棗莊礦區深部開采煤層自然發火規律及其原因分析

王君濤 孟文鋒 齊電生

（山東能源棗礦集團柴里煤礦，山東 棗莊 277519）

棗莊礦區各礦井開采的煤層均有煤層自燃傾向性。由于開采技術、裝備、管理制度等方面原因，柴里礦、新安礦、三河口礦都發生過煤層自燃事故，柴里礦、蔣莊礦、田陳礦、高莊礦、付村礦、新安礦、濱湖礦、滕東礦、三河口礦1967年8月～2016年12月有記錄的煤層自燃事故共51起，出現煤層自燃隱患37個地點，煤層自燃危害較為突出。因此，對礦井采深、地溫、煤的變質程度等影響自然發火因素進行研究，采取綜合防治措施具有深刻的意義。

1 煤層自燃規律分析依據確定

1.1 依據煤層自燃事故及自燃隱患分析煤層自燃規律

分析煤層自燃危險性規律，首先確定分析基礎數據，即：煤層自燃次數。依據《礦井防滅火規范》規定確定煤層自然發火次數，主要存在如下不合理因素。

1.1.1 采煤工藝的變革

采煤裝備、工藝、技術不斷變革，機械化水平、工作面回收率、單產不斷提高，在同等煤層自燃傾向性和煤層自然發火期的條件下，煤層自然發火事故或隱患次數比落后的采煤工藝要低。

1.1.2 掘進支護工藝變革

巷道支護由砌碹、扶棚等工藝革新錨網支護，過煤門或煤巷掘進期間頂板浮煤或松軟煤體被放盡，巷道頂板煤層自燃事故或隱患降低。

1.1.3 礦井防滅火水平的提高

多數礦井都做到了提前預測、超前防范、超前采取措施，在煤層出現自燃前已采取防滅火技術措施，煤層自燃事故或隱患降低。

因此，不能簡單將礦井歷年的煤層自燃事故或出現隱患次數作為分析煤層自燃危險性規律的依據。

1.2 依據煤層自燃傾向性分析煤層自燃規律

由于取樣及鑒定方法不同，實驗室進行自燃傾向性鑒定結果與現場實際存在一定的誤差。柴里礦3上煤和3下煤均鑒定為自燃煤層，但由于分層開采，在開采過程中3下煤較易出現自燃，而3上煤很少出現自燃現象。因此，煤層自然傾向性只能作為指導煤層自然發火的依據，而利用煤層自燃傾向性分析煤層自燃規律存在一定誤差。

1.3 煤層自然危險性規律分析依據的確定

礦井實際情況驗證，出現煤層自燃隱患地點若不及時采取防治措施，必然導致煤層自燃事故，出現CO地點若不及時采取措施，極易導致煤層自燃隱患。因此，將工作面或其他地點出現CO納入分析煤層自燃危險性規律是科學、合理的。出現C2H4、C2H6、C2H2等烷烴類氣體只能作為煤層自燃事故或隱患的標志。

綜合分析認為，煤層自燃危險地點的依據應為：

①實際發生煤層自燃事故的地點；②出現煤層自燃隱患地點；③CO異常的地點。

2 深部開采煤層自然發火規律分析研究

2.1 煤層自燃危險性與采深的關系分析

柴里礦、蔣莊礦、付村礦、高莊礦、新安礦、三河口礦、濱湖礦等煤層自燃危險性與采深無明顯關系，自燃事故及隱患數量與深度無直接關系，在-200m水平開采時，氧化點數目40處，在-500m水平開采時，氧化點數目21處；而田陳礦和滕東礦所采煤層為深部開采煤層，這兩對礦井煤層自燃危險性均隨著采深的增加而增加，在-600m水平開采時，這兩對礦井氧化點數目為2個，在-700m水平開采時，氧化點數目為3個，在-800m水平開采時，氧化點數目為4個。

綜合來看，在-500m水平內開采的礦井自燃危險性與采深無明顯關系，在超過-600m水平開采的礦深部礦井煤層自燃危險性隨著采深的增加而增加。

2.2 煤層自燃危險性與地溫的關系分析

礦井地溫是指煤層及其周圍巖層的原始溫度，測試統計了棗礦集團各礦井不同水平地溫匯總表1。

由表1可以看出，隨著開采水平延深，地溫逐漸增加，地溫百米增加梯度為1.25～2.82℃。而通過分析的煤層自燃危險性與采深關系可知，在-500m水平內開采的礦井自燃危險性與采深無明顯關系，但在超過-600m水平開采的深部礦井煤層自燃危險性隨著采深的增加而增加。因此可以得出煤層自燃危險性隨地溫增加而增加。從理論分析，也存在這一規律，主要原因有：

（1）地溫增加，煤的化學活性增加，煤氧反應速率加快。

（2）地溫越高，煤氧化升溫過程中散熱量減少。

（3）隨地溫增加，為了降溫需增加風量，風壓增大，形成的漏風越嚴重。

表1 棗莊礦區各礦井不同水平地溫測試統計

2.3 煤層自燃危險性與煤層變質程度的關系分析

分析棗莊礦區開采的山西組3上、3下煤層氧化情況，統計得出其具體情況見表2。

表2 不同煤層歷年氧化點數量

根據表2分析3上、3下煤層自燃隱患總數可知：3上煤氧化點總數為9，而3下煤氧化點總數為99，3上、3下煤同屬3層煤，其變質程度均等，故得出煤的自燃危險性隨煤的氧化程度而增高。

2.4 煤層自燃危險性與其他因素的關系分析

分析棗莊礦區歷年煤層自燃及自燃隱患原因可知，煤層氧化均發生在巷道掘進揭露地質構造造成冒頂形成高冒或過構造造成推進度慢的采煤工作面或因其他原因造成推進度慢的工作面或密閉不嚴、系統不均壓造成漏風的采空區，由表3可以看出，棗莊礦區歷年發生的煤層自燃及自燃隱患中，工作面推進速度慢造成的自燃事故次數最多，為40次，其他依次為地質構造造成的高冒（20次）、不均壓通風（19次）、地質構造造成推進速度慢（6次）。

3 結論

通過分析煤層自燃危險性與采深、地溫、煤體變質程度等因素的關系，研究深部開采煤層自然發火規律，得出了如下結論：

（1）從支護方式、采煤工藝及氧化原因等角度分析了棗礦集團歷年自燃事故的原因，得出引起煤層自燃事故的氧化原因主要有構造、推進速度、漏風、分層開采等。

（2）研究分析了煤層自燃危險性與采深的關系。棗莊礦區各礦井在-500m水平內開采的礦井自燃危險性與采深無明顯關系，在超過-600m水平開采的礦深部礦井煤層自燃危險性隨著采深的增加而增加。

（3）研究分析了煤層自燃危險性與地溫的關系。棗莊礦區煤層自燃危險性隨地溫增加而增加，主要原因為：隨地溫增加，煤的化學活性增加、煤的氧化蓄熱條件越好、漏風通道增加。

（4）煤層氧化均發生在巷道掘進揭露地質構造造成冒頂形成高冒或過構造造成推進度慢的采煤工作面或因其他原因造成推進度慢的工作面或分層開采密閉不嚴、系統不均壓造成漏風的采空區；工作面推進速度慢造成的自燃事故次數最多，為40次，其他依次為地質構造造成的高冒（20次）、不均壓通風（19次）、地質構造造成推進速度慢（6次）。