百色煤田矿井自然发火规律及防治技术

百色煤田矿井自然发火规律及防治技术

李立新

百色双田矿业有限公司 广西百色 533000

摘要：通过对百色煤田褐煤自然发火机理分析，找到矿井自然发火的规律，然后针对不同的自然发火情况，采取对应的喷砂浆封闭、注入水泥浆液、注入高分子材料、高分子材料泡沫固化、注氮、或采取综合的防灭火等措施治理，取得较好的防灭火效果。

关键词：褐煤；自然发火；规律；防治技术

1 基本情况

1. 1. 百色煤田情况

百色煤田储量约5亿吨，经多年开采，现储量约2.5亿吨，大部分储量主要被公路、铁路、水体、村庄等压覆。百色煤田内可采煤层顶、底板岩性多为泥岩、砂质、炭质泥岩；煤种主要是褐煤，含硫0.6~1.5%，中低硫，煤层属于Ⅰ类易自燃或Ⅱ类自燃等级。

1. 2. 煤层情况

目前百色煤田生产矿井有10个，可采煤层2~6层不等，煤层厚度0.8~3.2米之间，煤层的层间距各矿间不同。其中，煤层自然发火较严重的州景煤矿，具有六层可采煤层，四煤与五煤一层的煤质较好，四煤与五煤一层、五煤一层与五煤二层、五煤二层与五煤三层之间的层间距较近，一般在5米以内，部分区域内，五煤一层、五煤二层、五煤三层之间的层间距仅有0.3~0.6米的层间距，属于近距离煤层群。

2 矿井煤层自然发火的机理和规律

2.1 褐煤的自然发火机理

煤层围岩开挖后，必然引起围岩应力重新分布，在不同方向地应力的作用下，巷道的围岩、煤层或煤柱受到不同程度破坏，导致煤层内产生裂隙，裂隙扩展有深有浅，纵横交错，从而在煤层内部产生各种通道网络。氧气通过裂隙网络进入煤层内部一定深度与煤颗粒接触，煤颗粒越细，吸附氧越多，煤颗粒吸附氧分子后，产生缓慢的氧化过程，煤颗粒氧化的周围环境存在积存热量的条件，不易散发，煤层内部的温度不断上升至临界值，一般在60-70°，氧化中产生CO₂及CO，而后煤层内外空气温差不均衡，引起空气流动，CO₂游离煤层裂隙进入巷道空间，氧气补充进入裂隙内，增强煤颗粒氧化，最终煤层内温度不断升高而自燃。

在矿井内，因巷道存在风压差，加强了煤层内裂隙空气的流动，在符合积存热量的区域加速氧化，必然导致煤层的自然发火。

2.2 百色煤田矿井发火的主要地点、规律

矿井煤层发生自燃，具有以下的特点：

1. 采区巷道因布置于煤层间或不同层位，煤柱区域在矿压作用下产生裂隙，在采区进回风巷道的压差下，漏风进入煤层，引起煤柱间自然发火。

2. 在近距离煤层群开采时，如州景煤矿，五煤一层属于煤质较好的煤层，Ⅰ类易自燃煤层，多年前开采时遗留部分煤炭，而开采下方已连成一体的五煤二层及五煤三层时，顶板的煤层极易出现自燃。因五煤二层及五煤三层的顶板属于再生，利用锚杆及锚索支护锚固力达不到要求，极易发生顶板离层，增加了巷道支护的难度，而采取的被动式支架支护，煤层或围岩的整体性进一步被破坏，从而在巷道掘进时均发生煤层自然发火。

3. 不断开采引起采区巷道或采煤工作面压力重新分布，在联络巷范围产生煤层漏风通道，在设置的风门、挡风墙、风桥等压差影响下，漏风引起煤柱自燃。

4. 采煤工作面滞后导致自然发火。如某矿综采工作面试采40米后，由于受断层构造影响，工作面部分顶煤遗留在采空区，另工作面机械故障较多，人员又不足，春节期间停产后未能及时恢复生产，月推进少于30米，工作面发生了煤炭自燃，该工作面被迫封闭处理。

5. 采空区的密闭质量较差，漏风引起自然发火。

3 百色煤田煤层自然发火防治技术

3.1 利用传统的黄泥灌浆站防灭火

各矿均建立有黄泥灌浆站，通过浆站往自然发火地点供给黄泥浆，利用黄泥浆的胶结性，充填胶结煤层裂隙，阻隔氧气进入，熄灭火区；或将黄泥浆充填于密闭间，起到防范自燃作用。采煤工作面的采空区因空间较大，黄泥浆不能固结于采空区内，而是流到低洼处，恶化工作环境，所以很少灌浆到采空区。还有，黄泥浆液注到巷道的顶板后，一时没能凝结，浆液流出巷道，效果较差。黄泥灌浆的应用地点受限，需要寻求其它的防灭火措施。

3.2 巷道煤层喷砂浆封闭防治

对于近距离煤层群开采，在掘进期间就会产生顶板煤层自燃，在这种情况下，利用喷射水泥砂浆封闭巷道煤层及围岩，喷浆层厚一般达到100mm，喷浆层封闭巷道围岩表面裂隙，防止氧气进入煤层内，同时喷浆层将铁支架、菱形网一起封闭，起到加强支护的目的，在巷道压力较稳定段起到较好的效果。

由于巷道压力不断发生变化，巷道顶底板活动加强，破坏喷浆层稳定、固结，产生新的裂隙，在压力较大地段，破坏严重，必然引起新的煤层自燃，需要再次处理，成本较高。

3.3 煤层注入水泥浆液防灭火

利用小型水泥浆泵，将混合好的水泥浆，添加水玻璃速凝剂，注入到煤层内。该种防灭火措施效果较好，水泥浆液进入煤体裂隙后，迅速凝固，将煤层内的漏风通道胶结，较少漏浆，现场应用效率高，快速灭火。但水泥相对较贵，成本高。

3.4利用高分子材料注入煤体

3.4.1 煤体注入普通高分子液体

利用浆泵将普通泡沫液体注入煤层内，因浆泵轻便，材料便于运输，应用地点范围广。小型浆泵可应用于采煤工作面顶板边帮、巷道顶帮、以及主要处理的局部地段。但这种泡沫液体不易及时固化，注入顶板时，浆液流出，效果不好。

3.4.2 利用固化泡沫剂注入煤体内

与湖南科技大学高校合作，利用新型的高分子材料，通过特殊机械，将水泥、高分子材料充分混合，形成泡沫剂，添加水玻璃速凝剂。浆液注入煤体后，泡沫快速固化凝结于煤体内部，达到防治煤层自然发火。

3.5 利用综合措施防治自然发火

因巷道受到较大围岩压力破坏，顶帮变形大，这种情况下，就采取综合治理措施。主要是利用锚杆、锚索、锚网加强支护，喷浆封闭煤层及围岩，再利用普通高分子泡沫、或高分子固化泡沫、或水泥浆注入到煤层内，将煤层周围裂隙充填，阻断氧气供应，从而起到防灭火。因成本高，该种方法主要考虑巷道的服务年限相对较长，或巷道地段单一治理措施难以应对煤层自燃时候应用。

3.6 向采空区注氮及均压治理采空区内自燃

3.6.1注氮系统治理

保群煤矿的1300采煤工作面也是人员不足，停产了20多天，恢复生产后，因该工作面属伪倾斜布置，工作面的倾角达到20°，工作面的液压支架没有伸缩梁及护帮板，工作面煤壁超前垮落，致顶板提前切顶，顶板发生漏冒，工作面推进受阻又达到半个月，另工作面刮板机故障频繁，工作面推进缓慢，最终采空区自然发火，同时工作面回风隅角瓦斯较高，常有异常，不得不通过抽放泵站抽放隅角瓦斯。根据当时的严峻情况对工作面进行了封闭处理。

工作面封闭后，购置900m³/min的制氮机，安装管路系统，往采空区注入氮气。一是通过密闭前管路与预埋设于进风隅角处的管路接通，往采空区内注氮，二是利用布置于密闭处的管路向内注氮。

3.6.2均压治理

拆除进风联络巷的风门，清理巷道变形产生的矸渣，扩大联络巷的断面积，减少进回风巷道之间的压差，在进回风巷的回风侧设置调节风门，将原工作面进风巷的进风量由1200m³/min减少到300m³/min，满足行人需要，将工作面的进风巷、回风巷密闭的风压差均衡，防止采空区内空气在压差作用下流动。如图所示。

经稳定向采空区注氮，并采取均压防灭火后，采空区自然发火得到了控制，目前采空区内的CO已稳定在0.001%以下。

4 结论

通过煤层自然发火机理分析，认为百色煤田褐煤煤层围岩开挖后，引起围岩应力重新分布，巷道的煤层受到不同程度破坏，形成的漏风通道致煤层氧化，最终引起自然发火。从矿井的自然发火特点来看，与煤层的发火机理吻合。然后有针对性采取的措施，如注水泥砂浆、高分子材料、固化高分子泡沫、注氮，或采取综合性措施防治自然发火是可行的，对于类似的矿区自然发火治理可提供一定的借鉴意义。

参考文献：

1. 《低推进度综放工作面自然发火治理技术》，秦琼，《煤矿安全》2018.8；

2. 《矿井自然发火规律分析与防治对策》，李方利，2005.9会议；

3. 《露天矿褐煤自然发火机理》，张平，《露天采煤技术》，2000.1；

4. 《平煤十三矿煤层自然发火机理及规律分析》，刘彦涛，《山西煤炭管理干部学院学报》，2014.8；

5. 《义马煤田自然发火事故统计分析及防治》，魏增量，《煤矿安全》2007.8。

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