背斜區域窄煤柱沿空掘巷煤層自燃機理及防治

金明方 廉 潔 姚小帥

（義馬煤業集團股份有限公司 地質研究所，河南 義馬 472300）

煤炭自燃是一種特殊的自然災害，它不僅浪費資源，還對自然環境造成破壞[1]。義安礦業主采二1煤層為不易自燃煤層，一般而言難以發生自燃（義安背斜以外區域從未發生過自燃事故），但在義安背斜區域內，由于構造運動的構造熱在一定程度上改變了煤質，使其具有了煤層自燃傾向；背斜特殊的幾何形態又有利于熱量的聚集，加之背斜軸部由于彎流作用產生的巨厚煤層，為煤層自燃提供了有利的條件[2]。目前普遍應用的窄煤柱沿空掘巷技術不但能夠提高保護層的采出率和企業效益，還能有效地增加被保護層的被保護范圍[3]，但其缺點是易導致煤層自身塑性破壞，引起節理、裂隙發育，甚至破碎，造成漏風供氧，引發自燃事故，帶來了巨大經濟損失和安全隱患[4-5]。因此，開展背斜軸部區域內窄煤柱沿空掘巷煤層自燃的研究，可以有效地指導生產，避免安全事故的發生。

1 工作面概況

洛陽義安礦業有限公司（下稱義安礦業），系煤與瓦斯突出礦井，主采煤層二1煤屬于豫西“三軟煤層”，埋深超過600m，煤質松軟，局部煤層變化大。根據該礦生產地質報告，二1煤為不易自燃煤層。但是，在12080工作面回采結束后，該工作面的大巷保護煤柱發生了煤層自燃。而隨后掘進的12090工作面軌道順槽（臨12080工作面沿空掘巷）在掘進過程中也發生了自燃事故。由于本礦建礦十余年來未曾發生過自燃事故，導致該事故處理較為被動。

12090工作面軌道順槽為窄煤柱沿空掘巷，留設煤柱1.5m。該工作面在掘進至開口向里400m處由于煤層較厚且松軟，發生冒頂事故，處理后繼續掘進30m沿空掘巷結束，按照規定開拓底板巷，致使12090軌道順槽停止掘進1年。2017年5月，該巷道察覺有異常熱源、回風溫度高和有害氣體含量上升的情況，在對異常區域進行排查和鉆探后證實2#火點位置（冒頂位置）發生煤層自燃。

圖1 12090工作面火點位置圖

2 2#著火點煤層自燃誘因分析

2.1 背斜對煤層自燃的影響

根據三維地震勘探成果和現場實際揭露情況可以發現，本礦12采區中部分布著一個小區域性的背斜，控制工作面8～10個，命名為義安背斜。該背斜軸部寬緩，位于12080工作面中部，與12090工作面軌道順槽距離較近。

（1）義安背斜控制煤厚對煤層自燃的影響

根據現場實際揭露情況分析，義安背斜軸部煤層較厚，最厚處近17m，向兩翼逐漸變薄至3m左右（圖2），屬于彎流作用形成的縱彎褶皺。煤層在彎流作用下由兩翼向軸部流動，造成軸部形成巨厚煤層。厚煤層氧化可產生更多的熱量，而其本身就是良好的蓋層，可以控制更多的熱量聚集，更容易發生煤層自燃事故。

（2）背斜構造運動改變煤質及煤體結構對煤層自燃的影響

不易自燃煤層頻繁發生自燃現象，在礦井其他條件相似的地區卻未發生自燃，說明該區域內煤層煤質發生了變化，使其一定程度上具有了煤層自燃傾向。背斜構造運動會產生構造熱，在這一過程中有可能改變了煤層煤質，使小區域范圍內煤層具有自燃傾向。

背斜區域內煤層在彎流作用下流動，煤層會形成大量的流劈理和破劈理，增加了煤體的孔隙度和比表面積，使煤體吸納氧氣的能力大大增強。同時，煤巖層的彎曲必然引起層內各部質點的相對變位和應變，產生節理、破碎帶或劈理，成為煤層的供氧通道，更有利于煤層自燃事故的發生。

圖2 12090軌道二1煤層等厚線圖

（3）背斜構造形態對煤層自燃的影響

縱彎褶皺是受到橫向的擠壓應力作用而產生彎曲變形。特別是對于背斜而言，其頂部在應力作用下易形成旋轉剪節理，增加了氧氣和水的通道。

圖3 背斜節理發育示意圖

而背斜獨特的構造形態可以使煤層氧化自熱從兩翼向軸部流動，并在頂部有效地聚集，使煤層產生高溫，更有利于煤層的自燃。

圖4 背斜形態對煤層自燃的影響

2.2 厚煤層窄煤柱沿空掘巷對煤層自燃的影響

（1）氧氣對煤層自燃的影響

窄煤柱留設有利于提高回采率和增加被保護層的保護范圍，但易導致煤體力學性質的變化，形成裂隙甚至煤層破碎而導通采空區，特別是對大埋深、高地應力的厚煤層而言，更加易于產生漏氣通道供氧，若通風量穩定在某一合理范圍，使氧化自熱大于散失的熱量，則有利于煤層發生自燃。

（2）水對煤層自燃的影響

對于變質程度較高的干燥煤體而言，吸收一定量的水分會釋放出大量的濕潤熱，有利于煤層熱量的聚集。二1煤層為中高硫貧煤，硫份為3%，主要硫礦物為黃鐵礦，易氧化形成三氧化二鐵及三氧化硫并釋放大量熱，三氧化硫在水的參與下會形成強氧化劑硫酸并釋放大量熱，有利于煤層自燃。

二1煤層頂板為大占砂巖，系承壓裂隙含水層，富水性極不均一，因此，在沿空掘巷遇到采空區涌水量適中的情況下，水的參與可以加速煤層的自燃。

3 煤層防滅火對策

3.1 粘土漿直接滅火

在發現煤層自燃時利用水直接滅火，會迅速產生大量水蒸氣形成“蒸汽幕”，阻止空氣進入燃燒區，并能稀釋燃燒區氧的濃度，減弱燃燒強度[6]，但水被蒸發后不能形成有效的保護膜“滯留”在火區內，會使滅火效果大減。因此特別是針對沿空掘（留）巷或采空區，如果摸清了火源的準確位置，可采用粘土漿直接滅火。采用粘土漿直接滅火不但能夠形成“蒸汽幕”減少氧化劑，同時能夠在自燃煤層表面形成粘土層，有效隔絕空氣，同時還可以封堵煤體中的裂隙，阻斷供氧通道，提高滅火效果。采用粘土漿滅火的鉆孔終孔位置必須在火源的上方，否則無法達到應有的效果。

3.2 隔絕氧氣通道

煤層自燃最重要的因素就是氧氣，因此控制供氧通道是防滅火的最重要途徑。在沿空掘巷過程中，若出現片幫、冒頂現象，特別是在地質構造區域內（例如背斜軸部），必須對片幫、冒頂區域進行注漿（膠），以防長時間接觸空氣或構成供氧通道發生自燃。對煤巷實施全斷面噴漿也可以有效地減少巷道漏風現象，同時對相鄰采空區進行封閉，對進回風兩側進行堵截。對于沿空掘巷中已經發生自燃或高溫的煤體，可在其對應的采空區注入粘土漿，填實采空區，阻斷氧氣通道。

3.3 改善煤層抗燃性能

窄煤柱沿空掘巷由于巷道支護工藝、地質條件差異，特別是厚煤層區域，在滅火的時候往往無法徹底撲滅火點。本次的2#著火點就出現了火點轉移，進行了二次滅火。所以對于高溫或火點，為了防止反復自燃或自燃向其他區域延伸，可以對自燃點進行注化肥等阻化劑進行阻燃改造，或對著火點進行帷幕注漿（阻燃劑），阻止火區擴散。

4 結論

（1）不易自燃的煤層在特殊的地質構造條件下有可能發生自燃，特別是針對背斜軸部高硫厚煤層窄煤柱沿空掘巷，應提高對煤層自燃事故的重視并按照易自燃煤層進行管理。

（2）根據12090軌道順槽沿空掘巷段的滅火經驗，采取粘土漿直接滅火、巷道全斷面噴漿、采空區封閉注漿填實和帷幕注漿改造四位一體防滅火方案，可以有效地防治煤層自燃事故。