某礦上覆采空區(qū)自然發(fā)火現(xiàn)狀與防治措施

李 躍

(山西焦煤霍州煤電集團(tuán)呂臨能化有限公司， 山西 呂梁 033200)

1 前言

某煤礦位于陜西省榆林市神木縣北部，該礦區(qū)井田內(nèi)揭露的地層為中生代含煤巖系，包含上三疊統(tǒng)永坪組、中下侏羅統(tǒng)延安組、中侏羅統(tǒng)直羅組、第三系上新統(tǒng)三趾馬紅組及第四系。該礦區(qū)總體呈現(xiàn)大單斜層，在此基礎(chǔ)上發(fā)育寬緩的波狀起伏。發(fā)育正斷層5條，斷距在10～70m之間，傾角55°～80°，未發(fā)現(xiàn)逆斷層。

該礦地形北東高，西南低，大氣降水后，雨水除滲入地下外，沿溝谷徑流到烏蘭木倫河。

從北往南主要水系為考考賴溝、石圪臺(tái)溝、柳根溝、糖漿渠溝，均自東向西流入井田西界烏蘭木倫河，南匯入黃河，這些溝流均屬于排泄地下水為主的溝谷類型，溝谷內(nèi)流量較為穩(wěn)定。地表水受季節(jié)性影響較大，一般每年3月至9月為豐水期，冬春之交為枯水期。該礦的含水層的水為新生界松散層孔隙潛水、中生界碎屑巖類裂隙潛水和承壓水。

該礦可采煤層總厚度5.67～18.56m，平均為13.84m，厚煤層多位于煤礦中南部，厚度16～18m；薄煤區(qū)兩處，分別在煤礦北境和東南處，厚度在10m以下，最小厚度5.67m，其余區(qū)段可采煤層累計(jì)厚度在11～15m。煤質(zhì)主要以亮煤和暗煤為主，鏡煤和絲炭次之，煤巖類型主要為半亮型和半暗型煤。煤質(zhì)多呈黑色、條痕褐黑色，暗淡的瀝青光澤，局部為油脂光澤，絲絹光澤。性脆、內(nèi)生裂隙較為發(fā)育，節(jié)理中常充填黃鐵礦和方解石薄膜，條帶狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，揮發(fā)率平均值為34.57%～35.87%，發(fā)熱量為27.10～28.22MJ/kg，具有中- 高發(fā)熱量和特低- 低灰、特低- 低硫、特低磷和低燃點(diǎn)等特點(diǎn)，是優(yōu)質(zhì)的動(dòng)力用煤。

該礦井采用斜井- 平硐- 立井聯(lián)合開拓布置方式，工作面均采用走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化采煤方法，一次采全高，全部垮落法控制頂板。采用中央分列式通風(fēng)，通風(fēng)方法為抽出式。礦井絕對(duì)瓦斯涌出量為7.53m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量為0.33m3/t，屬瓦斯礦井。

該礦井的主采煤層12煤、22煤、31煤，煤層自然傾向等級(jí)屬Ⅰ類，屬容易自然發(fā)火煤層，發(fā)火期一般為1～3個(gè)月。22煤為Ⅱ 類自然發(fā)火煤層，自然發(fā)火周期3～6個(gè)月，且主采煤層都具有煤塵爆炸危險(xiǎn)性。

2 采空區(qū)自然發(fā)火現(xiàn)狀及發(fā)火原因

該礦井周邊有眾多小煤礦，多為已關(guān)閉或者報(bào)廢礦井，小煤礦主要開采上組煤(12上、12、22上、22煤層)，大多存在自然發(fā)火的跡象。

該礦31煤某工作面上覆巖層是某小煤礦已采的22煤的采空區(qū)(房柱式開采)，22煤與31煤層間距31～41m(平均35m)。該礦31煤開采后，受采動(dòng)影響，31煤某工作面的后方采空區(qū)與上覆某小煤礦已采的22煤的采空區(qū)容易形成溝通裂隙，容易形成了漏風(fēng)通道。

31煤層某工作面在回采過程中，曾出現(xiàn)瓦斯異常升高現(xiàn)象，經(jīng)漏風(fēng)測(cè)定，通過小煤礦井口觀測(cè)，瓦斯?jié)舛茸罡咴_(dá)8 129ppm(1ppm=10-6)，C2H4濃度最高曾達(dá)125ppm，在通過小煤礦出風(fēng)井口觀測(cè)孔采集氣樣分析，瓦斯?jié)舛瘸史€(wěn)定下降趨勢(shì)，瓦斯?jié)舛纫呀抵?9～259ppm。可以得出，由于采動(dòng)的影響，上下采空區(qū)彼此連通，31煤某工作面后方的采空區(qū)與上覆小煤礦已采的22煤的采空區(qū)之間存在漏風(fēng)通道，漏風(fēng)方向?yàn)樾∶旱V已采的22煤的采空區(qū)向該礦31煤某工作面后方采空區(qū)涌動(dòng)。

這是由于該礦現(xiàn)開采的31煤某工作面上覆為某小煤礦已采的22煤的采空區(qū)，小煤礦采用房柱式開采，每采5 m留設(shè)5 m煤柱，采空區(qū)內(nèi)留有大量煤柱。房采采空區(qū)頂板不易冒落，僅局部范圍存在頂板垮落，采空區(qū)漏風(fēng)通道暢通。31煤層與22煤層平均間距為35 m，受31煤采動(dòng)影響，上下煤層之間形成直通地表的連通裂隙，同時(shí)使22煤采空區(qū)煤柱遭到破壞，局部形成堆積浮煤，且浮煤經(jīng)采空區(qū)放水疏干后吸氧量增加，22煤采空區(qū)存在自燃危險(xiǎn)。尤其是工作面推過集中煤柱時(shí)可能造成切頂壓架，導(dǎo)致工作面停采時(shí)間過長(zhǎng)，采空區(qū)破碎煤柱長(zhǎng)期漏風(fēng)供氧條件下更易發(fā)生自然發(fā)火，進(jìn)而威脅31煤工作面安全回采。未來三年內(nèi)，31煤二盤區(qū)其余工作面與該工作面開采條件相同，小煤礦22煤已采的采空區(qū)有毒有害氣體對(duì)工作面安全開采構(gòu)成威脅。

3 采空區(qū)防火措施

1) 上覆小煤礦采空區(qū)氣體監(jiān)測(cè)

每三天由專人對(duì)留有觀測(cè)孔的上覆小煤礦井口密閉內(nèi)氣體進(jìn)行取氣分析，全面掌握上覆小煤礦采空區(qū)內(nèi)氣體變化趨勢(shì)[1]。

2) 地表裂隙封堵

定期檢查上覆小煤礦井口密閉情況，發(fā)現(xiàn)封堵不嚴(yán)實(shí)的井口及時(shí)處理。對(duì)上覆小煤礦地表進(jìn)行排查，找尋漏風(fēng)裂隙，采用人工封堵的方式進(jìn)行地表裂隙封堵。

3) 地面打鉆注漿構(gòu)筑隔離帶

在地表沿上覆小煤礦的采空區(qū)保護(hù)煤柱向22煤上覆小煤礦的采空區(qū)打鉆進(jìn)行注漿(鉆孔距保護(hù)煤柱3m位置)，漿液沿著上覆小煤礦采空區(qū)保護(hù)煤柱向南流動(dòng)堆積，封堵漏風(fēng)通道。在22煤上覆小煤礦采空區(qū)保護(hù)煤柱處與其南側(cè)的小煤礦采空區(qū)之間構(gòu)筑一條砂漿隔離帶，消除上覆小煤礦采空區(qū)內(nèi)瓦斯氣體對(duì)31煤二盤區(qū)回采過程中的威脅[2]。

4) 應(yīng)急均壓措施

考慮上覆小煤礦采空區(qū)氣體的運(yùn)移受多種因素影響的復(fù)雜性，為防止有害氣體的異常涌出，將均壓措施作為工作面的應(yīng)急防滅火技術(shù)方案。工作面回采前，將均壓系統(tǒng)建設(shè)完畢，確保系統(tǒng)可以隨時(shí)啟用。

工作面回采時(shí)，若回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛炔怀^24ppm時(shí)，不啟用均壓措施。當(dāng)回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛瘸^24ppm，并呈上升趨勢(shì)，經(jīng)判定瓦斯來源于小煤礦采空區(qū)時(shí)，啟用均壓措施[3]。

5) 注氮惰化采空區(qū)

該礦31煤某工作面回采前通過探放水孔排放至采空區(qū)水量400萬(wàn)m3，隨后注氮411萬(wàn)m3，隨著該工作面的回采，氮?dú)庥幸欢康牧魇В?1煤二盤區(qū)其余工作面回采時(shí)，必須對(duì)采空區(qū)進(jìn)行氮?dú)庋a(bǔ)充。工作面開采過輔巷已施工觀測(cè)孔50m時(shí)，利用觀測(cè)孔對(duì)采空區(qū)進(jìn)行注氮惰化。

4 結(jié)論

通過以上的分析，可以看出，該礦工作面自然發(fā)火的原因是由于工作面的回采，受采動(dòng)的影響，工作面后方的采空區(qū)與上覆小煤礦已采煤層的采空區(qū)裂隙溝通，使得上覆已采煤層采空區(qū)的瓦斯向該礦采空區(qū)涌動(dòng)，使得該工作面后方采空區(qū)容易產(chǎn)生自然發(fā)火的現(xiàn)象。因此對(duì)該礦工作面上覆小煤礦采空區(qū)發(fā)火區(qū)進(jìn)行剝挖處理，徹底消除小煤礦采空區(qū)發(fā)火區(qū)對(duì)礦井威脅。同時(shí)當(dāng)?shù)孛媸┕ぷ{鉆孔困難的時(shí)候，采用井下巷道打上向鉆孔進(jìn)行注漿。