煤礦撫順西露天礦坑內平峒開采消防火綜合治理

摘要：本文通過對撫順西露天礦坑內平峒開采特有自然發火因素的研究，總結了一套地面與井下聯合防治措施，有效地控制了礦井的自然發火，保證了平峒的安全生產

關鍵詞：平峒開采 消防火 注漿 漏風

撫順西露天煤礦自1914年開采以來，已形成了一個東西長6.6千米，南北寬2.2千米，垂直深度達400米，礦坑面積11平方千米的露天礦坑，共生產煤炭4.6億噸。隨著煤炭可采儲量的減少，為了維持正常生產規模，解放呆滯煤量，挖掘潛力，在露天礦開采境界外石油一廠保護線以南，布置了一個東西1000米，南北50~60米開采工作面，開采高度7.5米。在開采過程中，由于受南順槽距邊坡較近、舊巷、采空區漏風、采區上部內排自然發火等影響，平峒采區自然發火十分嚴重，嚴重影響了平峒采區的安全生產，已成為平峒采區的重大安全生產隱患。

一、 平峒采區地層

1、地層

油母頁巖賦存于老第三系地層中，位于主采煤層本層煤（第一層）之上綠色頁巖之下，走向近東西，長約5.2公里，傾向北，平均傾角30^ο左右，真厚由34~149米不等，平均厚度116米，撫順油母頁巖屬中等品位礦石。油母頁巖層下部為貧礦，厚度30米左右，上部為富礦。

2、地質構造

西露天礦礦田位于撫順煤田西部，為一不對稱的向斜構造，軸向近東西，礦田西部向斜封閉，局部巖層形成倒轉。礦田內共有六個較大的斷層。除F1和F6近南北走向外，余者均近東西走向。一號逆斷層位于向斜北翼，六號斷層將撫順煤田從中部攔腰截斷，成為東西露天礦的天然分界線。

二、平峒采區可燃物燃燒機理及自燃特點的分析研究

撫順西露天煤礦平峒采區可燃物主要是油母頁巖和煤、矸石。下面就這兩種可燃物的燃燒機理和自燃特點進行分析研究。

1、油母頁巖燃燒機理和自燃特點

（1）、油母頁巖燃燒機理

按照油母頁巖氧化復合學說，其自燃發火是本身低溫氧化的結果,自燃發火過程則受其產生的氧化熱與傳導熱和對流形成的熱擴散之間平衡狀況的制約。因此，油母頁巖的含油率、粒度、供氧條件以及周圍的濕度、溫度等對其自燃發火都有影響。

（2）、油母頁巖自燃特點

油母頁巖中含有大量的烷類物質，氧化性強，水分含量大，排棄堆積后孔隙率增高，松散系數達1.5，固有水份迅速蒸發，烷類結構內部吸附氧氣的能力增強，進而發生低溫氧化，氧化產生的熱量逐漸積聚，促使內部溫度升高，當達到一定溫度時就自燃發火。

2、煤、矸石燃燒機理和自燃特點

煤或煤矸石的燃燒機理與油母頁巖的燃燒機理基本相同。其自燃特點是：

撫順西露天煤礦的煤變質程度較低，煤中的“化學活性分子團”數量大，氧化性強，水分含量較大。排棄堆積后，透氣性及與空氣的接觸面積明顯增大。其氧化發熱速度快，自燃發火性強。

油母頁巖和雜煤的自燃具有明顯的季節性，主要發生在秋、冬、春三季，風較大的枯水時期。其階序為排棄堆積→水份蒸發→吸附氧氣→氧化→聚熱→升溫自燃。

3 、平峒采區可燃物自燃發火過程和原因

（1）、油母頁巖的物理、化學性質

油母頁巖是由粉砂、砂質粘土及有機質C、O、H、N、S、P等元素組成的巖石，硬度低、性脆，極易風化，風化后顏色變淺。新鮮油母頁巖投入爐中或取薄片以火柴燒之發出黃色濃煙及瀝青臭。在其加熱過程中，因有機質受熱分解，氫做為游離氫或氫的化合物溢出，成為揮發份的主要成份，其揮發份產率與含油率成正比例關系。低溫干餾時溫度控制在510℃，油產出率最高。其質量密度與含油率成反比例關系，富礦密度小于貧礦，自燃發火期隨著含油率的增加而縮短。油母頁巖工業分析、元素分析詳見表1、表2。

油母頁巖工業分析

表1

品名

水份

（%）

灰份

（%）

揮發份

（%）

發熱量

（千卡/千克）

富礦

2.76

72.5

18.32

1510

貧礦

2.34

80.6

9.83

455

油母頁巖元素分析

　　　　　　　　　　　　　　　　　　表2　

品名

C（%）

H（%）

O（%）

N（%）

P（%）

富礦

13.9

2.33

3.65

0.51

0.32

貧礦

5.30

1.27

3.70

0.31

0.05

（2）、煤的物理、化學性質

西露天礦的煤種是長焰煤和氣煤一號，自燃傾向性高，發火周期短，揮發份高達47%，發熱量高達7500－7806千卡/千克。炭化程度低，水份較多，使其風化粉碎性增強，吸氧面積增大，氧化速度加快。煤的工業分析和元素分析詳見表3、表4。

煤工業分析

表3

煤 質

牌 號

水份

（%）

灰份

（%）

揮發份

（%）

發熱量

（千卡/千克）

長 焰 煤

5.19

8.31

47.25

7500

氣煤一號

3.14

6.73

46.23

7806

煤元素分析

表4

煤 質

牌 號

C

（%）

H

（%）

N

（%）

S

（%）

膠質層厚度

長 焰 煤

78

5.57

1.46

0.52

4

氣煤一號

80.5

5.97

2.57

0.64

11

（3）、油母頁巖的自燃發火過程和原因

初級階段：為初級氧化階段。由于油母頁巖巖體被破碎成

巖塊，破壞了其原來的整體密封性。使大氣中的氧與其表面能充分接觸，并與其中的可燃物質發生氧化作用，結果使排棄物料內部溫度升高。

蒸餾階段：油母頁巖本身含有石油成分，而石油成份主要由烷類物質組成，由于排棄物料內部溫度升高，產生蒸餾現象，使石油成份變成石油蒸氣，當達到500℃以上時就開始燃燒。

燃燒階段：油母頁巖一經燃燒，便加快了其自身蒸餾，使其燃燒越來越劇烈。在不充分供氧燃燒時，會產生出大量有害氣體。

（4）、煤或煤矸石的自燃發火過程和原因

煤矸石和雜煤隨剝離物排棄到排土場后，含碳礦物表面吸附氧氣，生成不穩定的氧化產物，同時放出少量熱能。此時，煤的化學活性增強，燃點下降，這是潛伏期。

隨著含碳礦物的氧化速率緩慢上升，不穩定的氧化產物分解出H2O、 CO2、 CO等，氧化過程產生的熱量不斷積聚，使排土場內溫度會有所上升，這是自熱期。

當溫度達到煤的臨界溫度(90℃)以上時，氧化速度會呈指數倍數增加，溫度也隨之加速增高，進入加速氧化期。

排土場的溫度達到300℃－500℃時，便進入自燃期。

綜上所述，平峒采區可燃物自燃發火必須具備三個條件：⑴可燃物必須具備低溫易氧化的特性，而且以破碎狀態存在。⑵必須具備連續供氧的條件。只有連續供氧，可燃物的氧化才能不斷進行，不斷產生熱量。⑶可燃物氧化反應產生的熱量易聚難散，也就是說，其發熱速度大于散熱速度。這樣才能使溫度不斷升高，達到其燃點而發生自燃。

這三個條件，缺少其中一個條件可燃物的自燃都不會發生。所以，在研究平峒采區消、防火技術和實施消、防火方案時，切入點就是破壞可燃物發生自燃的條件，才能有效消滅和防止可燃物的自燃。

三、平峒采區特有自然發火因素及地面與井下聯合防治

根據影響平峒采區自然發火因素采取以下四個方面措施：

1、受邊坡影響

從平峒巷道系統的形成到試生產階段的全過程來看，受邊坡較近因素影響的地點只有三處：

1） 南順第二聯絡道（W200m）處，由于與南幫距離為7～10米，上覆為剝離排棄物（貧礦與綠土），此處出水溫度高于其它地點，在30度左右，沒有CO、C₂H₄等發火氣體產生，為防止出現發火，對該處采取了防治措施：

（1）巷壁打鉆孔高壓注水注漿；

（2）地面打垂直孔進行注漿，鉆孔布設在排土場，鉆孔深度100米以上均為回填物，為了順利成孔，減少鉆孔孔壁磨擦，減小扭距，采取Φ146開孔，下Φ127、Φ108、Φ89套管成孔工藝，高壓旋噴注漿；

（3）在該處安設CO探頭進行實時監控，出現險情立即采取控制措施。

（4）一旦此處險情較大，可以將該段進行下對門子封閉，對目前的通風系統沒有影響。

2） 南順W458m處南幫：由于該處與原東副斜井正穿，南幫與煤層露頭近，曾出現發火征兆，經多次下河砂封閉此處隱患得到根治，目前狀態穩定。

3）南順W600m（第三聯絡道以西）處：該處由于距離邊坡近（7m左右），曾出現高溫現象，對該處進行巷壁注漿，地面鉆孔注漿等有效措施，該處發火隱患得到根治，目前狀態穩定。

南順從整體上看離邊坡較近，但除上述三個地點曾出現一定的發火征兆外，其它地點一直比較穩定。

2、受舊巷影響

從采區準備過程中揭露的舊巷情況看，已遇見的舊巷有二條：一條為東副斜井，向北傾斜，傾角為25度，該巷道的未揭露部分在工作面的底板以下，巷道的下部為積水，上部已進行充填處理，無漏風的可能。另一條在掘進開切眼時遇見，巷道在工作面底板以下，局部冒頂充填的河砂在開切眼中出現，工作面向前推進后，舊巷跡象消失。

3、采空區漏風影響

由于工作面距離地表較淺，當采空區冒落后，上覆巖層的破壞，導致采空區存在一定的漏風，平峒的開采過程已經證實了這一點，為此采取了如下措施：

1）地面采空區上方向采空區內打鉆孔下河砂、粉煤灰及注水等對采空區進行防火處理；

2）工作面上下端頭每推進10米進行封堵，封堵的長度不小于5米；

3）工作面架間打套管下河砂進行封堵，每隔2個架子打一個套管，套管長度在5米左右，對架后進行充填河砂處理；

4）向采空區內注氮氣進行防火處理。從老虎臺礦接設10km管路至平峒工作面，對采空區注氮，氮氣量控制在500～1000m³/h，使采空區內溫度降低，氧氣含量下降，對抑制浮煤氧化，減少有害氣體的產生起到重要作用。

5）在回風順槽的端頭處設置預埋管，當采面推進5～10米時，通過預埋管向采空區內灌漿，防止自然發火。通過采取上述措施，采空區內自然發火問題可以得到有效控制。

4、內排發火的影響

內排發火產生的缺氧的有害氣體順采空區裂隙大量涌入采空區內，對于這一問題采取如下措施：

1）、對淺部上部內排進行打鉆注漿，防治內排發火隱患；

2）、加強內排管理，嚴格控制內排巖種比例，確保綠土與其它巖種的比例在1：1以上以達到完全隔絕氧氣的目的。同時，采取注入粉煤灰漿或鋪干粉煤灰層措施進一步防治內排發火。

3）、嚴格控制采高，強制放頂減少采空區的積氣空間，減少供氧通道。

四、結論

平峒采區自然發火雖然客觀存在，但我們對平峒采區存在的自然發火因素采取了一系列切實可行的防治措施，如：建立和完善防滅火注砂、注漿及注氮氣系統，對采空區進行注砂封堵和注氮隔絕，防止浮煤氧化；對邊坡漏風采取地面打鉆注漿和井下打鉆注砂、注漿及注羅克休封堵，減少漏風，防止煤炭自燃；在采取上述措施的同時，又采取均壓通風技術減少采空區及南順邊坡的漏風；這些措施的實施，有效地控制了礦井的自然發火，保證了平峒采區的安全生產。

作者簡介：肖平，1970- 高級工程師，1992年畢業于原阜新礦業學院，現撫順礦業集團有限責任公司西露天礦從事地質、防排水設計及現場管理工作。 所在單位 撫順礦業集團有限責任公司