预防越界采空区自然发火措施的效果分析

尚少勇，黄良成

(1.榆林神华能源有限责任公司，陕西 榆林 719000；2.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054；3.西安天河矿业科技有限责任公司，陕西 西安 710000)

0 引言

虽然煤炭消费比重多年来一直在下降，但是煤炭作为我国能源消费的龙头位置从未动摇[1-5]。在实际的矿山生产活动中，存在一些违规违法活动，其中，越界开采被认为是矿业生产中的“毒瘤”，越界开采会导致国有矿产资源的流失，扰乱采矿权市场秩序，尤其是严重威胁矿山安全，例如在煤矿井下施工巷道时，如果与越界开采的采空区贯通，容易引起通风系统紊乱，甚至可能会引起遗煤自燃、透水和瓦斯爆炸等事故的发生[6-9]。

目前，不少学者已经对矿山越界开采的问题进行了研究，如刘波等[10]的研究表明，煤矿的越界开采会导致副井井筒的坍塌，并利用FLAC3D软件模拟了越界开采的破坏过程；陈苏社等[11]确定了越界开采的小窑采空区水害的治理方案，通过人工坝体治理水患，取得了良好的效果；李智等[12]为了确定盗采巷道的具体位置，通过地面定向钻进过程中的钻井液漏失、钻孔岩屑录井和压水试验的压力变化来判断盗采巷道的分布情况；马盟等[13]为了解决煤矿越界开采煤炭资源导致边界煤柱被破坏的问题，提出了采用小煤柱和混凝土隔离柱相结合的边界结构，从而有效解决了矿井涌水的问题，节约了煤炭资源；陈凤英等[14]研发了一套防止露天矿山越界开采的预警系统，减少了监管矿山开采的人力成本，提高了监管的效果；刘书龙[15]设计了煤矿越界开采监测系统，利用无线传感器网络技术，准确判断是否有越界开采发生，其定位精度在1 m左右；刘立等[16]通过结合光学遥感数据和采矿权数据，监测了湖南省露天开采矿山的越界开采行为，并通过分析数学模型，为今后的矿山规划提供了理论依据；李明耀[17]通过分析龙潭煤矿周围小煤矿的越界开采情况，提出了一些针对性的措施和对策。

为了预防矿山越界采空区自然发火，文中以青龙寺煤矿为例，通过分析贯通处各项气体浓度，研究了贯通点密闭、越界开采煤矿封闭和采空区地表裂缝回填等措施对采空区自然发火的预防效果，为煤矿越界开采导致采空区自然发火的防治提供参考。

1 煤矿越界开采原因

煤矿的越界问题由来已久，在改革开放初期，国家鼓励乡镇煤矿的发展，造成一些煤矿在无规划的情况下过度开采煤炭资源，破坏了煤炭资源的整体性。近年来，我国发生的矿山安全事故中，有多起都与越界开采有关。造成煤矿越界开采的原因有以下6个方面：①矿山企业单纯追求经济效益而忽略了矿山安全，无视越界开采存在的安全隐患[18]。②部分矿业权设置不合理，导致周边一些零星资源并不在矿区范围内；为了盈利，一些矿山企业在未得到批准的情况下，私自开采周边零星资源[19]。③由于技术限制，一些小煤矿无法准确判断开采范围，导致煤矿越界开采情况的发生。④众多小煤矿大多数属于合法、私有、在生产矿井，属地政府对煤炭产业去产能、调结构的步伐较慢，故与之相邻的大型煤矿有被其越界的较高风险。⑤从属地政府相关部门执法看，越界盗采行为的管控主导是属地政府相关部门，随着国家对安全、环保等方面的严管加大，近2 a属地政府相关部门对越界盗采行为的日常巡察监管力度在加大，非法开采、超层越界的风气和势头得到遏制，重视程度高，工作作风大有改进，管控投入有所增加，管控机制正在形成，但与真正的长治久安仍有很大差距。⑥从我国煤矿对越界盗采行为探测工作看，依靠煤炭行业现有技术装备开展的地面物探和钻探等手段，在技术层面是无法做到精确查明越界盗采范围、采空区积水积气等情况的；而且地面探测工作存在时间长、费用较高、精度不高的实际问题；此外，采取的巷探、钻探等探测措施受时空局限大，只有自己掘进的巷道靠近或贯通越界区域时，探测成果才准确、可靠。

2 工程概况

青龙寺煤矿于2016年10月试生产，2019年5月底发现井田南边界相邻王塔煤矿越界盗采情况。连掘队在井田西边界附近井田内掘进5-20104回风顺槽期间，与越界不明巷道贯通，随即报告属地政府相关部门，由其组织开展的调查工作表明，越界巷道属于相邻的王塔煤矿所为。同时，组织青龙寺煤矿开展了大量钻探、巷探、人员进入探测等工作，但截至目前，尚未彻底查明越界盗采范围、资源破坏情况、积水积气等情况。5-20104综采工作面切眼已后退593 m圈定，少采出煤炭资源约60万t。这一越界盗采行为，对青龙寺煤矿整个西翼盘区的工作面设计布置、矿井生产接续和采掘活动安排造成严重制约和影响。

为了探明越界范围及进一步确定 5-20104工作面切眼、5-20105工作面切眼位置，2019年7月5日—2020年4月3日连掘队先后与越界采空区贯通7次，具体位置如图1所示。其中，1#、2#贯通点已经永久封闭，进入5-20104工作面采空区内。

图1 贯通位置示意

3 预防采空区自然发火措施

4月22日中班，5#、6#贯通处均出现一氧化碳超限，并有煤层自燃标志性气体出现。为了预防越界采空区自然发火，青龙寺煤矿组织制定了预防越界采空区自然发火的安全技术措施。

3.1 贯通点密闭及气体采集

3#密闭规格为1 m砖墙+1 m黄土充填+1 m配筋砼墙+0.5 m砖墙，施工完毕。4#、5#密闭规格为1 m砖墙+1 m黄土充填+1 m配筋砼墙+0.5 m砖墙，施工完毕，喷浆完成。6#密闭规格为0.75 m砖墙+1 m黄土充填+1 m配筋砼墙+0.5 m砖墙，施工完毕，喷浆完成。7#密闭规格为0.37 m砖墙+0.5 m砖墙+3 m黄土充填+1 m配筋砼墙+0.5 m砖墙；施工完毕，喷浆完成。

每天对4#、5#、6#密闭点及综采工作面回风隅角人工采样色谱分析一次，对3#、7#密闭点人工检查气体一次。

3.2 王塔煤矿封闭

4月24日至4月25日，矿内派专人监督王塔煤矿对其主井、副井、回风井进行封闭，密闭规格为0.5 m砖墙并抹面。对地表黑口子漏风点4处初步完成堵漏，5月 9日巡查发现主扇蝶阀漏风，现场监督关闭后，未发现漏风。6月10日检查发现王塔煤矿的3个黑口子，截至6月12日3处黑口子均已封堵，封堵规格为0.37 m砖墙(内墙)+10 m砼墙，未发现漏风；黑拉畔对面的一处疑似黑口子，6月20日检查发现已封闭；6月25日，巡查发现王塔煤矿私自开启主扇蝶阀和主井密闭，矿内监督立即封闭了主井密闭和关闭了主扇蝶阀。6月27日，电塔矿管办已对王塔煤矿黑口子封堵验收，并编号。7月6日巡查，王塔煤矿井口密闭完好不漏风、主扇处于关闭状态不漏风、黑口子封堵完好不漏风。

3.3 采空区地表裂缝回填

矿内安排专人每3天检查一次采空区地表裂缝情况。7月6日检查发现5-20104工作面地表有裂缝，最宽为10 cm。安排施工单位进行回填，回填后的裂缝，沙土充填严实、脚踩无明显的下陷及空洞出现、无漏风现象。

4 预防自然发火措施效果分析

4#、5#、6#密闭及综采工作面回风隅角的CH4、CO2、CO、O2、N2、C2H6、C2H4的浓度变化如图2～8所示。

图2 密闭处及回风隅角的CH4浓度变化

由图2中的CH4浓度变化可以看出，4#、5#、6#密闭及综采工作面回风隅角的CH4浓度均在0.025%以下，小于《煤矿安全规程》[20]和青龙寺煤矿预防越界采空区自然发火安全技术措施中规定的1%的界限，即CH4浓度并未超标。由图3中的CO2浓度变化可以看出，回风隅角的CO2浓度无明显变化，在0.25%左右；4#、5#、6#密闭的CO2浓度在4月26日至5月5日之间超过1.5%，5月5日之后，CO2浓度下降到1.5%以下，符合《煤矿安全规程》的标准。由图4中的CO浓度变化可以看出，回风隅角的CO浓度无明显变化，5月15日，CO浓度达到最高的44×10-6；4#密闭的CO浓度在5月1日从78×10-6降至0；5#密闭以4月28日为转折点，CO浓度从312×10-6逐渐下降到88×10-6，5月9日之后，CO浓度为0；6#密闭以4月27日为转折点，CO浓度从345×10-6逐渐下降到53×10-6，5月9日之后，CO浓度为0。由图5中的O2浓度变化可以看出，回风隅角的O2浓度正常；4#、5#、6#密闭的O2浓度在5月5日降到最低，在16.5%左右，5月5日至5月9日，O2浓度逐渐增加至18%，5月9日之后，O2浓度逐渐降低。由图6中的N2浓度变化可以看出，4#、5#、6#密闭的N2浓度变化都呈缓慢上升趋势；而回风隅角的N2浓度变化波动较大。由图7中的C2H6浓度变化可以看出，回风隅角的C2H6浓度为0；4#密闭的C2H6浓度基本保持稳定，但在4月28日C2H6浓度达到0.003 7%；5#和6#密闭的C2H6浓度逐渐降低，且变化趋势相似，其中5#密闭的C2H6浓度在5月11日出现异常，达到0.002%。由图8中的C2H4浓度变化可以看出，5月1日，5#密闭和6#密闭检测到C2H4，其他时间C2H4的浓度为0。

图3 密闭处及回风隅角的CO2浓度变化

图4 密闭处及回风隅角的CO浓度变化

图5 密闭处及回风隅角的O2浓度变化

图6 密闭处及回风隅角的N2浓度变化

图7 密闭处及回风隅角的C2H6浓度变化

图8 密闭处及回风隅角的C2H4浓度变化

3#和7#密闭的各项气体浓度见表1。分析表1数据可知5月13日至5月23日，3#密闭和7#密闭的CH4、CO2、CO、O2浓度均未超过青龙寺煤矿预防越界采空区自然发火安全技术措施中规定的临界值。

表1 3#密闭和7#密闭的各项气体浓度

综合分析3#、4#、5#、6#、7#密闭及综采工作面回风隅角的气体浓度，可以得出5-20104综采工作面回风隅角、3#、7#密闭各项气体指标正常，越界采空区内自然发火征兆未波及5-20104综采工作面与3#、7#密闭；与越界采空区贯通的4#、5#、6#密闭内，氧气浓度逐渐下降，氮气浓度缓慢上升，经过分析，判断为煤炭氧化耗氧及煤层中氮气溢出导致；5月1日出现乙烯气体，之后未出现，4月26日至5月23日均出现乙烷气体，5月9日之后一氧化碳均降为零，二氧化碳无明显变化，因此青龙寺煤矿制定的安全技术措施对预防越界采空区自然发火有积极作用。

综上所述，青龙寺煤矿应进一步加强管控，继续按公司要求做好防控工作；越界采空区自然发火预警状态可以由公司级调整为矿级。

5 结论

找准漏风通道是预防越界采空区自然发火的关键；施工可靠的密闭是预防越界采空区自然发火的重点；精准分析气体变化情况是预防越界采空区自然发火的要点。