原因

2.1 煤炭自然发火机理

露天采场内具有自燃倾向性的大量煤炭，长期暴露在空气中，在地质构造、外界环境风化及开采震动的影响下，以及煤体中瓦斯、水分的散失，使得煤体十分破碎。这样，在外界风力、压力及外界与煤体内部之间的自然风压作用下，外界含氧空气渗入煤体之中[2]。煤炭具有吸附空气中氧的特性，发生煤氧复合作用。煤的吸附性包括表面吸附和化学吸附。表面吸附产生的热量微不足道，然而化学吸附以及与其相伴随的煤氧化学反应则可以放出相当多的热量。由于煤体体积较大，热量被积聚起来，积聚的热量反过来加热煤体，使煤体与空气之间的氧化反应更加剧烈，煤体温度不断上升，当达到煤的着火温度时，导致煤体自燃发生。

2.2 东露天煤矿煤炭自燃因素

2.2.1 煤的风化

离地表较近的煤层，经受风、雪、雨、露、冰冻、日光和空气中氧等的长时间作用，使煤的性质发生一系列不利变化，如发热量下降、灰分增加、粘结性消失、强度、块度下降等，这种现象称为煤的风化。煤风化的本质是煤的氧化作用过程。东露天矿由于煤层埋藏浅，市场饱和，采场和煤场的煤炭都暴露时间长，风化现象比较严重。煤风化后，含氧量增加，腐植酸含量增加，疏松易碎，易自燃。

2.2.2 煤质

东露天煤矿以31号不粘煤为主体煤类，具有高热值、含油、大多气化指标较好、中等易碎等特点。煤层顶底板岩石中含大量的炭化植物碎片，煤层的成因类型为腐殖煤类。煤的镜质体反射率在0.36%～0.53%之间，平均0.41%，其变质程度为0～Ⅰ阶段，其中主要为0阶段，个别为Ⅰ阶段。各煤层的煤灰成分均属硅质灰分类型，煤对二氧化碳的反应能力强，煤活性大，易自燃。

2.2.3 气候条件

矿区内气温高，气候干燥，蒸发强烈，大气降水少而集中，多风少雨，加之坑内煤氧化后积聚的热量不易散发，给煤的自燃创造了条件。裸露煤层及煤堆中的风流使煤缓慢氧化，使之逐渐升温，在自燃危险带内聚热，热量难以散发，从而导致自燃。

2.2.4 煤体松散

侏罗系西山窑组地层赋煤4层，间有泥岩和炭质泥岩，煤层较破碎，呈短柱状，结构松散。由于采场涌水的影响，采场内各平盘高度不一致，加之采用挖掘机采剥工艺，煤层露头多，加剧了煤体的松散度和氧化反应。

2.2.5 煤炭销售不畅

新疆准东煤炭市场不景气，销售不畅，长时间堆积造成煤炭风化、破碎、升温，易发生煤炭自燃。

3 防灭火方案

3.1 煤温监测

3.1.1 着火温度分析

着火温度是判断煤样着火性能的一个重要指标。着火温度可采用两种方法进行分析，一种方法是TG—DTG法，另外一种是根据时间与温度变化曲线进行分析。通过对东露天矿一年中4～8月的采场测温数据进行整理分析，做出了每个月每天各点的温度变化曲线，另对16个现场取样样品进行燃烧试验，综合比较得出着火温度在310℃至360℃之间。煤样在260℃左右开始发生不可逆反应，需要在150℃左右作出相应的反应，否则可能短短的几天内就会发生煤炭的自燃。

3.1.2 监测方法

在采场、煤场安装煤炭温度监测系统，测定不同地点、不同深度的温度情况，测温数据通过中继站传输至办公计算机，进行实时监控，发现温度超过一定数值，提前采取预防措施。

3.2 火灾的预防措施

3.2.1常规性预防和管理措施

（1）严格加强日常的巡视检查，每天三次对采场、煤场进行巡视，大风等极端天气加强巡检频率；加强外来人员管理，禁止在矿区生活区以外的任何地点吸烟。

（2）每天监控采场和煤场温度，对煤体温度 （30cm以下）超过60℃，加强监测频率，超过150℃，立即采取降温措施；对风化严重区域及时清理浮煤。清理浮煤是因为东露天矿的煤炭易风化形成比较松散层状和粉末状的碎煤，这种碎煤为煤炭的吸氧和蓄热创造比较好的环境，容易发生自燃。

（3）以销定产，严格控制库存，缩短煤炭存储时间。堆放时间较长的煤炭，及时摊开降温，并降低出售。

（4）优化露天矿剥采计划，平衡剥采比，制定科学合理的生产衔接计划，采掘顺序充分考虑采场排水、防灭火和衔接煤量的关系，从根本上降低煤炭自燃隐患。

3.2.2 储煤场预防措施

（1）建立封闭式煤场，这样可以避免阳光照射和大风天气下风流的加速，材质可以选用彩钢板。

（2）建立风障或挡风墙，主要是预防风对自燃的影响，通过建立风障降低风速，在很大程度上降低自燃危险。

（3）煤堆分区管理，即煤场由多个小煤堆组成，这样出现险情易于处理。

（4）对煤堆底部周圈进行包膜处理，目的是阻止和削弱煤堆空气流场的形成，破坏氧化的持续性和规模，使煤堆温度可控。

3.3 火灾的消灭措施

3.3.1 喷水灭火

其工艺可分为两种，一是用管路输水，即泵站—管路—水枪—火区；另一种是利用采坑内的积水，用水车运水，即水源—水车—火区。此方法适合小范围的煤炭自燃，用水喷灭的燃煤应及时清运走。

3.3.2 挖除火源灭火

用机械设备将发火煤炭直接剥除运走，从而控制火灾的发展态势。此方法适合于消灭火根浅、面积小、水不易到达的火区，燃煤排弃后要进行掩埋处理。

3.3.3 隔离带灭火

隔离带法就是切断火区与周围可燃物的联系，防止火区蔓延的方法，可通过铲车清除一定块段范围内的煤炭，用戈壁料、砂石等封堵隔开来实现。

3.3.4 注浆灭火

就是把岩石的空隙用高压泵或自然方法注入一种或几种能够凝结沉积的浆液，待浆液发生凝结，便可堵塞岩石的裂隙，起到屏蔽的作用。是大规模防灭火行之有效的方法。按燃烧区域的大小及燃烧中心的深度可以分为：表面浇灌法和钻孔注浆法。

3.4 集中火区的治理措施

对于已经发生大面积火灾的煤炭，经过喷水及清除后，必须选择安全地点集中存放，采用隔绝空气掩埋法[3]，防止引起二次火灾，造成建筑物、设备和人员伤亡。做法是：在火区上部覆盖黄土、软质凝灰岩等阻火的细碎物料并碾压，达到隔绝氧气、灭火的目的。存放地点周围要打栅栏，悬挂醒目的安全警示牌，防止人员误入烫伤或发生有害气体熏人事故。

4 结语

通过研究，提出了露天矿煤炭自燃发火的预防措施和灭火措施，能在很大程度上抑制采场和储煤场的煤炭自燃，创造可观的经济效益，确保矿山的安全生产。露天矿煤炭的防灭火工作是一项系统工程。在进行露天矿的设计、制定作业计划和生产时，应综合考虑煤炭的自燃因素，做到超强预防。同时，还要有足够的投入和严格的管理制度，并且常抓不懈。

［1］朱志宇，赵浩，刘光伟.浅析露天煤矿煤炭自燃[J].露天采矿技术，2011(1):29-32.

［2］张瑞新，谢之康，于汝绥，等.防治露天矿煤炭自燃的开采技术措[J].中国煤炭，1995(8)：42-43.

［3］杨占军，肖平.抚顺西露天矿内排土场防灭火技术的研究及应用[J].煤矿安全，2002，33(7):33-35.