預(yù)防越界采空區(qū)自然發(fā)火措施的效果分析

尚少勇，黃良成

(1.榆林神華能源有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719000；2.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；3.西安天河礦業(yè)科技有限責(zé)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(chǎn)活動中，存在一些違規(guī)違法活動，其中，越界開采被認(rèn)為是礦業(yè)生產(chǎn)中的“毒瘤”，越界開采會導(dǎo)致國有礦產(chǎn)資源的流失，擾亂采礦權(quán)市場秩序，尤其是嚴(yán)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(qū)貫通，容易引起通風(fēng)系統(tǒng)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(fā)生[6-9]。

目前，不少學(xué)者已經(jīng)對礦山越界開采的問題進(jìn)行了研究，如劉波等[10]的研究表明，煤礦的越界開采會導(dǎo)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(qū)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(jìn)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(dǎo)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(jié)合的邊界結(jié)構(gòu)，從而有效解決了礦井涌水的問題，節(jié)約了煤炭資源；陳鳳英等[14]研發(fā)了一套防止露天礦山越界開采的預(yù)警系統(tǒng)，減少了監(jiān)管礦山開采的人力成本，提高了監(jiān)管的效果；劉書龍[15]設(shè)計了煤礦越界開采監(jiān)測系統(tǒng)，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，準(zhǔn)確判斷是否有越界開采發(fā)生，其定位精度在1 m左右；劉立等[16]通過結(jié)合光學(xué)遙感數(shù)據(jù)和采礦權(quán)數(shù)據(jù)，監(jiān)測了湖南省露天開采礦山的越界開采行為，并通過分析數(shù)學(xué)模型，為今后的礦山規(guī)劃提供了理論依據(jù)；李明耀[17]通過分析龍?zhí)睹旱V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(yù)防礦山越界采空區(qū)自然發(fā)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(qū)地表裂縫回填等措施對采空區(qū)自然發(fā)火的預(yù)防效果，為煤礦越界開采導(dǎo)致采空區(qū)自然發(fā)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(xiāng)鎮(zhèn)煤礦的發(fā)展，造成一些煤礦在無規(guī)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(fā)生的礦山安全事故中，有多起都與越界開采有關(guān)。造成煤礦越界開采的原因有以下6個方面：①礦山企業(yè)單純追求經(jīng)濟(jì)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(yè)權(quán)設(shè)置不合理，導(dǎo)致周邊一些零星資源并不在礦區(qū)范圍內(nèi)；為了盈利，一些礦山企業(yè)在未得到批準(zhǔn)的情況下，私自開采周邊零星資源[19]。③由于技術(shù)限制，一些小煤礦無法準(zhǔn)確判斷開采范圍，導(dǎo)致煤礦越界開采情況的發(fā)生。④眾多小煤礦大多數(shù)屬于合法、私有、在生產(chǎn)礦井，屬地政府對煤炭產(chǎn)業(yè)去產(chǎn)能、調(diào)結(jié)構(gòu)的步伐較慢，故與之相鄰的大型煤礦有被其越界的較高風(fēng)險。⑤從屬地政府相關(guān)部門執(zhí)法看，越界盜采行為的管控主導(dǎo)是屬地政府相關(guān)部門，隨著國家對安全、環(huán)保等方面的嚴(yán)管加大，近2 a屬地政府相關(guān)部門對越界盜采行為的日常巡察監(jiān)管力度在加大，非法開采、超層越界的風(fēng)氣和勢頭得到遏制，重視程度高，工作作風(fēng)大有改進(jìn)，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(yè)現(xiàn)有技術(shù)裝備開展的地面物探和鉆探等手段，在技術(shù)層面是無法做到精確查明越界盜采范圍、采空區(qū)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(jìn)的巷道靠近或貫通越界區(qū)域時，探測成果才準(zhǔn)確、可靠。

2 工程概況

青龍寺煤礦于2016年10月試生產(chǎn)，2019年5月底發(fā)現(xiàn)井田南邊界相鄰?fù)跛旱V越界盜采情況。連掘隊在井田西邊界附近井田內(nèi)掘進(jìn)5-20104回風(fēng)順槽期間，與越界不明巷道貫通，隨即報告屬地政府相關(guān)部門，由其組織開展的調(diào)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(jìn)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(qū)的工作面設(shè)計布置、礦井生產(chǎn)接續(xù)和采掘活動安排造成嚴(yán)重制約和影響。

為了探明越界范圍及進(jìn)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(qū)貫通7次，具體位置如圖1所示。其中，1#、2#貫通點已經(jīng)永久封閉，進(jìn)入5-20104工作面采空區(qū)內(nèi)。

圖1 貫通位置示意

3 預(yù)防采空區(qū)自然發(fā)火措施

4月22日中班，5#、6#貫通處均出現(xiàn)一氧化碳超限，并有煤層自燃標(biāo)志性氣體出現(xiàn)。為了預(yù)防越界采空區(qū)自然發(fā)火，青龍寺煤礦組織制定了預(yù)防越界采空區(qū)自然發(fā)火的安全技術(shù)措施。

3.1 貫通點密閉及氣體采集

3#密閉規(guī)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(guī)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(guī)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(guī)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(fēng)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(nèi)派專人監(jiān)督王塔煤礦對其主井、副井、回風(fēng)井進(jìn)行封閉，密閉規(guī)格為0.5 m磚墻并抹面。對地表黑口子漏風(fēng)點4處初步完成堵漏，5月 9日巡查發(fā)現(xiàn)主扇蝶閥漏風(fēng)，現(xiàn)場監(jiān)督關(guān)閉后，未發(fā)現(xiàn)漏風(fēng)。6月10日檢查發(fā)現(xiàn)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(guī)格為0.37 m磚墻(內(nèi)墻)+10 m砼墻，未發(fā)現(xiàn)漏風(fēng)；黑拉畔對面的一處疑似黑口子，6月20日檢查發(fā)現(xiàn)已封閉；6月25日，巡查發(fā)現(xiàn)王塔煤礦私自開啟主扇蝶閥和主井密閉，礦內(nèi)監(jiān)督立即封閉了主井密閉和關(guān)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(fēng)、主扇處于關(guān)閉狀態(tài)不漏風(fēng)、黑口子封堵完好不漏風(fēng)。

3.3 采空區(qū)地表裂縫回填

礦內(nèi)安排專人每3天檢查一次采空區(qū)地表裂縫情況。7月6日檢查發(fā)現(xiàn)5-20104工作面地表有裂縫，最寬為10 cm。安排施工單位進(jìn)行回填，回填后的裂縫，沙土充填嚴(yán)實、腳踩無明顯的下陷及空洞出現(xiàn)、無漏風(fēng)現(xiàn)象。

4 預(yù)防自然發(fā)火措施效果分析

4#、5#、6#密閉及綜采工作面回風(fēng)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(fēng)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(fēng)隅角的CH4濃度均在0.025%以下，小于《煤礦安全規(guī)程》[20]和青龍寺煤礦預(yù)防越界采空區(qū)自然發(fā)火安全技術(shù)措施中規(guī)定的1%的界限，即CH4濃度并未超標(biāo)。由圖3中的CO2濃度變化可以看出，回風(fēng)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(guī)程》的標(biāo)準(zhǔn)。由圖4中的CO濃度變化可以看出，回風(fēng)隅角的CO濃度無明顯變化，5月15日，CO濃度達(dá)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(fēng)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(fēng)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(fēng)隅角的C2H6濃度為0；4#密閉的C2H6濃度基本保持穩(wěn)定，但在4月28日C2H6濃度達(dá)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(xiàn)異常，達(dá)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(fēng)隅角的CO2濃度變化

圖4 密閉處及回風(fēng)隅角的CO濃度變化

圖5 密閉處及回風(fēng)隅角的O2濃度變化

圖6 密閉處及回風(fēng)隅角的N2濃度變化

圖7 密閉處及回風(fēng)隅角的C2H6濃度變化

圖8 密閉處及回風(fēng)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(shù)據(jù)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(yù)防越界采空區(qū)自然發(fā)火安全技術(shù)措施中規(guī)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(fēng)隅角的氣體濃度，可以得出5-20104綜采工作面回風(fēng)隅角、3#、7#密閉各項氣體指標(biāo)正常，越界采空區(qū)內(nèi)自然發(fā)火征兆未波及5-20104綜采工作面與3#、7#密閉；與越界采空區(qū)貫通的4#、5#、6#密閉內(nèi)，氧氣濃度逐漸下降，氮氣濃度緩慢上升，經(jīng)過分析，判斷為煤炭氧化耗氧及煤層中氮氣溢出導(dǎo)致；5月1日出現(xiàn)乙烯氣體，之后未出現(xiàn)，4月26日至5月23日均出現(xiàn)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(shù)措施對預(yù)防越界采空區(qū)自然發(fā)火有積極作用。

綜上所述，青龍寺煤礦應(yīng)進(jìn)一步加強管控，繼續(xù)按公司要求做好防控工作；越界采空區(qū)自然發(fā)火預(yù)警狀態(tài)可以由公司級調(diào)整為礦級。

5 結(jié)論

找準(zhǔn)漏風(fēng)通道是預(yù)防越界采空區(qū)自然發(fā)火的關(guān)鍵；施工可靠的密閉是預(yù)防越界采空區(qū)自然發(fā)火的重點；精準(zhǔn)分析氣體變化情況是預(yù)防越界采空區(qū)自然發(fā)火的要點。