大屯矿区煤层自燃原因分析及防治对策

2021-01-11苑铎

山东煤炭科技 2021年12期

苑铎

（上海大屯能源股份有限公司江苏分公司，江苏徐州 221000）

1 矿区概况

上海大屯煤电公司位于苏鲁交界的江苏省沛县境内，隶属于中国中煤能源集团公司。矿区总面积为245 km2，主要含煤地层为二叠系下统山西组，该组含煤4 层，煤层平均总厚度为8.40 m。矿区主采煤层2层（7、8号煤层），两层煤平均厚度为8.10 m，主要煤种为气煤和1/3 焦煤。矿区受新华夏系的强烈改造影响，地质构造复杂，构造以断裂为主，断层较发育。

矿区于1970 年经国务院批准开发建设，目前有姚桥煤矿、孔庄煤矿、徐庄煤矿、龙东煤矿四对生产矿井。矿井均采用立井多水平上、下山开拓，混合式通风方式，抽出式通风，采深500～1000 m，采用走向长壁后退式综合机械化（放顶煤）开采，自然垮落法管理顶板。经鉴定，四对生产矿井均为低瓦斯矿井，煤具有自然倾向性，自然发火等级为Ⅱ类，煤尘均具有爆炸性。

2 煤体自燃原因分析

2.1 通风网络复杂

该区四矿均在20 世纪70—80 年代建成投产，经过将近40 年的开采，矿井逐渐向井田深部、边界延伸，通风线路最长达15 000 m。特别是姚桥煤矿、孔庄煤矿、徐庄煤矿均为两个水平同时开采，三个以上采区同时生产或准备，导致矿井并联、角联通风网络共存，复杂的通风网络增大了矿井通风阻力，加大了通风巷道与采空区的风压差。矿井老龄化导致老巷道以及采后密闭数量大，漏风通道多，从而增大采空区漏风量，给老巷自燃创造了有利条件。另外，角联网络风流不稳定[1]，加大了该线路上的采煤工作面、采空区密闭自然发火风险。

2.2 地质构造发育

矿区受新华夏系的强烈改造影响，地质构造复杂，构造以断裂为主，断层较发育。四矿井田范围内落差≥2 m 的断层，姚桥煤矿710 条，孔庄煤矿404 条，徐庄煤矿421 条，龙东煤矿236 条。

由于断层的存在使一些巷道不能正常掘进，为了过断层寻找断失的煤层还要多掘巷道，破坏了巷道的完整性，且断层附近煤层裂隙发育[2]，顶部极易冒落，形成高冒区，巷道中的空气可以通过裂隙渗透进入高冒区松散煤体中，并在裂隙暴露的煤表面发生氧化反应，从而诱发煤体自燃。

采煤工作面过断层时，受断层影响，该区域煤体破碎。为确保工作面顶板完整，支架有效支撑，需在断层处支架顶部上网加固顶煤，且不能彻底放煤，致使大量遗煤进入采空区，为采空区自燃留下了安全隐患。

2.3 受冲击地压影响

随着开采范围和规模的不断扩大，矿井逐步向深部延伸，矿区大部分采深达到800 m，局部地点接近1000 m，矿压的增大加剧了巷道的变形速度，造成巷道周围煤体松动圈的不断扩大。且四矿均存在不同程度的冲击地压灾害，发生冲击地压后使原有煤体的完整性遭到破坏，煤体产生大量裂隙，而卸压钻孔、深孔爆破做为日常防治冲击地压的解危措施，一定程度上破坏了煤体的完整性，给煤体氧化和蓄热创造了条件，极易引起煤体自燃[3]。

2.4 受地热灾害影响

根据147 勘探队勘探资料及历年开采搜集资料显示，该矿区热害确定恒温带深度为30 m，温度为16 ℃，地温梯度平均约2.22 ℃/100 m，姚桥煤矿、孔庄煤矿、徐庄煤矿现有采区均处于一级热害或二级热害区域。而随着地温灾害的显现，巷道内的热量无法有效的通过通风等方式完全带出，也容易蓄热造成局部自然发火[4]。

3 煤体自然发火防治对策

3.1 优化通风系统

合理的通风系统可以有效降低通风阻力，减少向封闭区或煤体破碎区的漏风量，进而控制或消除煤体氧化条件，防止煤层自然发火事故发生。

（1）及时修护失修巷道或施工补套工程，确保有效通风断面满足需求，使矿井通风阻力处于合理区间。

（2）合理选择通风设施类型及构筑位置，应避免将风门等通风设施构筑在煤体破碎区的煤巷及巷道层间距较小的立体交叉附近等容易引起通风设施周围破碎煤体漏风的地点。

（3）选取合理的巷道风速。由于巷道中的风流受“反压缩膨胀”作用[5]，很容易向巷道周边破碎煤体连续漏风供氧，当风速适中，极易导致该处煤体自燃。

（4）应加强通风设施的维护，确保风流稳定，严禁出现风流短路等非合理改变通风系统的现象。

（5）采煤工作面采用下行风通风方式，工作面液压泵站、移动变电站等高发热电气设备安设在回风顺槽，热害严重的采掘工作面使用局部降温设备，可以有效降低工作面温度。

3.2 合理组织生产，加强工程质量管控

合理的施工组织，可以有效提高工程质量。良好的工程质量，不但可以有效杜绝顶板事故的发生，提升工程进度，而且可以有效降低煤体自然发火的几率。

设计合理的煤巷掘进工作面支护参数，确保支护强度满足抵抗围岩应力的需求。当遇地质构造带时应及时采取补强措施，缩小锚杆、锚索支护间排距，严格执行“一掘一锚”。在施工锚杆和锚索时，严格按照先上后下顺序，加强工程质量管控，出现失效锚杆或锚索时，应及时补打，杜绝出现高冒区。合理组织综放工作面生产，加强放煤作业，减少采空区遗煤，加快工作面推进度，确保工作面月推进度不少于采空区自燃带深度。

3.3 加强火灾预警分析，及时发现自然发火隐患

建立“监控预警、束管分析、光纤测温、人工巡检”多源参数融合的火灾预警体系。首先完善矿井火灾监控系统，严格按照规定在采煤工作面回风流、煤巷掘进工作面回风流、采区回风巷、总回风巷以及煤巷密闭处、煤巷高冒区下风侧等容易出现自然发火隐患的地点安设一氧化碳传感器，同时在采煤工作面两道向采空区内埋设光纤测温系统和束管监测系统，全时段全方位监控井下自然发火征兆；其次定期安排查火工对采煤工作面老塘及支架顶部、巷道高冒区和构造带、老巷密闭等地点进行人工巡检，做到精准预警。

3.4 “封填堵注”并用，切断煤体自燃根源

有效的预防措施是解决煤体自燃的根本手段，可以最大限度地降低煤体自然发火几率。

（1）在煤巷高冒区、煤体破碎区、小煤柱临采空区侧进行喷射水泥砂浆封闭，并施工注浆钻孔，向破碎煤体内压注高分子防火材料，充填破碎煤体裂隙，封堵漏风供氧通道。

（2）在采煤工作面上、下端头坚持退锚放顶，确保两道及时垮落，每隔5 m 使用煤袋打设隔离墙，并使用高分子防火材料喷涂，封堵两道向采空区的漏风通道，并在工作面两端头巷帮至端头支架3～5架架间打设风障，减少向采空区漏风量。

（3）定期向采空区内注浆、注惰。科学选取采空区预埋注浆注惰管路步距，通过对大屯矿区采空区三带实测，确定采空区自燃带平均为采空区20～80 m，确定注浆、注惰管路迈步步距为30 m，两趟管路出口间距15 m，可以有效控制采空区自燃带。注浆时，向浆体内添加阻化剂，可以提升浆液抑制采空区遗煤自燃的效果。定期大流量向采空区压注氮气或二氧化碳，可以稀释采空区自燃带氧气浓度，并增加采空区内的空气压力，从而降低采空区漏风量，而且大量的低温惰气可以有效降低采空区温度，破坏采空区遗煤氧化蓄热条件。