大屯礦區煤層自燃原因分析及防治對策

苑 鐸

（上海大屯能源股份有限公司江蘇分公司，江蘇 徐州 221000）

1 礦區概況

上海大屯煤電公司位于蘇魯交界的江蘇省沛縣境內，隸屬于中國中煤能源集團公司。礦區總面積為245 km2，主要含煤地層為二疊系下統山西組，該組含煤4 層，煤層平均總厚度為8.40 m。礦區主采煤層2層（7、8號煤層），兩層煤平均厚度為8.10 m，主要煤種為氣煤和1/3 焦煤。礦區受新華夏系的強烈改造影響，地質構造復雜，構造以斷裂為主，斷層較發育。

礦區于1970 年經國務院批準開發建設，目前有姚橋煤礦、孔莊煤礦、徐莊煤礦、龍東煤礦四對生產礦井。礦井均采用立井多水平上、下山開拓，混合式通風方式，抽出式通風，采深500～1000 m，采用走向長壁后退式綜合機械化（放頂煤）開采，自然垮落法管理頂板。經鑒定，四對生產礦井均為低瓦斯礦井，煤具有自然傾向性，自然發火等級為Ⅱ類，煤塵均具有爆炸性。

2 煤體自燃原因分析

2.1 通風網絡復雜

該區四礦均在20 世紀70—80 年代建成投產，經過將近40 年的開采，礦井逐漸向井田深部、邊界延伸，通風線路最長達15 000 m。特別是姚橋煤礦、孔莊煤礦、徐莊煤礦均為兩個水平同時開采，三個以上采區同時生產或準備，導致礦井并聯、角聯通風網絡共存，復雜的通風網絡增大了礦井通風阻力，加大了通風巷道與采空區的風壓差。礦井老齡化導致老巷道以及采后密閉數量大，漏風通道多，從而增大采空區漏風量，給老巷自燃創造了有利條件。另外，角聯網絡風流不穩定[1]，加大了該線路上的采煤工作面、采空區密閉自然發火風險。

2.2 地質構造發育

礦區受新華夏系的強烈改造影響，地質構造復雜，構造以斷裂為主，斷層較發育。四礦井田范圍內落差≥2 m 的斷層，姚橋煤礦710 條，孔莊煤礦404 條，徐莊煤礦421 條，龍東煤礦236 條。

由于斷層的存在使一些巷道不能正常掘進，為了過斷層尋找斷失的煤層還要多掘巷道，破壞了巷道的完整性，且斷層附近煤層裂隙發育[2]，頂部極易冒落，形成高冒區，巷道中的空氣可以通過裂隙滲透進入高冒區松散煤體中，并在裂隙暴露的煤表面發生氧化反應，從而誘發煤體自燃。

采煤工作面過斷層時，受斷層影響，該區域煤體破碎。為確保工作面頂板完整，支架有效支撐，需在斷層處支架頂部上網加固頂煤，且不能徹底放煤，致使大量遺煤進入采空區，為采空區自燃留下了安全隱患。

2.3 受沖擊地壓影響

隨著開采范圍和規模的不斷擴大，礦井逐步向深部延伸，礦區大部分采深達到800 m，局部地點接近1000 m，礦壓的增大加劇了巷道的變形速度，造成巷道周圍煤體松動圈的不斷擴大。且四礦均存在不同程度的沖擊地壓災害，發生沖擊地壓后使原有煤體的完整性遭到破壞，煤體產生大量裂隙，而卸壓鉆孔、深孔爆破做為日常防治沖擊地壓的解危措施，一定程度上破壞了煤體的完整性，給煤體氧化和蓄熱創造了條件，極易引起煤體自燃[3]。

2.4 受地熱災害影響

根據147 勘探隊勘探資料及歷年開采搜集資料顯示，該礦區熱害確定恒溫帶深度為30 m，溫度為16 ℃，地溫梯度平均約2.22 ℃/100 m，姚橋煤礦、孔莊煤礦、徐莊煤礦現有采區均處于一級熱害或二級熱害區域。而隨著地溫災害的顯現，巷道內的熱量無法有效的通過通風等方式完全帶出，也容易蓄熱造成局部自然發火[4]。

3 煤體自然發火防治對策

3.1 優化通風系統

合理的通風系統可以有效降低通風阻力，減少向封閉區或煤體破碎區的漏風量，進而控制或消除煤體氧化條件，防止煤層自然發火事故發生。

（1）及時修護失修巷道或施工補套工程，確保有效通風斷面滿足需求，使礦井通風阻力處于合理區間。

（2）合理選擇通風設施類型及構筑位置，應避免將風門等通風設施構筑在煤體破碎區的煤巷及巷道層間距較小的立體交叉附近等容易引起通風設施周圍破碎煤體漏風的地點。

（3）選取合理的巷道風速。由于巷道中的風流受“反壓縮膨脹”作用[5]，很容易向巷道周邊破碎煤體連續漏風供氧，當風速適中，極易導致該處煤體自燃。

（4）應加強通風設施的維護，確保風流穩定，嚴禁出現風流短路等非合理改變通風系統的現象。

（5）采煤工作面采用下行風通風方式，工作面液壓泵站、移動變電站等高發熱電氣設備安設在回風順槽，熱害嚴重的采掘工作面使用局部降溫設備，可以有效降低工作面溫度。

3.2 合理組織生產，加強工程質量管控

合理的施工組織，可以有效提高工程質量。良好的工程質量，不但可以有效杜絕頂板事故的發生，提升工程進度，而且可以有效降低煤體自然發火的幾率。

設計合理的煤巷掘進工作面支護參數，確保支護強度滿足抵抗圍巖應力的需求。當遇地質構造帶時應及時采取補強措施，縮小錨桿、錨索支護間排距，嚴格執行“一掘一錨”。在施工錨桿和錨索時，嚴格按照先上后下順序，加強工程質量管控，出現失效錨桿或錨索時，應及時補打，杜絕出現高冒區。合理組織綜放工作面生產，加強放煤作業，減少采空區遺煤，加快工作面推進度，確保工作面月推進度不少于采空區自燃帶深度。

3.3 加強火災預警分析，及時發現自然發火隱患

建立“監控預警、束管分析、光纖測溫、人工巡檢”多源參數融合的火災預警體系。首先完善礦井火災監控系統，嚴格按照規定在采煤工作面回風流、煤巷掘進工作面回風流、采區回風巷、總回風巷以及煤巷密閉處、煤巷高冒區下風側等容易出現自然發火隱患的地點安設一氧化碳傳感器，同時在采煤工作面兩道向采空區內埋設光纖測溫系統和束管監測系統，全時段全方位監控井下自然發火征兆；其次定期安排查火工對采煤工作面老塘及支架頂部、巷道高冒區和構造帶、老巷密閉等地點進行人工巡檢，做到精準預警。

3.4 “封填堵注”并用，切斷煤體自燃根源

有效的預防措施是解決煤體自燃的根本手段，可以最大限度地降低煤體自然發火幾率。

（1）在煤巷高冒區、煤體破碎區、小煤柱臨采空區側進行噴射水泥砂漿封閉，并施工注漿鉆孔，向破碎煤體內壓注高分子防火材料，充填破碎煤體裂隙，封堵漏風供氧通道。

（2）在采煤工作面上、下端頭堅持退錨放頂，確保兩道及時垮落，每隔5 m 使用煤袋打設隔離墻，并使用高分子防火材料噴涂，封堵兩道向采空區的漏風通道，并在工作面兩端頭巷幫至端頭支架3～5架架間打設風障，減少向采空區漏風量。

（3）定期向采空區內注漿、注惰。科學選取采空區預埋注漿注惰管路步距，通過對大屯礦區采空區三帶實測，確定采空區自燃帶平均為采空區20～80 m，確定注漿、注惰管路邁步步距為30 m，兩趟管路出口間距15 m，可以有效控制采空區自燃帶。注漿時，向漿體內添加阻化劑，可以提升漿液抑制采空區遺煤自燃的效果。定期大流量向采空區壓注氮氣或二氧化碳，可以稀釋采空區自燃帶氧氣濃度，并增加采空區內的空氣壓力，從而降低采空區漏風量，而且大量的低溫惰氣可以有效降低采空區溫度，破壞采空區遺煤氧化蓄熱條件。

4 結語

（1）通過建立“監控預警、束管分析、光纖測溫、人工巡檢”多源參數融合的火災預警體系，精準監測到多處自然發火隱患點，針對不同隱患點的特點，分別采取相應的防治措施，將自燃事故消除在萌芽狀態。

（2）針對礦井容易引發煤體自燃特點，采取“優化通風系統、強化工程管理、預警分析定位、封填堵注并用”的綜合防治自然發火措施，有效杜絕了井下自然發火事故。