王憲光，陳志平，龔邦軍

（鐵法煤業(yè)（集團）有限責任公司大興煤礦，遼寧 調(diào)兵山112700）

1 概述

火災(zāi)是礦井的五大災(zāi)害之一，礦井火災(zāi)分為內(nèi)因火災(zāi)和外因火災(zāi)兩大類。煤炭自然發(fā)火屬于內(nèi)因火災(zāi)，由于其火源具有隱蔽性，常發(fā)生在人們難以看見或不能進入巷道松散煤體或采空區(qū)內(nèi)部。做好易自然煤層自燃發(fā)火的預(yù)報預(yù)測工作，是保證回采過程安全進行的必要工作。防范在先，采取預(yù)防性措施，加強日常檢測工作，可以為安全回采提供保障。

自然發(fā)火一旦形成火災(zāi)將產(chǎn)生大量高溫有毒、有害氣體，且隨風(fēng)流擴散蔓延，對井下人員造成危害，尤其在高瓦斯區(qū)域或瓦斯積存區(qū)域更容易造成二次瓦斯災(zāi)害，形成火災(zāi)、煤塵與瓦斯爆炸的連鎖反應(yīng)，擴大了災(zāi)害的程度和范圍，對于高瓦斯易自燃煤層的綜放面是制約其安全生產(chǎn)的一個重要因素。

2 綜采放頂煤開采分析

綜采放頂煤采煤法在我國已經(jīng)應(yīng)用二十余年，這種采煤法掘進率低、效率高、適應(yīng)性強，并且容易實現(xiàn)高產(chǎn)，而是用于現(xiàn)代化礦井大型化、生產(chǎn)集中化的發(fā)展，可以實現(xiàn)一井一面或一井兩面的高產(chǎn)高效高集中化的生產(chǎn)模式。

綜采放頂煤采煤法實質(zhì)是在厚煤層中沿煤層底板布置一個長壁工作面，用常規(guī)綜機法回采一定高度的煤炭，利用礦山壓力作用或者輔以人工松動的方法，使綜采支架上部的頂煤，自行破碎成松散煤，由支架的放煤窗口放出，開采較集中，生產(chǎn)能力大。

由于開采強度大，采放同時作業(yè)，開采高瓦斯低透氣性煤層時，由于煤體瓦斯含量高，預(yù)抽效果差，瓦斯抽放主要依靠采動影響增透后的邊采邊抽，抽放量還是受很多因素制約，工作面瓦斯涌出量較大，一般工作面需要配給較大的風(fēng)量，上下隅角的壓差大，煤塵產(chǎn)生量也較大。工作面放頂煤支架的放煤工藝不同，造成支架后部采空區(qū)遺留不同程度的脊背煤，另外一般綜采放頂煤工作面，端頭支架不放煤，也將是采空區(qū)內(nèi)遺留煤炭的主要來源之一。再有頂?shù)装宀煞琶翰煌耆?，也會造成采空區(qū)遺留煤炭，為煤炭自燃埋下隱患。

圖1 可燃性煤炭氧化過程示意圖

3 自燃發(fā)火條件及位置分析

井下煤炭達到自然發(fā)火必須同時具備以下四個條件，即：具有可自燃性破碎松散煤存在、不斷的有含氧風(fēng)流供給、在這個環(huán)境中能夠造成熱量積聚，以上三個條件在足夠長的作用時間下，即有可能引起煤炭自燃發(fā)火，發(fā)展為火災(zāi)。如圖1 所示，可燃煤從暴露在空氣中開始，不斷地在氧化，但是只有在滿足自然發(fā)火另外三個條件時才能夠由蓄熱氧化潛伏時期轉(zhuǎn)變?yōu)榛馂?zāi)，否則，煤體冷卻后，一直會處于緩慢氧化狀態(tài)。

易自然高瓦斯工作面回采后，隨著工作面的推進，會間斷不等量地在采空區(qū)內(nèi)出現(xiàn)松散遺留煤，也會使開采煤層卸壓，兩順側(cè)，尤其是超前支護段，煤體的破碎最為突出，這就提供了可燃物存在的條件；工作面需要連續(xù)不斷的通風(fēng)供給含氧不小于20%的新鮮風(fēng)流，為自燃提供了可支持燃燒的氧條件；支架支護的放頂煤工作面可以簡化為壁面不同粗糙程度的兩個相互聯(lián)通的矩形通道，根據(jù)管流流體流動規(guī)律，管閉粗糙度大的區(qū)域流體流動的雷諾系數(shù)低，越靠近支架風(fēng)速越低，特別是支架后部放煤空間處風(fēng)量更小，風(fēng)速更低。高頂和易造成瓦斯聚集的區(qū)域，也容易成為微風(fēng)或者無風(fēng)區(qū)。工作面上下隅角封堵不能夠完全實現(xiàn)隔絕采空區(qū)，上下三角點在通風(fēng)壓差作用下，要向采空區(qū)內(nèi)部漏風(fēng)，如圖2 所示。

圖2 采空區(qū)自然發(fā)火三帶劃分示意圖

放頂煤工作面采空區(qū)內(nèi)的煤層頂板的受力形式可以近似于一個如圖3 所示的砌體梁式結(jié)構(gòu)模型。在這個模型中，梁的中間部位受到力的破壞效果最為顯著，即采空區(qū)暴露的頂板，沿工作面方向中間部位最先冒落。而在順槽兩側(cè)要留有隔離煤柱而且不放煤，是應(yīng)力集中區(qū)域，煤體受壓破碎，一般較中間部位壓實程度好，冒落高度較中間部位小，而且作用時間要較中間部位延遲，移架后，在上下端頭支架后部要形成較大的隅角空間。采空區(qū)的冒落空間、放煤空間、采煤空間，可以認為是連同的三個并聯(lián)管流，如圖4，工作面風(fēng)流在壓力差作用下，由前三角點向后三角點流動，所以下隅角空間成為主要漏風(fēng)的源，上隅角空間成為主要漏入采空區(qū)風(fēng)流的匯,由此流向回順。

圖3 砌體梁式結(jié)構(gòu)模型

圖4 工作面平面圖與剖面圖、等效網(wǎng)絡(luò)圖

我們可以將工作面采空區(qū)建立成一個以工作面傾向為X 軸，以采空區(qū)深部為Y 軸，以垂直于工作面頂板方向為Z 軸的一個三維直角坐標系。

（1）沿X 軸方向采空區(qū)內(nèi)流體流動及自然發(fā)火情況分析

如圖4，風(fēng)流流動是因為存在著壓差，前三角點處一定比后三角點全壓高，工作面向采空區(qū)的漏風(fēng)情況如圖4漏風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型，通風(fēng)壓差逐漸減小，漏風(fēng)量也逐漸減少，采空區(qū)內(nèi)部漏風(fēng)自然發(fā)火三帶的寬度也逐漸向工作面前移，另外采空區(qū)內(nèi)部的瓦斯受漏風(fēng)的影響向工作面上隅角聚集，受瓦斯一定程度抑制作用的影響，也是回順側(cè)自然發(fā)火三帶變窄的一個原因。采空區(qū)中間部位冒落和穩(wěn)定較快，一般較兩順難自然發(fā)火。故沿X 軸方向采空區(qū)靠近運順側(cè)是自然發(fā)火幾率較高區(qū)。

（2）沿Y 軸方向采空區(qū)內(nèi)流體流動及自然發(fā)火情況分析

由工作面支架后部深入采空區(qū)，漏風(fēng)量和風(fēng)流速度逐漸減小，含氧風(fēng)流不斷的對遺煤氧化，很容易產(chǎn)生蓄熱環(huán)境，形成自燃帶，氧化速度快，很容易轉(zhuǎn)變成劇烈燃燒。沿Y 軸方向采空區(qū)內(nèi)發(fā)火一般是在自燃帶內(nèi)的脊背煤處可能性較大。

但是工作面不斷地向前推進，自然三帶也交替的向前隨工作面移動，確定三帶的寬度，對于確定推進最低速度和最佳停產(chǎn)時間，保障安全回采事很重要。

（3）沿Z 軸方向采空區(qū)內(nèi)流體流動及自然發(fā)火情況分析

如圖3，1、2、3 區(qū)域均為冒落帶，冒落順序為3、2、1，漏風(fēng)裂隙逐漸由下向上部打開，隨時間，先冒落的要先趨于穩(wěn)定，裂隙逐漸壓實，而較為發(fā)育的裂隙應(yīng)該是冒落活動強烈的區(qū)域，所以，這些區(qū)域的漏風(fēng)也較為嚴重，但是這些裂隙也是采空區(qū)內(nèi)瓦斯的向上運移通道和可能存儲地點，一般在其上部回賦存一定量的瓦斯氣體，這些氣體將起到一定的抑燃作用，所以自然發(fā)火區(qū)域應(yīng)該不會是在裂隙頂部，而是在距離底板有一定高度的富集遺煤處。

（4）上下隅角流體流動及自然發(fā)火情況分析

下隅角漏風(fēng)始終是運順內(nèi)溫度較低的新風(fēng)不斷補充，雖起到了冷卻的作用，但沒有終止氧化作用，而且隨著工作面推進，冷卻帶進入氧化帶后漏風(fēng)強度較弱會蓄熱升溫，最易發(fā)生內(nèi)因火災(zāi)。而上隅角為主要的采空區(qū)漏風(fēng)主要出口，受通風(fēng)壓力的影響，其后部采空區(qū)內(nèi)的游離瓦斯也會向此處匯聚涌出，一定程度的起到了抑制自然發(fā)火的作用，是火災(zāi)發(fā)生的主要災(zāi)害擴大區(qū)域。

4 影響自然發(fā)火的因素

4.1 煤的自燃性能

（1）煤的分子結(jié)構(gòu)，研究表明，煤的氧化能力主要取決于含氧官能團多少和分子結(jié)構(gòu)的疏密程度。隨煤化程度增高，煤中含氧官能團減少，孔隙度減小，分子結(jié)構(gòu)變得緊密。

（2）煤化程度，煤化程度是影響煤炭自燃傾向性的決定性因素。就整體而言，煤的自燃傾向性隨煤化程度增高而降低，即自燃傾向性從褐煤、長焰煤、煙煤、焦煤至無煙煤逐漸減小；局部而言，煤層的自燃傾向性與煤化程度之間表現(xiàn)出復(fù)雜的關(guān)系，即同一煤化程度的煤在不同的地區(qū)和不同的礦井，其自燃傾向性可能有較大的差異。

（3）煤巖成分，煤巖成分對煤的自燃傾向性表現(xiàn)出一定的影響，但不是決定性的因素。各種單一的煤巖成分具有不同的氧化活性，其氧化能力按鏡煤＞亮煤＞暗煤＞絲煤的順序遞減。

（4）煤中的瓦斯含量，煤中瓦斯存在和放散影響吸氧和氧化過程進行，它類似用惰性氣體稀釋空氣對氧化發(fā)生的影響。

（5）水分，煤的外在和內(nèi)在水分以及空氣中的水蒸汽對褐煤和煙煤在低溫氧化階段起一定的影響，既有加速氧化的一面，也有阻滯氧化的因素。

（6）煤中硫和其它礦物質(zhì)，煤中含有的硫和其它催化劑，則會加速煤的氧化過程。統(tǒng)計資料表明，含硫大于3%的煤層均為自然發(fā)火的煤層，其中包括無煙煤。

4.2 開采工藝

（1）回采面布置，目前應(yīng)用的長壁采煤法，煤炭回收率高，回采時間長，單面產(chǎn)量大。仰斜較俯斜開采工作面瓦斯涌出量大，但是向采空區(qū)的漏風(fēng)量少，有利于防治自然發(fā)火。運回順布置上還是要按照有利于通風(fēng)上考慮，要充分利用自然風(fēng)壓，盡量減少工作面上下的壓差。

（2）確定合理的回采速度，盡量減小放煤步距，減少脊背煤的損失，放煤時，盡可能的放出煤炭，制定合適的見矸關(guān)窗措施。

4.3 漏風(fēng)

在煤炭氧化過程的熱平衡關(guān)系中，漏風(fēng)起兩方面的作用：一是向煤提供氧化所必須的氧氣，促進氧化發(fā)展；二是帶走氧化生成的熱量，降低煤溫，抑制氧化過程發(fā)展。采空區(qū)漏風(fēng)強度是影響自然發(fā)火的主要因素。把風(fēng)速控制在易燃風(fēng)速區(qū)之外，是從通風(fēng)的角度預(yù)防自然發(fā)火的原則。

4.4 地質(zhì)因素

地質(zhì)因素主要有：傾角、煤層厚度、地質(zhì)構(gòu)造、開采深度。表1 為傾角和厚度對自燃影響的部分統(tǒng)計資料。在有地質(zhì)構(gòu)造的地區(qū)，自燃危險性加劇。煤層賦存太深或太淺都會增加自然發(fā)火的危險性。

表1 煤層傾角和厚度對自燃影響

5 防治火災(zāi)措施

防治煤炭自燃的基本原理是破壞自然發(fā)火的四個基本條件。

（1）做好礦井的火災(zāi)統(tǒng)計工作，對于發(fā)生過自燃的煤層或采區(qū)，記錄好發(fā)火時間、地點、地質(zhì)構(gòu)造、發(fā)火前后的區(qū)域礦井氣候參數(shù)，做好規(guī)律總結(jié)工作。

（2）提高煤炭回收率，合理布置回采巷道和確定開采開拓方法，制定合理的回采速度，盡量不要過長時間的停止工作面生產(chǎn)。

（3）減少采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)?？梢约訌姵榉殴ぷ?，減少工作面風(fēng)量，對上下端頭支架進行封填堵漏，前三角點掛風(fēng)障等。

（4）采空區(qū)充填河砂、泥漿等，目的在于充填煤巖裂隙，起到一定的膠結(jié)作用，增加含氧風(fēng)流擴散阻力，利用其浸潤煤巖、冷卻煤體。

（5）采空區(qū)惰化，通過向采空區(qū)內(nèi)注入惰性氣體，降低采空區(qū)內(nèi)的氧濃度，使其低于發(fā)火的最低濃度，注入氣體還可以起到冷卻作用。

（6）停產(chǎn)期間，采空區(qū)內(nèi)的自然三帶相對處于穩(wěn)定，所以就給處于蓄熱燃燒潛伏期的自燃帶提供了增加作用時間的條件，所以必須加強采取堵漏、冷卻和惰化等手段。

（7）加強巡查、監(jiān)測工作，可以通過現(xiàn)場巡查檢驗，使用束管技術(shù)在地面時時監(jiān)測。確定煤層自然發(fā)火標志氣體鑒定及其參數(shù)量化，做好日常的取樣分析工作。

6 結(jié)論

采空區(qū)內(nèi)容易發(fā)生火災(zāi)的地點，一般應(yīng)該距離底板有一定的高度，并且要靠運順側(cè)。工作面正?；夭蓵r，一般自燃帶存在時間沒有達到自然發(fā)火期，就已經(jīng)進入了窒息帶，所以不會發(fā)生內(nèi)因火災(zāi)。但是緩慢推進或停產(chǎn)期間是最為危險的，可以通過控制漏風(fēng)、充填冷卻、惰化采空區(qū)措施予以延緩內(nèi)因火災(zāi)發(fā)生。在長期停產(chǎn)工作面宜主動封閉。