高瓦斯易自燃綜放面采空區內因火災防控

王憲光，陳志平，龔邦軍

（鐵法煤業（集團）有限責任公司大興煤礦，遼寧 調兵山112700）

1 概述

火災是礦井的五大災害之一，礦井火災分為內因火災和外因火災兩大類。煤炭自然發火屬于內因火災，由于其火源具有隱蔽性，常發生在人們難以看見或不能進入巷道松散煤體或采空區內部。做好易自然煤層自燃發火的預報預測工作，是保證回采過程安全進行的必要工作。防范在先，采取預防性措施，加強日常檢測工作，可以為安全回采提供保障。

自然發火一旦形成火災將產生大量高溫有毒、有害氣體，且隨風流擴散蔓延，對井下人員造成危害，尤其在高瓦斯區域或瓦斯積存區域更容易造成二次瓦斯災害，形成火災、煤塵與瓦斯爆炸的連鎖反應，擴大了災害的程度和范圍，對于高瓦斯易自燃煤層的綜放面是制約其安全生產的一個重要因素。

2 綜采放頂煤開采分析

綜采放頂煤采煤法在我國已經應用二十余年，這種采煤法掘進率低、效率高、適應性強，并且容易實現高產，而是用于現代化礦井大型化、生產集中化的發展，可以實現一井一面或一井兩面的高產高效高集中化的生產模式。

綜采放頂煤采煤法實質是在厚煤層中沿煤層底板布置一個長壁工作面，用常規綜機法回采一定高度的煤炭，利用礦山壓力作用或者輔以人工松動的方法，使綜采支架上部的頂煤，自行破碎成松散煤，由支架的放煤窗口放出，開采較集中，生產能力大。

由于開采強度大，采放同時作業，開采高瓦斯低透氣性煤層時，由于煤體瓦斯含量高，預抽效果差，瓦斯抽放主要依靠采動影響增透后的邊采邊抽，抽放量還是受很多因素制約，工作面瓦斯涌出量較大，一般工作面需要配給較大的風量，上下隅角的壓差大，煤塵產生量也較大。工作面放頂煤支架的放煤工藝不同，造成支架后部采空區遺留不同程度的脊背煤，另外一般綜采放頂煤工作面，端頭支架不放煤，也將是采空區內遺留煤炭的主要來源之一。再有頂底板采放煤不完全，也會造成采空區遺留煤炭，為煤炭自燃埋下隱患。

圖1 可燃性煤炭氧化過程示意圖

3 自燃發火條件及位置分析

井下煤炭達到自然發火必須同時具備以下四個條件，即：具有可自燃性破碎松散煤存在、不斷的有含氧風流供給、在這個環境中能夠造成熱量積聚，以上三個條件在足夠長的作用時間下，即有可能引起煤炭自燃發火，發展為火災。如圖1 所示，可燃煤從暴露在空氣中開始，不斷地在氧化，但是只有在滿足自然發火另外三個條件時才能夠由蓄熱氧化潛伏時期轉變為火災，否則，煤體冷卻后，一直會處于緩慢氧化狀態。

易自然高瓦斯工作面回采后，隨著工作面的推進，會間斷不等量地在采空區內出現松散遺留煤，也會使開采煤層卸壓，兩順側，尤其是超前支護段，煤體的破碎最為突出，這就提供了可燃物存在的條件；工作面需要連續不斷的通風供給含氧不小于20%的新鮮風流，為自燃提供了可支持燃燒的氧條件；支架支護的放頂煤工作面可以簡化為壁面不同粗糙程度的兩個相互聯通的矩形通道，根據管流流體流動規律，管閉粗糙度大的區域流體流動的雷諾系數低，越靠近支架風速越低，特別是支架后部放煤空間處風量更小，風速更低。高頂和易造成瓦斯聚集的區域，也容易成為微風或者無風區。工作面上下隅角封堵不能夠完全實現隔絕采空區，上下三角點在通風壓差作用下，要向采空區內部漏風，如圖2 所示。

圖2 采空區自然發火三帶劃分示意圖

放頂煤工作面采空區內的煤層頂板的受力形式可以近似于一個如圖3 所示的砌體梁式結構模型。在這個模型中，梁的中間部位受到力的破壞效果最為顯著，即采空區暴露的頂板，沿工作面方向中間部位最先冒落。而在順槽兩側要留有隔離煤柱而且不放煤，是應力集中區域，煤體受壓破碎，一般較中間部位壓實程度好，冒落高度較中間部位小，而且作用時間要較中間部位延遲，移架后，在上下端頭支架后部要形成較大的隅角空間。采空區的冒落空間、放煤空間、采煤空間，可以認為是連同的三個并聯管流，如圖4，工作面風流在壓力差作用下，由前三角點向后三角點流動，所以下隅角空間成為主要漏風的源，上隅角空間成為主要漏入采空區風流的匯,由此流向回順。

圖3 砌體梁式結構模型

圖4 工作面平面圖與剖面圖、等效網絡圖

我們可以將工作面采空區建立成一個以工作面傾向為X 軸，以采空區深部為Y 軸，以垂直于工作面頂板方向為Z 軸的一個三維直角坐標系。

（1）沿X 軸方向采空區內流體流動及自然發火情況分析

如圖4，風流流動是因為存在著壓差，前三角點處一定比后三角點全壓高，工作面向采空區的漏風情況如圖4漏風網絡模型，通風壓差逐漸減小，漏風量也逐漸減少，采空區內部漏風自然發火三帶的寬度也逐漸向工作面前移，另外采空區內部的瓦斯受漏風的影響向工作面上隅角聚集，受瓦斯一定程度抑制作用的影響，也是回順側自然發火三帶變窄的一個原因。采空區中間部位冒落和穩定較快，一般較兩順難自然發火。故沿X 軸方向采空區靠近運順側是自然發火幾率較高區。

（2）沿Y 軸方向采空區內流體流動及自然發火情況分析

由工作面支架后部深入采空區，漏風量和風流速度逐漸減小，含氧風流不斷的對遺煤氧化，很容易產生蓄熱環境，形成自燃帶，氧化速度快，很容易轉變成劇烈燃燒。沿Y 軸方向采空區內發火一般是在自燃帶內的脊背煤處可能性較大。

但是工作面不斷地向前推進，自然三帶也交替的向前隨工作面移動，確定三帶的寬度，對于確定推進最低速度和最佳停產時間，保障安全回采事很重要。

（3）沿Z 軸方向采空區內流體流動及自然發火情況分析

如圖3，1、2、3 區域均為冒落帶，冒落順序為3、2、1，漏風裂隙逐漸由下向上部打開，隨時間，先冒落的要先趨于穩定，裂隙逐漸壓實，而較為發育的裂隙應該是冒落活動強烈的區域，所以，這些區域的漏風也較為嚴重，但是這些裂隙也是采空區內瓦斯的向上運移通道和可能存儲地點，一般在其上部回賦存一定量的瓦斯氣體，這些氣體將起到一定的抑燃作用，所以自然發火區域應該不會是在裂隙頂部，而是在距離底板有一定高度的富集遺煤處。

（4）上下隅角流體流動及自然發火情況分析

下隅角漏風始終是運順內溫度較低的新風不斷補充，雖起到了冷卻的作用，但沒有終止氧化作用，而且隨著工作面推進，冷卻帶進入氧化帶后漏風強度較弱會蓄熱升溫，最易發生內因火災。而上隅角為主要的采空區漏風主要出口，受通風壓力的影響，其后部采空區內的游離瓦斯也會向此處匯聚涌出，一定程度的起到了抑制自然發火的作用，是火災發生的主要災害擴大區域。

4 影響自然發火的因素

4.1 煤的自燃性能

（1）煤的分子結構，研究表明，煤的氧化能力主要取決于含氧官能團多少和分子結構的疏密程度。隨煤化程度增高，煤中含氧官能團減少，孔隙度減小，分子結構變得緊密。

（2）煤化程度，煤化程度是影響煤炭自燃傾向性的決定性因素。就整體而言，煤的自燃傾向性隨煤化程度增高而降低，即自燃傾向性從褐煤、長焰煤、煙煤、焦煤至無煙煤逐漸減小；局部而言，煤層的自燃傾向性與煤化程度之間表現出復雜的關系，即同一煤化程度的煤在不同的地區和不同的礦井，其自燃傾向性可能有較大的差異。

（3）煤巖成分，煤巖成分對煤的自燃傾向性表現出一定的影響，但不是決定性的因素。各種單一的煤巖成分具有不同的氧化活性，其氧化能力按鏡煤＞亮煤＞暗煤＞絲煤的順序遞減。

（4）煤中的瓦斯含量，煤中瓦斯存在和放散影響吸氧和氧化過程進行，它類似用惰性氣體稀釋空氣對氧化發生的影響。

（5）水分，煤的外在和內在水分以及空氣中的水蒸汽對褐煤和煙煤在低溫氧化階段起一定的影響，既有加速氧化的一面，也有阻滯氧化的因素。

（6）煤中硫和其它礦物質，煤中含有的硫和其它催化劑，則會加速煤的氧化過程。統計資料表明，含硫大于3%的煤層均為自然發火的煤層，其中包括無煙煤。

4.2 開采工藝

（1）回采面布置，目前應用的長壁采煤法，煤炭回收率高，回采時間長，單面產量大。仰斜較俯斜開采工作面瓦斯涌出量大，但是向采空區的漏風量少，有利于防治自然發火。運回順布置上還是要按照有利于通風上考慮，要充分利用自然風壓，盡量減少工作面上下的壓差。

（2）確定合理的回采速度，盡量減小放煤步距，減少脊背煤的損失，放煤時，盡可能的放出煤炭，制定合適的見矸關窗措施。

4.3 漏風

在煤炭氧化過程的熱平衡關系中，漏風起兩方面的作用：一是向煤提供氧化所必須的氧氣，促進氧化發展；二是帶走氧化生成的熱量，降低煤溫，抑制氧化過程發展。采空區漏風強度是影響自然發火的主要因素。把風速控制在易燃風速區之外，是從通風的角度預防自然發火的原則。

4.4 地質因素

地質因素主要有：傾角、煤層厚度、地質構造、開采深度。表1 為傾角和厚度對自燃影響的部分統計資料。在有地質構造的地區，自燃危險性加劇。煤層賦存太深或太淺都會增加自然發火的危險性。

表1 煤層傾角和厚度對自燃影響

5 防治火災措施

防治煤炭自燃的基本原理是破壞自然發火的四個基本條件。

（1）做好礦井的火災統計工作，對于發生過自燃的煤層或采區，記錄好發火時間、地點、地質構造、發火前后的區域礦井氣候參數，做好規律總結工作。

（2）提高煤炭回收率，合理布置回采巷道和確定開采開拓方法，制定合理的回采速度，盡量不要過長時間的停止工作面生產。

（3）減少采空區內漏風。可以加強抽放工作，減少工作面風量，對上下端頭支架進行封填堵漏，前三角點掛風障等。

（4）采空區充填河砂、泥漿等，目的在于充填煤巖裂隙，起到一定的膠結作用，增加含氧風流擴散阻力，利用其浸潤煤巖、冷卻煤體。

（5）采空區惰化，通過向采空區內注入惰性氣體，降低采空區內的氧濃度，使其低于發火的最低濃度，注入氣體還可以起到冷卻作用。

（6）停產期間，采空區內的自然三帶相對處于穩定，所以就給處于蓄熱燃燒潛伏期的自燃帶提供了增加作用時間的條件，所以必須加強采取堵漏、冷卻和惰化等手段。

（7）加強巡查、監測工作，可以通過現場巡查檢驗，使用束管技術在地面時時監測。確定煤層自然發火標志氣體鑒定及其參數量化，做好日常的取樣分析工作。

6 結論

采空區內容易發生火災的地點，一般應該距離底板有一定的高度，并且要靠運順側。工作面正常回采時，一般自燃帶存在時間沒有達到自然發火期，就已經進入了窒息帶，所以不會發生內因火災。但是緩慢推進或停產期間是最為危險的，可以通過控制漏風、充填冷卻、惰化采空區措施予以延緩內因火災發生。在長期停產工作面宜主動封閉。