棗莊礦區(qū)深部開采煤層自然發(fā)火規(guī)律及其原因分析

王君濤 孟文鋒 齊電生

（山東能源棗礦集團(tuán)柴里煤礦，山東 棗莊 277519）

棗莊礦區(qū)各礦井開采的煤層均有煤層自燃傾向性。由于開采技術(shù)、裝備、管理制度等方面原因，柴里礦、新安礦、三河口礦都發(fā)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(xiàn)煤層自燃隱患37個(gè)地點(diǎn)，煤層自燃危害較為突出。因此，對礦井采深、地溫、煤的變質(zhì)程度等影響自然發(fā)火因素進(jìn)行研究，采取綜合防治措施具有深刻的意義。

1 煤層自燃規(guī)律分析依據(jù)確定

1.1 依據(jù)煤層自燃事故及自燃隱患分析煤層自燃規(guī)律

分析煤層自燃危險(xiǎn)性規(guī)律，首先確定分析基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，即：煤層自燃次數(shù)。依據(jù)《礦井防滅火規(guī)范》規(guī)定確定煤層自然發(fā)火次數(shù)，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(shù)不斷變革，機(jī)械化水平、工作面回收率、單產(chǎn)不斷提高，在同等煤層自燃傾向性和煤層自然發(fā)火期的條件下，煤層自然發(fā)火事故或隱患次數(shù)比落后的采煤工藝要低。

1.1.2 掘進(jìn)支護(hù)工藝變革

巷道支護(hù)由砌碹、扶棚等工藝革新錨網(wǎng)支護(hù)，過煤門或煤巷掘進(jìn)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(shù)礦井都做到了提前預(yù)測、超前防范、超前采取措施，在煤層出現(xiàn)自燃前已采取防滅火技術(shù)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(xiàn)隱患次數(shù)作為分析煤層自燃危險(xiǎn)性規(guī)律的依據(jù)。

1.2 依據(jù)煤層自燃傾向性分析煤層自燃規(guī)律

由于取樣及鑒定方法不同，實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行自燃傾向性鑒定結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)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(xiàn)自燃，而3上煤很少出現(xiàn)自燃現(xiàn)象。因此，煤層自然傾向性只能作為指導(dǎo)煤層自然發(fā)火的依據(jù)，而利用煤層自燃傾向性分析煤層自燃規(guī)律存在一定誤差。

1.3 煤層自然危險(xiǎn)性規(guī)律分析依據(jù)的確定

礦井實(shí)際情況驗(yàn)證，出現(xiàn)煤層自燃隱患地點(diǎn)若不及時(shí)采取防治措施，必然導(dǎo)致煤層自燃事故，出現(xiàn)CO地點(diǎn)若不及時(shí)采取措施，極易導(dǎo)致煤層自燃隱患。因此，將工作面或其他地點(diǎn)出現(xiàn)CO納入分析煤層自燃危險(xiǎn)性規(guī)律是科學(xué)、合理的。出現(xiàn)C2H4、C2H6、C2H2等烷烴類氣體只能作為煤層自燃事故或隱患的標(biāo)志。

綜合分析認(rèn)為，煤層自燃危險(xiǎn)地點(diǎn)的依據(jù)應(yīng)為：

①實(shí)際發(fā)生煤層自燃事故的地點(diǎn)；②出現(xiàn)煤層自燃隱患地點(diǎn)；③CO異常的地點(diǎn)。

2 深部開采煤層自然發(fā)火規(guī)律分析研究

2.1 煤層自燃危險(xiǎn)性與采深的關(guān)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(xiǎn)性與采深無明顯關(guān)系，自燃事故及隱患數(shù)量與深度無直接關(guān)系，在-200m水平開采時(shí)，氧化點(diǎn)數(shù)目40處，在-500m水平開采時(shí)，氧化點(diǎn)數(shù)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(xiǎn)性均隨著采深的增加而增加，在-600m水平開采時(shí)，這兩對礦井氧化點(diǎn)數(shù)目為2個(gè)，在-700m水平開采時(shí)，氧化點(diǎn)數(shù)目為3個(gè)，在-800m水平開采時(shí)，氧化點(diǎn)數(shù)目為4個(gè)。

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

2.2 煤層自燃危險(xiǎn)性與地溫的關(guān)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(tǒng)計(jì)了棗礦集團(tuán)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(xiǎn)性與采深關(guān)系可知，在-500m水平內(nèi)開采的礦井自燃危險(xiǎn)性與采深無明顯關(guān)系，但在超過-600m水平開采的深部礦井煤層自燃危險(xiǎn)性隨著采深的增加而增加。因此可以得出煤層自燃危險(xiǎn)性隨地溫增加而增加。從理論分析，也存在這一規(guī)律，主要原因有：

（1）地溫增加，煤的化學(xué)活性增加，煤氧反應(yīng)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(fēng)量，風(fēng)壓增大，形成的漏風(fēng)越嚴(yán)重。

表1 棗莊礦區(qū)各礦井不同水平地溫測試統(tǒng)計(jì)

2.3 煤層自燃危險(xiǎn)性與煤層變質(zhì)程度的關(guān)系分析

分析棗莊礦區(qū)開采的山西組3上、3下煤層氧化情況，統(tǒng)計(jì)得出其具體情況見表2。

表2 不同煤層歷年氧化點(diǎn)數(shù)量

根據(jù)表2分析3上、3下煤層自燃隱患總數(shù)可知：3上煤氧化點(diǎn)總數(shù)為9，而3下煤氧化點(diǎn)總數(shù)為99，3上、3下煤同屬3層煤，其變質(zhì)程度均等，故得出煤的自燃危險(xiǎn)性隨煤的氧化程度而增高。

2.4 煤層自燃危險(xiǎn)性與其他因素的關(guān)系分析

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

3 結(jié)論

通過分析煤層自燃危險(xiǎn)性與采深、地溫、煤體變質(zhì)程度等因素的關(guān)系，研究深部開采煤層自然發(fā)火規(guī)律，得出了如下結(jié)論：

（1）從支護(hù)方式、采煤工藝及氧化原因等角度分析了棗礦集團(tuán)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(gòu)造、推進(jìn)速度、漏風(fēng)、分層開采等。

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

（3）研究分析了煤層自燃危險(xiǎn)性與地溫的關(guān)系。棗莊礦區(qū)煤層自燃危險(xiǎn)性隨地溫增加而增加，主要原因?yàn)椋弘S地溫增加，煤的化學(xué)活性增加、煤的氧化蓄熱條件越好、漏風(fēng)通道增加。

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