高瓦斯易自燃综放面采空区内因火灾防控

王宪光，陈志平，龚邦军

（铁法煤业（集团）有限责任公司大兴煤矿，辽宁 调兵山112700）

1 概述

火灾是矿井的五大灾害之一，矿井火灾分为内因火灾和外因火灾两大类。煤炭自然发火属于内因火灾，由于其火源具有隐蔽性，常发生在人们难以看见或不能进入巷道松散煤体或采空区内部。做好易自然煤层自燃发火的预报预测工作，是保证回采过程安全进行的必要工作。防范在先，采取预防性措施，加强日常检测工作，可以为安全回采提供保障。

自然发火一旦形成火灾将产生大量高温有毒、有害气体，且随风流扩散蔓延，对井下人员造成危害，尤其在高瓦斯区域或瓦斯积存区域更容易造成二次瓦斯灾害，形成火灾、煤尘与瓦斯爆炸的连锁反应，扩大了灾害的程度和范围，对于高瓦斯易自燃煤层的综放面是制约其安全生产的一个重要因素。

2 综采放顶煤开采分析

综采放顶煤采煤法在我国已经应用二十余年，这种采煤法掘进率低、效率高、适应性强，并且容易实现高产，而是用于现代化矿井大型化、生产集中化的发展，可以实现一井一面或一井两面的高产高效高集中化的生产模式。

综采放顶煤采煤法实质是在厚煤层中沿煤层底板布置一个长壁工作面，用常规综机法回采一定高度的煤炭，利用矿山压力作用或者辅以人工松动的方法，使综采支架上部的顶煤，自行破碎成松散煤，由支架的放煤窗口放出，开采较集中，生产能力大。

由于开采强度大，采放同时作业，开采高瓦斯低透气性煤层时，由于煤体瓦斯含量高，预抽效果差，瓦斯抽放主要依靠采动影响增透后的边采边抽，抽放量还是受很多因素制约，工作面瓦斯涌出量较大，一般工作面需要配给较大的风量，上下隅角的压差大，煤尘产生量也较大。工作面放顶煤支架的放煤工艺不同，造成支架后部采空区遗留不同程度的脊背煤，另外一般综采放顶煤工作面，端头支架不放煤，也将是采空区内遗留煤炭的主要来源之一。再有顶底板采放煤不完全，也会造成采空区遗留煤炭，为煤炭自燃埋下隐患。

图1 可燃性煤炭氧化过程示意图

3 自燃发火条件及位置分析

井下煤炭达到自然发火必须同时具备以下四个条件，即：具有可自燃性破碎松散煤存在、不断的有含氧风流供给、在这个环境中能够造成热量积聚，以上三个条件在足够长的作用时间下，即有可能引起煤炭自燃发火，发展为火灾。如图1 所示，可燃煤从暴露在空气中开始，不断地在氧化，但是只有在满足自然发火另外三个条件时才能够由蓄热氧化潜伏时期转变为火灾，否则，煤体冷却后，一直会处于缓慢氧化状态。

易自然高瓦斯工作面回采后，随着工作面的推进，会间断不等量地在采空区内出现松散遗留煤，也会使开采煤层卸压，两顺侧，尤其是超前支护段，煤体的破碎最为突出，这就提供了可燃物存在的条件；工作面需要连续不断的通风供给含氧不小于20%的新鲜风流，为自燃提供了可支持燃烧的氧条件；支架支护的放顶煤工作面可以简化为壁面不同粗糙程度的两个相互联通的矩形通道，根据管流流体流动规律，管闭粗糙度大的区域流体流动的雷诺系数低，越靠近支架风速越低，特别是支架后部放煤空间处风量更小，风速更低。高顶和易造成瓦斯聚集的区域，也容易成为微风或者无风区。工作面上下隅角封堵不能够完全实现隔绝采空区，上下三角点在通风压差作用下，要向采空区内部漏风，如图2 所示。

图2 采空区自然发火三带划分示意图

放顶煤工作面采空区内的煤层顶板的受力形式可以近似于一个如图3 所示的砌体梁式结构模型。在这个模型中，梁的中间部位受到力的破坏效果最为显著，即采空区暴露的顶板，沿工作面方向中间部位最先冒落。而在顺槽两侧要留有隔离煤柱而且不放煤，是应力集中区域，煤体受压破碎，一般较中间部位压实程度好，冒落高度较中间部位小，而且作用时间要较中间部位延迟，移架后，在上下端头支架后部要形成较大的隅角空间。采空区的冒落空间、放煤空间、采煤空间，可以认为是连同的三个并联管流，如图4，工作面风流在压力差作用下，由前三角点向后三角点流动，所以下隅角空间成为主要漏风的源，上隅角空间成为主要漏入采空区风流的汇,由此流向回顺。

图3 砌体梁式结构模型

图4 工作面平面图与剖面图、等效网络图

我们可以将工作面采空区建立成一个以工作面倾向为X 轴，以采空区深部为Y 轴，以垂直于工作面顶板方向为Z 轴的一个三维直角坐标系。

（1）沿X 轴方向采空区内流体流动及自然发火情况分析

如图4，风流流动是因为存在着压差，前三角点处一定比后三角点全压高，工作面向采空区的漏风情况如图4漏风网络模型，通风压差逐渐减小，漏风量也逐渐减少，采空区内部漏风自然发火三带的宽度也逐渐向工作面前移，另外采空区内部的瓦斯受漏风的影响向工作面上隅角聚集，受瓦斯一定程度抑制作用的影响，也是回顺侧自然发火三带变窄的一个原因。采空区中间部位冒落和稳定较快，一般较两顺难自然发火。故沿X 轴方向采空区靠近运顺侧是自然发火几率较高区。

（2）沿Y 轴方向采空区内流体流动及自然发火情况分析

由工作面支架后部深入采空区，漏风量和风流速度逐渐减小，含氧风流不断的对遗煤氧化，很容易产生蓄热环境，形成自燃带，氧化速度快，很容易转变成剧烈燃烧。沿Y 轴方向采空区内发火一般是在自燃带内的脊背煤处可能性较大。

但是工作面不断地向前推进，自然三带也交替的向前随工作面移动，确定三带的宽度，对于确定推进最低速度和最佳停产时间，保障安全回采事很重要。

（3）沿Z 轴方向采空区内流体流动及自然发火情况分析

如图3，1、2、3 区域均为冒落带，冒落顺序为3、2、1，漏风裂隙逐渐由下向上部打开，随时间，先冒落的要先趋于稳定，裂隙逐渐压实，而较为发育的裂隙应该是冒落活动强烈的区域，所以，这些区域的漏风也较为严重，但是这些裂隙也是采空区内瓦斯的向上运移通道和可能存储地点，一般在其上部回赋存一定量的瓦斯气体，这些气体将起到一定的抑燃作用，所以自然发火区域应该不会是在裂隙顶部，而是在距离底板有一定高度的富集遗煤处。

（4）上下隅角流体流动及自然发火情况分析

下隅角漏风始终是运顺内温度较低的新风不断补充，虽起到了冷却的作用，但没有终止氧化作用，而且随着工作面推进，冷却带进入氧化带后漏风强度较弱会蓄热升温，最易发生内因火灾。而上隅角为主要的采空区漏风主要出口，受通风压力的影响，其后部采空区内的游离瓦斯也会向此处汇聚涌出，一定程度的起到了抑制自然发火的作用，是火灾发生的主要灾害扩大区域。

4 影响自然发火的因素

4.1 煤的自燃性能

（1）煤的分子结构，研究表明，煤的氧化能力主要取决于含氧官能团多少和分子结构的疏密程度。随煤化程度增高，煤中含氧官能团减少，孔隙度减小，分子结构变得紧密。

（2）煤化程度，煤化程度是影响煤炭自燃倾向性的决定性因素。就整体而言，煤的自燃倾向性随煤化程度增高而降低，即自燃倾向性从褐煤、长焰煤、烟煤、焦煤至无烟煤逐渐减小；局部而言，煤层的自燃倾向性与煤化程度之间表现出复杂的关系，即同一煤化程度的煤在不同的地区和不同的矿井，其自燃倾向性可能有较大的差异。

（3）煤岩成分，煤岩成分对煤的自燃倾向性表现出一定的影响，但不是决定性的因素。各种单一的煤岩成分具有不同的氧化活性，其氧化能力按镜煤＞亮煤＞暗煤＞丝煤的顺序递减。

（4）煤中的瓦斯含量，煤中瓦斯存在和放散影响吸氧和氧化过程进行，它类似用惰性气体稀释空气对氧化发生的影响。

（5）水分，煤的外在和内在水分以及空气中的水蒸汽对褐煤和烟煤在低温氧化阶段起一定的影响，既有加速氧化的一面，也有阻滞氧化的因素。

（6）煤中硫和其它矿物质，煤中含有的硫和其它催化剂，则会加速煤的氧化过程。统计资料表明，含硫大于3%的煤层均为自然发火的煤层，其中包括无烟煤。

4.2 开采工艺

（1）回采面布置，目前应用的长壁采煤法，煤炭回收率高，回采时间长，单面产量大。仰斜较俯斜开采工作面瓦斯涌出量大，但是向采空区的漏风量少，有利于防治自然发火。运回顺布置上还是要按照有利于通风上考虑，要充分利用自然风压，尽量减少工作面上下的压差。

（2）确定合理的回采速度，尽量减小放煤步距，减少脊背煤的损失，放煤时，尽可能的放出煤炭，制定合适的见矸关窗措施。

4.3 漏风

在煤炭氧化过程的热平衡关系中，漏风起两方面的作用：一是向煤提供氧化所必须的氧气，促进氧化发展；二是带走氧化生成的热量，降低煤温，抑制氧化过程发展。采空区漏风强度是影响自然发火的主要因素。把风速控制在易燃风速区之外，是从通风的角度预防自然发火的原则。

4.4 地质因素

地质因素主要有：倾角、煤层厚度、地质构造、开采深度。表1 为倾角和厚度对自燃影响的部分统计资料。在有地质构造的地区，自燃危险性加剧。煤层赋存太深或太浅都会增加自然发火的危险性。

表1 煤层倾角和厚度对自燃影响

5 防治火灾措施

防治煤炭自燃的基本原理是破坏自然发火的四个基本条件。

（1）做好矿井的火灾统计工作，对于发生过自燃的煤层或采区，记录好发火时间、地点、地质构造、发火前后的区域矿井气候参数，做好规律总结工作。

（2）提高煤炭回收率，合理布置回采巷道和确定开采开拓方法，制定合理的回采速度，尽量不要过长时间的停止工作面生产。

（3）减少采空区内漏风。可以加强抽放工作，减少工作面风量，对上下端头支架进行封填堵漏，前三角点挂风障等。

（4）采空区充填河砂、泥浆等，目的在于充填煤岩裂隙，起到一定的胶结作用，增加含氧风流扩散阻力，利用其浸润煤岩、冷却煤体。

（5）采空区惰化，通过向采空区内注入惰性气体，降低采空区内的氧浓度，使其低于发火的最低浓度，注入气体还可以起到冷却作用。

（6）停产期间，采空区内的自然三带相对处于稳定，所以就给处于蓄热燃烧潜伏期的自燃带提供了增加作用时间的条件，所以必须加强采取堵漏、冷却和惰化等手段。

（7）加强巡查、监测工作，可以通过现场巡查检验，使用束管技术在地面时时监测。确定煤层自然发火标志气体鉴定及其参数量化，做好日常的取样分析工作。

6 结论

采空区内容易发生火灾的地点，一般应该距离底板有一定的高度，并且要靠运顺侧。工作面正常回采时，一般自燃带存在时间没有达到自然发火期，就已经进入了窒息带，所以不会发生内因火灾。但是缓慢推进或停产期间是最为危险的，可以通过控制漏风、充填冷却、惰化采空区措施予以延缓内因火灾发生。在长期停产工作面宜主动封闭。