煤矿抚顺西露天矿坑内平峒开采消防火综合治理

煤矿抚顺西露天矿坑内平峒开采消防火综合治理
摘要：本文通过对抚顺西露天矿坑内平峒开采特有自然发火因素的研究，总结了一套地面与井下联合防治措施，有效地控制了矿井的自然发火，保证了平峒的安全生产
关键词：平峒开采消防火注浆漏风
抚顺西露天煤矿自1914年开采以来，已形成了一个东西长6.6千米，南北宽2.2千米，垂直深度达400米，矿坑面积11平方千米的露天矿坑，共生产煤炭4.6亿吨。

随着煤炭可采储量的减少，为了维持正常生产规模，解放呆滞煤量，挖掘潜力，在露天矿开采境界外石油一厂保护线以南，布置了一个东西1000米，南北50~60米开采工作面，开采高度7.5米。

在开采过程中，由于受南顺槽距边坡较近、旧巷、采空区漏风、采区上部内排自然发火等影响，平峒采区自然发火十分严重，严重影响了平峒采区的安全生产，已成为平峒采区的重大安全生产隐患。

一、平峒采区地层
1、地层
油母页岩赋存于老第三系地层中，位于主采煤层本层煤（第一层）之上绿色页岩之下，走向近东西，长约5.2公里，倾向北，平均倾角30ο左右，真厚由34~149米不等，平均厚度116米，抚顺油母页岩属中等品位矿石。

油母页岩层下部为贫矿，厚度30米左右，上部为富矿。

[换
行]2、地质构造
西露天矿矿田位于抚顺煤田西部，为一不对称的向斜构造，轴向近东西，矿田西部向斜封闭，局部岩层形成倒转。

矿田内共有六个较大的断层。

除F1和F6近南北走向外，余者均近东西走向。

一号逆断层位于向斜北翼，六号断层将抚顺煤田从中部拦腰截断，成为东西露天矿的天然分界线。

二、平峒采区可燃物燃烧机理及自燃特点的分析研究
抚顺西露天煤矿平峒采区可燃物主要是油母页岩和煤、矸石。

下面就这两种可燃物的燃烧机理和自燃特点进行分析研究。

1、油母页岩燃烧机理和自燃特点
（1）、油母页岩燃烧机理
按照油母页岩氧化复合学说，其自燃发火是本身低温氧化的结果,自燃发火过程则受其产生的氧化热与传导热和对流形成的热扩散之间平衡状况的制约。

因此，油母页岩的含油率、粒度、供氧条件以及周围的湿度、温度等对其自燃发火都有影响。

（2）、油母页岩自燃特点
油母页岩中含有大量的烷类物质，氧化性强，水分含量大，排弃堆积后孔隙率增高，松散系数达1.5，固有水份迅速蒸发，烷类结构内部吸附氧气的能力增强，进而发生低温氧化，氧化产生的热量逐渐积聚，促使内部温度升高，当达到一定温度时就自燃发火。

2、煤、矸石燃烧机理和自燃特点
煤或煤矸石的燃烧机理与油母页岩的燃烧机理基本相同。

其自燃特点是：
抚顺西露天煤矿的煤变质程度较低，煤中的“化学活性分子团”数量大，氧化性强，水分含量较大。

排弃堆积后，透气性及与空气的接触面积明显增大。

其氧化发热速度快，自燃发火性强。

油母页岩和杂煤的自燃具有明显的季节性，主要发生在秋、冬、春三季，风较大的枯水时期。

其阶序为排弃堆积→水份蒸发→吸附氧气→氧化→聚热→升温自燃。

3、平峒采区可燃物自燃发火过程和原因[换行]（1）、油母页岩的物理、化学性质
油母页岩是由粉砂、砂质粘土及有机质C、O、H、N、S、P等元素组成的岩石，硬度低、性脆，极易风化，风化后颜色变浅。

新鲜油母页岩投入炉中或取薄片以火柴烧之发出黄色浓烟及沥青臭。

在其加热过程中，因有机质受热分解，氢做为游离氢或氢的化合物溢出，成为挥发份的主要成份，其挥发份产率与含油率成正比例关系。

低温干馏时温度控制在510℃，油产出率最高。

其质量密度与含油率成反比例关系，富矿密度小于贫矿，自燃发火期随着含油率的增加而缩短。

油母页岩工业分析、元素分析详见表1、表2。

油母页岩工业分析
表1
品名
水份
（%）
灰份
（%）
挥发份
（%）
发热量
（千卡/千克）
富矿
2.76
72.5[换行]18.32 1510
贫矿
2.34
80.6
9.83
455
油母页岩元素分析
表2
品名
C（%）
H（%）
O（%）
N（%）
P（%）
富矿
13.9
2.33
3.65
0.51[换行]0.32
贫矿
5.30
1.27
3.70
0.31
0.05
（2）、煤的物理、化学性质
西露天矿的煤种是长焰煤和气煤一号，自燃倾向性高，发火周期短，挥发份高达47%，发热量高达7500－7806千卡/千克。

炭化程度低，水份较多，使其风化粉碎性增强，吸氧面积增大，氧化速度加快。

煤的工业分析和元素分析详见表3、表4。

煤工业分析
表3
煤质
牌号[换行]水份
（%）
灰份
（%）
挥发份
（%）
发热量
（千卡/千克）[换行]长焰煤
5.19
8.31
47.25
7500
气煤一号
3.14
6.73[换行]46.23 7806
煤元素分析
表4
煤质
牌号
C[换行]（%）H
（%）
N
（%）
S
（%）
胶质层厚度[换行]
长焰煤
78
5.57
1.46
0.52
4
气煤一号[换行]80.5
5.97
2.57
0.64
11
（3）、油母页岩的自燃发火过程和原因
初级阶段：为初级氧化阶段。

由于油母页岩岩体被破碎成
岩块，破坏了其原来的整体密封性。

使大气中的氧与其表面能充分接触，并与其中的可燃物质发生氧化作用，结果使排弃物料内部温度升高。

[换行]蒸馏阶段：油母页岩本身含有石油成分，而石油成份主要由烷类物质组成，由于排弃物料内部温度升高，产生蒸馏现象，使石油成份变成石油蒸气，当达到500℃以上时就开始燃烧。

燃烧阶段：油母页岩一经燃烧，便加快了其自身蒸馏，使其燃烧越来越剧烈。

在不充分供氧燃烧时，会产生出大量有害气体。

（4）、煤或煤矸石的自燃发火过程和原因
煤矸石和杂煤随剥离物排弃到排土场后，含碳矿物表面吸附氧气，生成不稳定的氧化产物，同时放出少量热能。

此时，煤的化学活性增强，燃点下降，这是潜伏期。

随着含碳矿物的氧化速率缓慢上升，不稳定的氧化产物分解出H2O、CO2、CO等，氧化过程产生的热量不断积聚，使排土场内温度会有所上升，这是自热期。

当温度达到煤的临界温度(90℃)以上时，氧化速度会呈指数倍数增加，温度也随之加速增高，进入加速氧化期。

排土场的温度达到300℃－500℃时，便进入自燃期。

综上所述，平峒采区可燃物自燃发火必须具备三个条件：⑴可燃物必须具备低温易氧化的特性，而且以破碎状态存在。

⑵必须具备连续供氧的条件。

只有连续供氧，可燃物的氧化才能不断进行，不断产生热量。

⑶可燃物氧化反应产生的热量易聚难散，也就是说，其发热速度
大于散热速度。

这样才能使温度不断升高，达到其燃点而发生自燃。

这三个条件，缺少其中一个条件可燃物的自燃都不会发生。

所以，在研究平峒采区消、防火技术和实施消、防火方案时，切入点就是破坏可燃物发生自燃的条件，才能有效消灭和防止可燃物的自燃。

三、平峒采区特有自然发火因素及地面与井下联合防治
根据影响平峒采区自然发火因素采取以下四个方面措施：[换行]1、受边坡影响
从平峒巷道系统的形成到试生产阶段的全过程来看，受边坡较近因素影响的地点只有三处：
1）南顺第二联络道（W200m）处，由于与南帮距离为7～10米，上覆为剥离排弃物（贫矿与绿土），此处出水温度高于其它地点，在30度左右，没有CO、C2H4等发火气体产生，为防止出现发火，对该处采取了防治措施：
（1）巷壁打钻孔高压注水注浆；
（2）地面打垂直孔进行注浆，钻孔布设在排土场，钻孔深度100米以上均为回填物，为了顺利成孔，减少钻孔孔壁磨擦，减小扭距，采取Φ146开孔，下Φ127、Φ108、Φ89套管成孔工艺，高压旋喷注浆；（3）在该处安设CO探头进行实时监控，出现险情立即采取控制措施。

（4）一旦此处险情较大，可以将该段进行下对门子封闭，对目前的通
风系统没有影响。

2）南顺W458m处南帮：由于该处与原东副斜井正穿，南帮与煤层露头近，曾出现发火征兆，经多次下河砂封闭此处隐患得到根治，目前状态稳定。

3）南顺W600m（第三联络道以西）处：该处由于距离边坡近（7m左右），曾出现高温现象，对该处进行巷壁注浆，地面钻孔注浆等有效措施，该处发火隐患得到根治，目前状态稳定。

南顺从整体上看离边坡较近，但除上述三个地点曾出现一定的发火征兆外，其它地点一直比较稳定。

2、受旧巷影响
从采区准备过程中揭露的旧巷情况看，已遇见的旧巷有二条：一条为东副斜井，向北倾斜，倾角为25度，该巷道的未揭露部分在工作面的底板以下，巷道的下部为积水，上部已进行充填处理，无漏风的可能。

另一条在掘进开切眼时遇见，巷道在工作面底板以下，局部冒顶充填的河砂在开切眼中出现，工作面向前推[换行]进后，旧巷迹象消失。

3、采空区漏风影响
由于工作面距离地表较浅，当采空区冒落后，上覆岩层的破坏，导致采空区存在一定的漏风，平峒的开采过程已经证实了这一点，为此采取了如下措施：
1）地面采空区上方向采空区内打钻孔下河砂、粉煤灰及注水等对采空区进行防火处理；
2）工作面上下端头每推进10米进行封堵，封堵的长度不小于5米；3）工作面架间打套管下河砂进行封堵，每隔2个架子打一个套管，套管长度在5米左右，对架后进行充填河砂处理；
4）向采空区内注氮气进行防火处理。

从老虎台矿接设10km管路至平峒工作面，对采空区注氮，氮气量控制在500～1000m3/h，使采空区内温度降低，氧气含量下降，对抑制浮煤氧化，减少有害气体的产生起到重要作用。

5）在回风顺槽的端头处设置预埋管，当采面推进5～10米时，通过预埋管向采空区内灌浆，防止自然发火。

通过采取上述措施，采空区内自然发火问题可以得到有效控制。

4、内排发火的影响
内排发火产生的缺氧的有害气体顺采空区裂隙大量涌入采空区内，对于这一问题采取如下措施：
1）、对浅部上部内排进行打钻注浆，防治内排发火隐患；
2）、加强内排管理，严格控制内排岩种比例，确保绿土与其它岩种的比例在1：1以上以达到完全隔绝氧气的目的。

同时，采取注入粉煤灰浆或铺干粉煤灰层措施进一步防治内排发火。

3）、严格控制采高，强制放顶减少采空区的积气空间，减少供氧通道。

四、结论[换行]平峒采区自然发火虽然客观存在，但我们对平峒采区存在的自然发火因素采取了一系列切实可行的防治措施，如：建立和完善防灭火注砂、注浆及注氮气系统，对采空区进行注砂封堵和注氮隔
绝，防止浮煤氧化；对边坡漏风采取地面打钻注浆和井下打钻注砂、注浆及注罗克休封堵，减少漏风，防止煤炭自燃；在采取上述措施的同时，又采取均压通风技术减少采空区及南顺边坡的漏风；这些措施的实施，有效地控制了矿井的自然发火，保证了平峒采区的安全生产。

作者简介：肖平，1970-高级工程师，1992年毕业于原阜新矿业学院，现抚顺矿业集团有限责任公司西露天矿从事地质、防排水设计及现场管理工作。

所在单位抚顺矿业集团有限责任公司。