寧保軍

（1.河北聯(lián)合大學(xué)，河北 唐山 063000；2.新疆開(kāi)灤能源投資有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

0 前言

我國(guó)國(guó)有煤礦中有56%的礦井存在自然發(fā)火危險(xiǎn)，煤炭不完全燃燒釋放大量的CO、CO2、SO2等有毒有害氣體，污染大氣環(huán)境，影響生態(tài)平衡。隨著新疆煤炭資源的不斷開(kāi)發(fā)，露天煤礦所占的比例也在逐年增加，煤炭自燃已成為露天礦山的重大自然災(zāi)害之一[1]。煤炭自燃既浪費(fèi)資源，降低煤炭質(zhì)量，又污染環(huán)境，而且對(duì)礦區(qū)的安全生產(chǎn)構(gòu)成威脅。因此，研究露天煤礦煤炭自然發(fā)火規(guī)律，采取積極有效的防滅火措施意義重大。

1 礦區(qū)概況

開(kāi)灤新疆東露天煤礦屬大陸干旱荒漠氣候，夏季高溫炎熱，白天氣溫常在40℃以上，冬季氣候嚴(yán)寒，絕對(duì)最低氣溫-49.8℃。區(qū)內(nèi)年均降水量192mm，年蒸發(fā)量1595.2～2410.4mm。常年多風(fēng)，風(fēng)力4～5級(jí)，最大可達(dá)10級(jí)。上部地層主要有第四系松散巖類(lèi)、侏羅系碎屑巖類(lèi)，結(jié)構(gòu)松散、干燥，孔隙度大，屬典型的散體結(jié)構(gòu)。礦區(qū)內(nèi)控制的西山窯組可采煤層 4 層，從上至下編號(hào)為 B22、B21、B12、B11，在首采區(qū)傾角為 0～5°，平均 3°，平均厚度分別為 5.38、3.67、2.68、5.42m，均是特低灰～低灰、特低硫、低磷、31號(hào)不粘煤為主體的煤類(lèi)，有少量41號(hào)長(zhǎng)焰煤及21號(hào)不粘煤。煤炭變質(zhì)程度低，風(fēng)化程度高，發(fā)火期短，在存儲(chǔ)過(guò)程中煤炭極易自燃發(fā)火，各可采煤層的自燃傾向等級(jí)均為容易自燃（I）。礦區(qū)首采區(qū)為露天開(kāi)采，2009年7月剝離開(kāi)工，目前采場(chǎng)揭露面積0.79km2，平均深度13m，由于淺部煤層開(kāi)采靠近火燒區(qū)，采場(chǎng)北部低洼處有積水。

2 露天礦煤炭自燃的原因

2.1 煤炭自然發(fā)火機(jī)理

露天采場(chǎng)內(nèi)具有自燃傾向性的大量煤炭，長(zhǎng)期暴露在空氣中，在地質(zhì)構(gòu)造、外界環(huán)境風(fēng)化及開(kāi)采震動(dòng)的影響下，以及煤體中瓦斯、水分的散失，使得煤體十分破碎。這樣，在外界風(fēng)力、壓力及外界與煤體內(nèi)部之間的自然風(fēng)壓作用下，外界含氧空氣滲入煤體之中[2]。煤炭具有吸附空氣中氧的特性，發(fā)生煤氧復(fù)合作用。煤的吸附性包括表面吸附和化學(xué)吸附。表面吸附產(chǎn)生的熱量微不足道，然而化學(xué)吸附以及與其相伴隨的煤氧化學(xué)反應(yīng)則可以放出相當(dāng)多的熱量。由于煤體體積較大，熱量被積聚起來(lái)，積聚的熱量反過(guò)來(lái)加熱煤體，使煤體與空氣之間的氧化反應(yīng)更加劇烈，煤體溫度不斷上升，當(dāng)達(dá)到煤的著火溫度時(shí)，導(dǎo)致煤體自燃發(fā)生。

2.2 東露天煤礦煤炭自燃因素

2.2.1 煤的風(fēng)化

離地表較近的煤層，經(jīng)受風(fēng)、雪、雨、露、冰凍、日光和空氣中氧等的長(zhǎng)時(shí)間作用，使煤的性質(zhì)發(fā)生一系列不利變化，如發(fā)熱量下降、灰分增加、粘結(jié)性消失、強(qiáng)度、塊度下降等，這種現(xiàn)象稱(chēng)為煤的風(fēng)化。煤風(fēng)化的本質(zhì)是煤的氧化作用過(guò)程。東露天礦由于煤層埋藏淺，市場(chǎng)飽和，采場(chǎng)和煤場(chǎng)的煤炭都暴露時(shí)間長(zhǎng)，風(fēng)化現(xiàn)象比較嚴(yán)重。煤風(fēng)化后，含氧量增加，腐植酸含量增加，疏松易碎，易自燃。

2.2.2 煤質(zhì)

東露天煤礦以31號(hào)不粘煤為主體煤類(lèi)，具有高熱值、含油、大多氣化指標(biāo)較好、中等易碎等特點(diǎn)。煤層頂?shù)装鍘r石中含大量的炭化植物碎片，煤層的成因類(lèi)型為腐殖煤類(lèi)。煤的鏡質(zhì)體反射率在0.36%～0.53%之間，平均0.41%，其變質(zhì)程度為0～Ⅰ階段，其中主要為0階段，個(gè)別為Ⅰ階段。各煤層的煤灰成分均屬硅質(zhì)灰分類(lèi)型，煤對(duì)二氧化碳的反應(yīng)能力強(qiáng)，煤活性大，易自燃。

2.2.3 氣候條件

礦區(qū)內(nèi)氣溫高，氣候干燥，蒸發(fā)強(qiáng)烈，大氣降水少而集中，多風(fēng)少雨，加之坑內(nèi)煤氧化后積聚的熱量不易散發(fā)，給煤的自燃創(chuàng)造了條件。裸露煤層及煤堆中的風(fēng)流使煤緩慢氧化，使之逐漸升溫，在自燃危險(xiǎn)帶內(nèi)聚熱，熱量難以散發(fā)，從而導(dǎo)致自燃。

2.2.4 煤體松散

侏羅系西山窯組地層賦煤4層，間有泥巖和炭質(zhì)泥巖，煤層較破碎，呈短柱狀，結(jié)構(gòu)松散。由于采場(chǎng)涌水的影響，采場(chǎng)內(nèi)各平盤(pán)高度不一致，加之采用挖掘機(jī)采剝工藝，煤層露頭多，加劇了煤體的松散度和氧化反應(yīng)。

2.2.5 煤炭銷(xiāo)售不暢

新疆準(zhǔn)東煤炭市場(chǎng)不景氣，銷(xiāo)售不暢，長(zhǎng)時(shí)間堆積造成煤炭風(fēng)化、破碎、升溫，易發(fā)生煤炭自燃。

3 防滅火方案

3.1 煤溫監(jiān)測(cè)

3.1.1 著火溫度分析

著火溫度是判斷煤樣著火性能的一個(gè)重要指標(biāo)。著火溫度可采用兩種方法進(jìn)行分析，一種方法是TG—DTG法，另外一種是根據(jù)時(shí)間與溫度變化曲線(xiàn)進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)東露天礦一年中4～8月的采場(chǎng)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，做出了每個(gè)月每天各點(diǎn)的溫度變化曲線(xiàn)，另對(duì)16個(gè)現(xiàn)場(chǎng)取樣樣品進(jìn)行燃燒試驗(yàn)，綜合比較得出著火溫度在310℃至360℃之間。煤樣在260℃左右開(kāi)始發(fā)生不可逆反應(yīng)，需要在150℃左右作出相應(yīng)的反應(yīng)，否則可能短短的幾天內(nèi)就會(huì)發(fā)生煤炭的自燃。

3.1.2 監(jiān)測(cè)方法

在采場(chǎng)、煤場(chǎng)安裝煤炭溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，測(cè)定不同地點(diǎn)、不同深度的溫度情況，測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)通過(guò)中繼站傳輸至辦公計(jì)算機(jī)，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)溫度超過(guò)一定數(shù)值，提前采取預(yù)防措施。

3.2 火災(zāi)的預(yù)防措施

3.2.1常規(guī)性預(yù)防和管理措施

（1）嚴(yán)格加強(qiáng)日常的巡視檢查，每天三次對(duì)采場(chǎng)、煤場(chǎng)進(jìn)行巡視，大風(fēng)等極端天氣加強(qiáng)巡檢頻率；加強(qiáng)外來(lái)人員管理，禁止在礦區(qū)生活區(qū)以外的任何地點(diǎn)吸煙。

（2）每天監(jiān)控采場(chǎng)和煤場(chǎng)溫度，對(duì)煤體溫度 （30cm以下）超過(guò)60℃，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)頻率，超過(guò)150℃，立即采取降溫措施；對(duì)風(fēng)化嚴(yán)重區(qū)域及時(shí)清理浮煤。清理浮煤是因?yàn)闁|露天礦的煤炭易風(fēng)化形成比較松散層狀和粉末狀的碎煤，這種碎煤為煤炭的吸氧和蓄熱創(chuàng)造比較好的環(huán)境，容易發(fā)生自燃。

（3）以銷(xiāo)定產(chǎn)，嚴(yán)格控制庫(kù)存，縮短煤炭存儲(chǔ)時(shí)間。堆放時(shí)間較長(zhǎng)的煤炭，及時(shí)攤開(kāi)降溫，并降低出售。

（4）優(yōu)化露天礦剝采計(jì)劃，平衡剝采比，制定科學(xué)合理的生產(chǎn)銜接計(jì)劃，采掘順序充分考慮采場(chǎng)排水、防滅火和銜接煤量的關(guān)系，從根本上降低煤炭自燃隱患。

3.2.2 儲(chǔ)煤場(chǎng)預(yù)防措施

（1）建立封閉式煤場(chǎng)，這樣可以避免陽(yáng)光照射和大風(fēng)天氣下風(fēng)流的加速，材質(zhì)可以選用彩鋼板。

（2）建立風(fēng)障或擋風(fēng)墻，主要是預(yù)防風(fēng)對(duì)自燃的影響，通過(guò)建立風(fēng)障降低風(fēng)速，在很大程度上降低自燃危險(xiǎn)。

（3）煤堆分區(qū)管理，即煤場(chǎng)由多個(gè)小煤堆組成，這樣出現(xiàn)險(xiǎn)情易于處理。

（4）對(duì)煤堆底部周圈進(jìn)行包膜處理，目的是阻止和削弱煤堆空氣流場(chǎng)的形成，破壞氧化的持續(xù)性和規(guī)模，使煤堆溫度可控。

3.3 火災(zāi)的消滅措施

3.3.1 噴水滅火

其工藝可分為兩種，一是用管路輸水，即泵站—管路—水槍—火區(qū)；另一種是利用采坑內(nèi)的積水，用水車(chē)運(yùn)水，即水源—水車(chē)—火區(qū)。此方法適合小范圍的煤炭自燃，用水噴滅的燃煤應(yīng)及時(shí)清運(yùn)走。

3.3.2 挖除火源滅火

用機(jī)械設(shè)備將發(fā)火煤炭直接剝除運(yùn)走，從而控制火災(zāi)的發(fā)展態(tài)勢(shì)。此方法適合于消滅火根淺、面積小、水不易到達(dá)的火區(qū)，燃煤排棄后要進(jìn)行掩埋處理。

3.3.3 隔離帶滅火

隔離帶法就是切斷火區(qū)與周?chē)扇嘉锏穆?lián)系，防止火區(qū)蔓延的方法，可通過(guò)鏟車(chē)清除一定塊段范圍內(nèi)的煤炭，用戈壁料、砂石等封堵隔開(kāi)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.3.4 注漿滅火

就是把巖石的空隙用高壓泵或自然方法注入一種或幾種能夠凝結(jié)沉積的漿液，待漿液發(fā)生凝結(jié)，便可堵塞巖石的裂隙，起到屏蔽的作用。是大規(guī)模防滅火行之有效的方法。按燃燒區(qū)域的大小及燃燒中心的深度可以分為：表面澆灌法和鉆孔注漿法。

3.4 集中火區(qū)的治理措施

對(duì)于已經(jīng)發(fā)生大面積火災(zāi)的煤炭，經(jīng)過(guò)噴水及清除后，必須選擇安全地點(diǎn)集中存放，采用隔絕空氣掩埋法[3]，防止引起二次火災(zāi)，造成建筑物、設(shè)備和人員傷亡。做法是：在火區(qū)上部覆蓋黃土、軟質(zhì)凝灰?guī)r等阻火的細(xì)碎物料并碾壓，達(dá)到隔絕氧氣、滅火的目的。存放地點(diǎn)周?chē)驏艡?，懸掛醒目的安全警示牌，防止人員誤入燙傷或發(fā)生有害氣體熏人事故。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研究，提出了露天礦煤炭自燃發(fā)火的預(yù)防措施和滅火措施，能在很大程度上抑制采場(chǎng)和儲(chǔ)煤場(chǎng)的煤炭自燃，創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益，確保礦山的安全生產(chǎn)。露天礦煤炭的防滅火工作是一項(xiàng)系統(tǒng)工程。在進(jìn)行露天礦的設(shè)計(jì)、制定作業(yè)計(jì)劃和生產(chǎn)時(shí)，應(yīng)綜合考慮煤炭的自燃因素，做到超強(qiáng)預(yù)防。同時(shí)，還要有足夠的投入和嚴(yán)格的管理制度，并且常抓不懈。

［1］朱志宇，趙浩，劉光偉.淺析露天煤礦煤炭自燃[J].露天采礦技術(shù)，2011(1):29-32.

［2］張瑞新，謝之康，于汝綏，等.防治露天礦煤炭自燃的開(kāi)采技術(shù)措[J].中國(guó)煤炭，1995(8)：42-43.

［3］楊占軍，肖平.撫順西露天礦內(nèi)排土場(chǎng)防滅火技術(shù)的研究及應(yīng)用[J].煤礦安全，2002，33(7):33-35.