預防越界采空區自然發火措施的效果分析

尚少勇，黃良成

(1.榆林神華能源有限責任公司，陜西 榆林 719000；2.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054；3.西安天河礦業科技有限責任公司，陜西 西安 710000)

0 引言

雖然煤炭消費比重多年來一直在下降，但是煤炭作為我國能源消費的龍頭位置從未動搖[1-5]。在實際的礦山生產活動中，存在一些違規違法活動，其中，越界開采被認為是礦業生產中的“毒瘤”，越界開采會導致國有礦產資源的流失，擾亂采礦權市場秩序，尤其是嚴重威脅礦山安全，例如在煤礦井下施工巷道時，如果與越界開采的采空區貫通，容易引起通風系統紊亂，甚至可能會引起遺煤自燃、透水和瓦斯爆炸等事故的發生[6-9]。

目前，不少學者已經對礦山越界開采的問題進行了研究，如劉波等[10]的研究表明，煤礦的越界開采會導致副井井筒的坍塌，并利用FLAC3D軟件模擬了越界開采的破壞過程；陳蘇社等[11]確定了越界開采的小窯采空區水害的治理方案，通過人工壩體治理水患，取得了良好的效果；李智等[12]為了確定盜采巷道的具體位置，通過地面定向鉆進過程中的鉆井液漏失、鉆孔巖屑錄井和壓水試驗的壓力變化來判斷盜采巷道的分布情況；馬盟等[13]為了解決煤礦越界開采煤炭資源導致邊界煤柱被破壞的問題，提出了采用小煤柱和混凝土隔離柱相結合的邊界結構，從而有效解決了礦井涌水的問題，節約了煤炭資源；陳鳳英等[14]研發了一套防止露天礦山越界開采的預警系統，減少了監管礦山開采的人力成本，提高了監管的效果；劉書龍[15]設計了煤礦越界開采監測系統，利用無線傳感器網絡技術，準確判斷是否有越界開采發生，其定位精度在1 m左右；劉立等[16]通過結合光學遙感數據和采礦權數據，監測了湖南省露天開采礦山的越界開采行為，并通過分析數學模型，為今后的礦山規劃提供了理論依據；李明耀[17]通過分析龍潭煤礦周圍小煤礦的越界開采情況，提出了一些針對性的措施和對策。

為了預防礦山越界采空區自然發火，文中以青龍寺煤礦為例，通過分析貫通處各項氣體濃度，研究了貫通點密閉、越界開采煤礦封閉和采空區地表裂縫回填等措施對采空區自然發火的預防效果，為煤礦越界開采導致采空區自然發火的防治提供參考。

1 煤礦越界開采原因

煤礦的越界問題由來已久，在改革開放初期，國家鼓勵鄉鎮煤礦的發展，造成一些煤礦在無規劃的情況下過度開采煤炭資源，破壞了煤炭資源的整體性。近年來，我國發生的礦山安全事故中，有多起都與越界開采有關。造成煤礦越界開采的原因有以下6個方面：①礦山企業單純追求經濟效益而忽略了礦山安全，無視越界開采存在的安全隱患[18]。②部分礦業權設置不合理，導致周邊一些零星資源并不在礦區范圍內；為了盈利，一些礦山企業在未得到批準的情況下，私自開采周邊零星資源[19]。③由于技術限制，一些小煤礦無法準確判斷開采范圍，導致煤礦越界開采情況的發生。④眾多小煤礦大多數屬于合法、私有、在生產礦井，屬地政府對煤炭產業去產能、調結構的步伐較慢，故與之相鄰的大型煤礦有被其越界的較高風險。⑤從屬地政府相關部門執法看，越界盜采行為的管控主導是屬地政府相關部門，隨著國家對安全、環保等方面的嚴管加大，近2 a屬地政府相關部門對越界盜采行為的日常巡察監管力度在加大，非法開采、超層越界的風氣和勢頭得到遏制，重視程度高，工作作風大有改進，管控投入有所增加，管控機制正在形成，但與真正的長治久安仍有很大差距。⑥從我國煤礦對越界盜采行為探測工作看，依靠煤炭行業現有技術裝備開展的地面物探和鉆探等手段，在技術層面是無法做到精確查明越界盜采范圍、采空區積水積氣等情況的；而且地面探測工作存在時間長、費用較高、精度不高的實際問題；此外，采取的巷探、鉆探等探測措施受時空局限大，只有自己掘進的巷道靠近或貫通越界區域時，探測成果才準確、可靠。

2 工程概況

青龍寺煤礦于2016年10月試生產，2019年5月底發現井田南邊界相鄰王塔煤礦越界盜采情況。連掘隊在井田西邊界附近井田內掘進5-20104回風順槽期間，與越界不明巷道貫通，隨即報告屬地政府相關部門，由其組織開展的調查工作表明，越界巷道屬于相鄰的王塔煤礦所為。同時，組織青龍寺煤礦開展了大量鉆探、巷探、人員進入探測等工作，但截至目前，尚未徹底查明越界盜采范圍、資源破壞情況、積水積氣等情況。5-20104綜采工作面切眼已后退593 m圈定，少采出煤炭資源約60萬t。這一越界盜采行為，對青龍寺煤礦整個西翼盤區的工作面設計布置、礦井生產接續和采掘活動安排造成嚴重制約和影響。

為了探明越界范圍及進一步確定 5-20104工作面切眼、5-20105工作面切眼位置，2019年7月5日—2020年4月3日連掘隊先后與越界采空區貫通7次，具體位置如圖1所示。其中，1#、2#貫通點已經永久封閉，進入5-20104工作面采空區內。

圖1 貫通位置示意

3 預防采空區自然發火措施

4月22日中班，5#、6#貫通處均出現一氧化碳超限，并有煤層自燃標志性氣體出現。為了預防越界采空區自然發火，青龍寺煤礦組織制定了預防越界采空區自然發火的安全技術措施。

3.1 貫通點密閉及氣體采集

3#密閉規格為1 m磚墻+1 m黃土充填+1 m配筋砼墻+0.5 m磚墻，施工完畢。4#、5#密閉規格為1 m磚墻+1 m黃土充填+1 m配筋砼墻+0.5 m磚墻，施工完畢，噴漿完成。6#密閉規格為0.75 m磚墻+1 m黃土充填+1 m配筋砼墻+0.5 m磚墻，施工完畢，噴漿完成。7#密閉規格為0.37 m磚墻+0.5 m磚墻+3 m黃土充填+1 m配筋砼墻+0.5 m磚墻；施工完畢，噴漿完成。

每天對4#、5#、6#密閉點及綜采工作面回風隅角人工采樣色譜分析一次，對3#、7#密閉點人工檢查氣體一次。

3.2 王塔煤礦封閉

4月24日至4月25日，礦內派專人監督王塔煤礦對其主井、副井、回風井進行封閉，密閉規格為0.5 m磚墻并抹面。對地表黑口子漏風點4處初步完成堵漏，5月 9日巡查發現主扇蝶閥漏風，現場監督關閉后，未發現漏風。6月10日檢查發現王塔煤礦的3個黑口子，截至6月12日3處黑口子均已封堵，封堵規格為0.37 m磚墻(內墻)+10 m砼墻，未發現漏風；黑拉畔對面的一處疑似黑口子，6月20日檢查發現已封閉；6月25日，巡查發現王塔煤礦私自開啟主扇蝶閥和主井密閉，礦內監督立即封閉了主井密閉和關閉了主扇蝶閥。6月27日，電塔礦管辦已對王塔煤礦黑口子封堵驗收，并編號。7月6日巡查，王塔煤礦井口密閉完好不漏風、主扇處于關閉狀態不漏風、黑口子封堵完好不漏風。

3.3 采空區地表裂縫回填

礦內安排專人每3天檢查一次采空區地表裂縫情況。7月6日檢查發現5-20104工作面地表有裂縫，最寬為10 cm。安排施工單位進行回填，回填后的裂縫，沙土充填嚴實、腳踩無明顯的下陷及空洞出現、無漏風現象。

4 預防自然發火措施效果分析

4#、5#、6#密閉及綜采工作面回風隅角的CH4、CO2、CO、O2、N2、C2H6、C2H4的濃度變化如圖2～8所示。

圖2 密閉處及回風隅角的CH4濃度變化

由圖2中的CH4濃度變化可以看出，4#、5#、6#密閉及綜采工作面回風隅角的CH4濃度均在0.025%以下，小于《煤礦安全規程》[20]和青龍寺煤礦預防越界采空區自然發火安全技術措施中規定的1%的界限，即CH4濃度并未超標。由圖3中的CO2濃度變化可以看出，回風隅角的CO2濃度無明顯變化，在0.25%左右；4#、5#、6#密閉的CO2濃度在4月26日至5月5日之間超過1.5%，5月5日之后，CO2濃度下降到1.5%以下，符合《煤礦安全規程》的標準。由圖4中的CO濃度變化可以看出，回風隅角的CO濃度無明顯變化，5月15日，CO濃度達到最高的44×10-6；4#密閉的CO濃度在5月1日從78×10-6降至0；5#密閉以4月28日為轉折點，CO濃度從312×10-6逐漸下降到88×10-6，5月9日之后，CO濃度為0；6#密閉以4月27日為轉折點，CO濃度從345×10-6逐漸下降到53×10-6，5月9日之后，CO濃度為0。由圖5中的O2濃度變化可以看出，回風隅角的O2濃度正常；4#、5#、6#密閉的O2濃度在5月5日降到最低，在16.5%左右，5月5日至5月9日，O2濃度逐漸增加至18%，5月9日之后，O2濃度逐漸降低。由圖6中的N2濃度變化可以看出，4#、5#、6#密閉的N2濃度變化都呈緩慢上升趨勢；而回風隅角的N2濃度變化波動較大。由圖7中的C2H6濃度變化可以看出，回風隅角的C2H6濃度為0；4#密閉的C2H6濃度基本保持穩定，但在4月28日C2H6濃度達到0.003 7%；5#和6#密閉的C2H6濃度逐漸降低，且變化趨勢相似，其中5#密閉的C2H6濃度在5月11日出現異常，達到0.002%。由圖8中的C2H4濃度變化可以看出，5月1日，5#密閉和6#密閉檢測到C2H4，其他時間C2H4的濃度為0。

圖3 密閉處及回風隅角的CO2濃度變化

圖4 密閉處及回風隅角的CO濃度變化

圖5 密閉處及回風隅角的O2濃度變化

圖6 密閉處及回風隅角的N2濃度變化

圖7 密閉處及回風隅角的C2H6濃度變化

圖8 密閉處及回風隅角的C2H4濃度變化

3#和7#密閉的各項氣體濃度見表1。分析表1數據可知5月13日至5月23日，3#密閉和7#密閉的CH4、CO2、CO、O2濃度均未超過青龍寺煤礦預防越界采空區自然發火安全技術措施中規定的臨界值。

表1 3#密閉和7#密閉的各項氣體濃度

綜合分析3#、4#、5#、6#、7#密閉及綜采工作面回風隅角的氣體濃度，可以得出5-20104綜采工作面回風隅角、3#、7#密閉各項氣體指標正常，越界采空區內自然發火征兆未波及5-20104綜采工作面與3#、7#密閉；與越界采空區貫通的4#、5#、6#密閉內，氧氣濃度逐漸下降，氮氣濃度緩慢上升，經過分析，判斷為煤炭氧化耗氧及煤層中氮氣溢出導致；5月1日出現乙烯氣體，之后未出現，4月26日至5月23日均出現乙烷氣體，5月9日之后一氧化碳均降為零，二氧化碳無明顯變化，因此青龍寺煤礦制定的安全技術措施對預防越界采空區自然發火有積極作用。

綜上所述，青龍寺煤礦應進一步加強管控，繼續按公司要求做好防控工作；越界采空區自然發火預警狀態可以由公司級調整為礦級。

5 結論

找準漏風通道是預防越界采空區自然發火的關鍵；施工可靠的密閉是預防越界采空區自然發火的重點；精準分析氣體變化情況是預防越界采空區自然發火的要點。