背斜区域窄煤柱沿空掘巷煤层自燃机理及防治

2018-12-07金明方姚小帅

山东煤炭科技 2018年4期

金明方廉洁姚小帅

（义马煤业集团股份有限公司地质研究所，河南义马 472300）

煤炭自燃是一种特殊的自然灾害，它不仅浪费资源，还对自然环境造成破坏[1]。义安矿业主采二1煤层为不易自燃煤层，一般而言难以发生自燃（义安背斜以外区域从未发生过自燃事故），但在义安背斜区域内，由于构造运动的构造热在一定程度上改变了煤质，使其具有了煤层自燃倾向；背斜特殊的几何形态又有利于热量的聚集，加之背斜轴部由于弯流作用产生的巨厚煤层，为煤层自燃提供了有利的条件[2]。目前普遍应用的窄煤柱沿空掘巷技术不但能够提高保护层的采出率和企业效益，还能有效地增加被保护层的被保护范围[3]，但其缺点是易导致煤层自身塑性破坏，引起节理、裂隙发育，甚至破碎，造成漏风供氧，引发自燃事故，带来了巨大经济损失和安全隐患[4-5]。因此，开展背斜轴部区域内窄煤柱沿空掘巷煤层自燃的研究，可以有效地指导生产，避免安全事故的发生。

1 工作面概况

洛阳义安矿业有限公司（下称义安矿业），系煤与瓦斯突出矿井，主采煤层二1煤属于豫西“三软煤层”，埋深超过600m，煤质松软，局部煤层变化大。根据该矿生产地质报告，二1煤为不易自燃煤层。但是，在12080工作面回采结束后，该工作面的大巷保护煤柱发生了煤层自燃。而随后掘进的12090工作面轨道顺槽（临12080工作面沿空掘巷）在掘进过程中也发生了自燃事故。由于本矿建矿十余年来未曾发生过自燃事故，导致该事故处理较为被动。

12090工作面轨道顺槽为窄煤柱沿空掘巷，留设煤柱1.5m。该工作面在掘进至开口向里400m处由于煤层较厚且松软，发生冒顶事故，处理后继续掘进30m沿空掘巷结束，按照规定开拓底板巷，致使12090轨道顺槽停止掘进1年。2017年5月，该巷道察觉有异常热源、回风温度高和有害气体含量上升的情况，在对异常区域进行排查和钻探后证实2#火点位置（冒顶位置）发生煤层自燃。

图1 12090工作面火点位置图

2 2#着火点煤层自燃诱因分析

2.1 背斜对煤层自燃的影响

根据三维地震勘探成果和现场实际揭露情况可以发现，本矿12采区中部分布着一个小区域性的背斜，控制工作面8～10个，命名为义安背斜。该背斜轴部宽缓，位于12080工作面中部，与12090工作面轨道顺槽距离较近。

（1）义安背斜控制煤厚对煤层自燃的影响

根据现场实际揭露情况分析，义安背斜轴部煤层较厚，最厚处近17m，向两翼逐渐变薄至3m左右（图2），属于弯流作用形成的纵弯褶皱。煤层在弯流作用下由两翼向轴部流动，造成轴部形成巨厚煤层。厚煤层氧化可产生更多的热量，而其本身就是良好的盖层，可以控制更多的热量聚集，更容易发生煤层自燃事故。

（2）背斜构造运动改变煤质及煤体结构对煤层自燃的影响

不易自燃煤层频繁发生自燃现象，在矿井其他条件相似的地区却未发生自燃，说明该区域内煤层煤质发生了变化，使其一定程度上具有了煤层自燃倾向。背斜构造运动会产生构造热，在这一过程中有可能改变了煤层煤质，使小区域范围内煤层具有自燃倾向。

背斜区域内煤层在弯流作用下流动，煤层会形成大量的流劈理和破劈理，增加了煤体的孔隙度和比表面积，使煤体吸纳氧气的能力大大增强。同时，煤岩层的弯曲必然引起层内各部质点的相对变位和应变，产生节理、破碎带或劈理，成为煤层的供氧通道，更有利于煤层自燃事故的发生。

图2 12090轨道二1煤层等厚线图

（3）背斜构造形态对煤层自燃的影响

纵弯褶皱是受到横向的挤压应力作用而产生弯曲变形。特别是对于背斜而言，其顶部在应力作用下易形成旋转剪节理，增加了氧气和水的通道。

图3 背斜节理发育示意图

而背斜独特的构造形态可以使煤层氧化自热从两翼向轴部流动，并在顶部有效地聚集，使煤层产生高温，更有利于煤层的自燃。

图4 背斜形态对煤层自燃的影响

2.2 厚煤层窄煤柱沿空掘巷对煤层自燃的影响

（1）氧气对煤层自燃的影响

窄煤柱留设有利于提高回采率和增加被保护层的保护范围，但易导致煤体力学性质的变化，形成裂隙甚至煤层破碎而导通采空区，特别是对大埋深、高地应力的厚煤层而言，更加易于产生漏气通道供氧，若通风量稳定在某一合理范围，使氧化自热大于散失的热量，则有利于煤层发生自燃。

（2）水对煤层自燃的影响

对于变质程度较高的干燥煤体而言，吸收一定量的水分会释放出大量的湿润热，有利于煤层热量的聚集。二1煤层为中高硫贫煤，硫份为3%，主要硫矿物为黄铁矿，易氧化形成三氧化二铁及三氧化硫并释放大量热，三氧化硫在水的参与下会形成强氧化剂硫酸并释放大量热，有利于煤层自燃。

二1煤层顶板为大占砂岩，系承压裂隙含水层，富水性极不均一，因此，在沿空掘巷遇到采空区涌水量适中的情况下，水的参与可以加速煤层的自燃。

3 煤层防灭火对策

3.1 粘土浆直接灭火

在发现煤层自燃时利用水直接灭火，会迅速产生大量水蒸气形成“蒸汽幕”，阻止空气进入燃烧区，并能稀释燃烧区氧的浓度，减弱燃烧强度[6]，但水被蒸发后不能形成有效的保护膜“滞留”在火区内，会使灭火效果大减。因此特别是针对沿空掘（留）巷或采空区，如果摸清了火源的准确位置，可采用粘土浆直接灭火。采用粘土浆直接灭火不但能够形成“蒸汽幕”减少氧化剂，同时能够在自燃煤层表面形成粘土层，有效隔绝空气，同时还可以封堵煤体中的裂隙，阻断供氧通道，提高灭火效果。采用粘土浆灭火的钻孔终孔位置必须在火源的上方，否则无法达到应有的效果。

3.2 隔绝氧气通道

煤层自燃最重要的因素就是氧气，因此控制供氧通道是防灭火的最重要途径。在沿空掘巷过程中，若出现片帮、冒顶现象，特别是在地质构造区域内（例如背斜轴部），必须对片帮、冒顶区域进行注浆（胶），以防长时间接触空气或构成供氧通道发生自燃。对煤巷实施全断面喷浆也可以有效地减少巷道漏风现象，同时对相邻采空区进行封闭，对进回风两侧进行堵截。对于沿空掘巷中已经发生自燃或高温的煤体，可在其对应的采空区注入粘土浆，填实采空区，阻断氧气通道。