新疆大南湖北露天勘探區(qū)煤層自燃因素初探

張 虎，李東慧，張 暉，王麗娜

1.山東省煤田地質(zhì)規(guī)劃勘察研究院，山東泰安 271000 2.山東省煤田地質(zhì)局第五勘探隊(duì)，山東泰安 271000

1 國(guó)內(nèi)煤礦煤層自燃情況

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)國(guó)有大中型煤礦，自然發(fā)火危險(xiǎn)礦井已經(jīng)占到60%，因煤自燃導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)42億以上。煤的自燃，不僅浪費(fèi)煤炭資源，還嚴(yán)重污染環(huán)境，破壞生態(tài)平衡。煤層自燃釋放的大量有害氣體，污染大氣，影響生命健康。煤礦火災(zāi)中，自燃發(fā)火要占到70%以上，國(guó)內(nèi)一些自燃發(fā)火嚴(yán)重的礦區(qū)，如撫順、鶴崗、窯街、義馬、淮南、六枝等地均在80%～90%以上。

2 研究區(qū)煤層的自燃傾向性等級(jí)測(cè)定

研究區(qū)位于新疆哈密市西南，距哈密市區(qū)約84km。區(qū)內(nèi)煤炭資源豐富，煤層埋藏較淺、剝采比較小、開(kāi)發(fā)條件優(yōu)越，適宜露天開(kāi)采。哈密魯能煤電化開(kāi)發(fā)有限公司近期將對(duì)該區(qū)展開(kāi)露天煤礦的規(guī)劃、建設(shè)工作，設(shè)計(jì)能力為2 000萬(wàn)t/a，首采區(qū)位于井田東部，面積5.48km2，生產(chǎn)剝采比3.75m3/t，均衡期20年。

在北露天勘探中，為查明區(qū)內(nèi)煤層的自然發(fā)火等級(jí)，共采取煤樣134件進(jìn)行煤的自燃傾向性實(shí)驗(yàn)。煤的自燃傾向性，即煤在常溫下氧化能力的內(nèi)在屬性。吸氧量是指煤在常溫、常壓下，每克干煤吸附流態(tài)氧的量，是判斷煤層自燃傾向性的主要指標(biāo)。樣品實(shí)驗(yàn)采用色譜吸氧鑒定法（MT/T707—1997）[3]，測(cè)試結(jié)果顯示：各主要煤層所測(cè)樣點(diǎn)的吸氧量?jī)蓸O值變化在0.32ml/g～1.11ml/g，根據(jù)煤的自燃傾向性等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，各煤層均為I、II類容易自燃～自燃發(fā)火煤層，見(jiàn)表1所示。

3 影響煤層自燃的主要因素

3.1 煤層自燃是由其化學(xué)組成及結(jié)構(gòu)決定的

煤層自燃主要是因?yàn)槊涸诔叵挛娇諝庵械难醴肿硬⑴c其發(fā)生氧化作用，產(chǎn)生熱量的一種地質(zhì)現(xiàn)象。煤的主要成分是碳，煤炭是古代植物埋藏在地下經(jīng)歷了復(fù)雜的生物化學(xué)和物理化學(xué)變化，逐漸形成的固體可燃性礦物。煤有很大的表面積及吸附能力，煤分子中的活性基團(tuán)與吸附的氧分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生熱量，當(dāng)熱量累積到一定程度，釋放出大量熱，從而使煤溫度急劇上升，當(dāng)達(dá)到燃點(diǎn)時(shí)，引起煤的自燃。不同的煤巖組分，受氧化的難易程度也不同。絲炭是植物的木質(zhì)纖維組織，燃點(diǎn)為230℃；鏡煤中富氫的活性基團(tuán)雖多于絲炭，但燃點(diǎn)反高于絲炭，為274℃；但兩者混合后，燃點(diǎn)僅為210℃左右，極易自燃。另外，煤層中的磷、硫等化學(xué)物質(zhì)，也是助燃物質(zhì)，極易發(fā)生氧化反應(yīng)，釋放大量的熱，促進(jìn)煤層燃燒。

表1 煤自燃傾向性測(cè)試成果表注：Ⅰ類為容易自燃發(fā)火煤層；Ⅱ類為自燃發(fā)火煤層；Ⅲ類為不易自燃發(fā)火煤層。

3.2 圍巖、煤層厚度、產(chǎn)狀及地下水對(duì)煤層自燃的影響

煤層自燃后產(chǎn)生的熱量，主要以傳導(dǎo)和對(duì)流方式向四周擴(kuò)散，其影響范圍與煤層自燃區(qū)規(guī)模大小和圍巖的熱傳導(dǎo)性有關(guān)。煤層頂板巖石形成燒變巖，引起裂隙發(fā)育，而發(fā)育的裂隙又為深部煤層的進(jìn)一步自燃提供氧氣通道，煤層自燃便逐漸向縱深發(fā)展。在本次勘探的礦區(qū)東南部及中北部有兩處古火燒區(qū)，從火燒區(qū)邊界向露頭方向，煤層呈楔形變薄直至尖滅。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔揭露，燃燒后的殘煤，物理性質(zhì)發(fā)生明顯變化，顏色變淺、強(qiáng)度變?nèi)酢６穸却蟮拿簩樱谘趸^(guò)程中產(chǎn)生大量的熱量，更易于積累，使煤層自燃的可能性增加；煤層傾角緩，煤層燃燒后易于沿傾向擴(kuò)展。地表水及地下水對(duì)煤層自燃有一定的抑制作用，故一般煤層自燃主要發(fā)生在潛水位以上。

3.3 溫度對(duì)煤層自燃的影響

該區(qū)屬大陸干旱荒漠氣候，全年日照時(shí)數(shù)在3 350小時(shí)以上。試驗(yàn)證明，當(dāng)溫度在30℃～100℃時(shí)，每增加10℃，氧化速度增加2.2倍，如果達(dá)到70℃以后，氧化則加速進(jìn)行，很快便可達(dá)到燃點(diǎn)。外界的熱源和散熱條件差也能促進(jìn)煤的自燃。

4 對(duì)研究區(qū)煤層自燃發(fā)火的防范措施

嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)工藝開(kāi)采，特別注意邊坡穩(wěn)定性；重視日常安全管理，置備檢測(cè)儀，發(fā)現(xiàn)煤層自燃跡象時(shí)，及時(shí)預(yù)警；合理利用區(qū)內(nèi)地下水，區(qū)內(nèi)地下水經(jīng)采樣化驗(yàn)，礦化度為16.5g/L～48.1g/L，不適宜飲用及農(nóng)業(yè)灌溉，可用來(lái)滅火。建立泵站及輸水管路，采取水澆滅火。

5 結(jié)論

煤層自燃是一個(gè)復(fù)雜的物理、化學(xué)和環(huán)境作用過(guò)程，是多種內(nèi)在原因和外在條件綜合作用的結(jié)果。本文探討了新疆哈密市大南湖北露天勘探區(qū)，煤層自燃發(fā)火的各種內(nèi)在和外在原因。這些因素主要包括日照時(shí)間長(zhǎng)，露天開(kāi)采，水分散失快，氧化過(guò)快。煤的自燃，影響其開(kāi)采，存儲(chǔ)和運(yùn)輸，并可能造成不必要的生命及財(cái)產(chǎn)損失，應(yīng)引起足夠重視。

[1]張建民.中國(guó)北方地區(qū)煤層自燃環(huán)境影響及治理對(duì)策研究[J].中國(guó)減災(zāi)，1998，8.

[2]張國(guó)樞.礦井通風(fēng)[M].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2000.

[3]黃春慧.新疆哈密市大南湖礦區(qū)北露天煤礦勘探報(bào)告，2009，11.

[4]煤礦安全規(guī)程.中華人民共和國(guó)能源，1992-10-22.

[5]徐妙枝.煤的燃燒變質(zhì)作用與煤層自燃特征[J].西部資源，2007，5.