張倩

（晉能控股集團(tuán)同大科技研究院，山西 大同 037003）

塔山礦是核定年產(chǎn)25.00 Mt的特大型井工礦，主要開采煤層為C3#-5#特厚煤層，煤層厚度8.5～24.7 m，煤種為1/3焦煤和氣煤，自燃傾向性為Ⅱ類自燃，最短發(fā)火期天數(shù)為83天。C3#-5#特厚煤層為合并煤層，由C3#、C4#、C5#三層煤合并組成，中間夾矸7～8層，由于經(jīng)歷地質(zhì)年代久遠(yuǎn)，煤層節(jié)理發(fā)育，硬度為1～2，如遇到地質(zhì)構(gòu)造時煤層節(jié)理發(fā)育更為充分，煤層硬度值不足0.5。因此，當(dāng)工作面遇地質(zhì)構(gòu)造期間停采時，煤體破碎會造成停采支護(hù)困難，通常會采用注入有機(jī)高分子粘接材料進(jìn)行加固［1］，當(dāng)粘接材料注入量較大時，化學(xué)反應(yīng)會產(chǎn)生大量的熱，為煤層自燃創(chuàng)造了蓄熱條件［2］。以塔山礦8234工作面停采期間發(fā)生的煤層自燃事故為例，通過事故分析并提出防范對策［3］，汲取教訓(xùn)和總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。

1 工作面概況

塔山礦C3#-5#層8234工作面可采走向長1 435 m，傾向長260 m，煤層平均厚度11.9 m，煤層平均傾角2°，采用綜采放頂煤開采工藝，采高3.8 m，采放比1∶2.1。工作面為“U+I”型通風(fēng)系統(tǒng)，采用三巷布置，即2234進(jìn)風(fēng)巷、5234回風(fēng)巷、8234頂板高抽巷，工作面通風(fēng)系統(tǒng)如圖1所示。正常生產(chǎn)期間進(jìn)風(fēng)量為3 500 m3/min，回風(fēng)量2 100 m3/min，頂抽巷抽放量為1 450 m3/min。根據(jù)工作面（配風(fēng)量3 500 m3/min）實(shí)測，采空區(qū)最大自燃帶寬度為120 m。工作面于2020年10月開始回采，正常回采期間絕對瓦斯涌出量30～35 m3/min，工作面主要采用頂抽巷封閉抽放方式治理瓦斯，頂抽巷抽排瓦斯量25～30 m3/min，風(fēng)排瓦斯量3～5 m3/min。8234工作面正常回采期間，采取“一主三輔一保障”的防火技術(shù)措施，具體為：主要措施采用連續(xù)注氮，注氮量為2 400 m3/h；輔助措施一為端頭封堵，封堵間隔為10～15 m，二為噴灑阻化劑，噴灑量為1.5 t/d，三為地面注漿，處于熱備用狀態(tài)；保障性措施為束管連續(xù)監(jiān)測。

圖1 工作面通風(fēng)系統(tǒng)

2 工作面停采及發(fā)火經(jīng)過

2.1 工作面停采情況

工作面于2021年4月21日開始停采，并施工回撤巷道，支護(hù)采用“錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+鋼帶+鋼梁”的聯(lián)合支護(hù)方式，停采支護(hù)如圖2所示。5月17日完成頂網(wǎng)鋪設(shè)工作，5月21日完成幫支護(hù)和搬角工作，工作面具備撤退條件。因揭露地質(zhì)構(gòu)造帶，工作面頂板破碎，停采支護(hù)期間，使用高分子材料（馬麗散）加固頂板，共計(jì)使用95 t。

圖2 工作面停采支護(hù)

2.2 停采期間防火措施

停采期間，在正常生產(chǎn)期間的防滅火措施基礎(chǔ)上，重點(diǎn)強(qiáng)化了兩種措施：一是加強(qiáng)工作面風(fēng)量管理，從停采開始，就逐步減風(fēng)降壓，4月18日到5月14日，前后對工作面風(fēng)量調(diào)整了四次，最終工作面風(fēng)量調(diào)整為1 340 m3/min、抽放量354 m3/min；二是頭尾端頭同時加大注氮量，增加到了5 000 Nm3/h以上。

2.3 發(fā)火經(jīng)過

2021年5月21日15時40分，井下匯報工作面61#～62#支架間后擺梁破碎煤體出現(xiàn)明火，工作面高溫明火區(qū)域如圖3所示。隨即礦方安排撤人，啟動應(yīng)急預(yù)案，16時0分，作業(yè)人員全部撤離工作面，16時20分，安排準(zhǔn)備封閉材料，并由救護(hù)隊(duì)員現(xiàn)場采取注水降溫等應(yīng)急處置措施，5月22日10時30分，工作面臨時封閉完成。

圖3 工作面高溫明火區(qū)域

2.4 工作面氣體變化情況

2234進(jìn)風(fēng)巷束管（進(jìn)入采空區(qū)25 m）停采期間CO保持在30～43 ppm之間；5234回風(fēng)巷束管（進(jìn)入采空區(qū)27 m）停采期間CO在24～85 ppm之間波動；8234頂板高抽巷CO濃度逐步上升，5月17日開始明顯上升，5月21日升至211 ppm；工作面停采期間，兩順槽束管、頂抽巷束管及人工化驗(yàn)數(shù)據(jù)均未發(fā)現(xiàn)乙烯、乙炔等重碳烴氣體。工作面CO濃度變化曲線如圖4所示。

圖4 工作面CO濃度變化曲線

3 事故原因分析

鑒于現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)工作面61#～62#支架間后擺梁上方有高溫明火，認(rèn)為這是一起煤炭自燃事故，自燃原因有兩方面：

一是在有地質(zhì)構(gòu)造的地區(qū)，煤的自燃危險性加劇，即自然發(fā)火期會縮短；而8234面停采區(qū)域發(fā)育有地質(zhì)構(gòu)造，工作面停采時間又長達(dá)30天，這是原因之一［4］。

二是在工作面停采期間，向頂板破碎區(qū)大量注馬麗散，化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生熱積蓄可能引燃支架頂部或采空區(qū)煤體，這在多個礦井都發(fā)生過，這是另一個原因［5］。

綜合來說，是因?yàn)楣ぷ髅嫱２善陂g遇特殊地質(zhì)構(gòu)造，頂板破碎，在注入馬麗散后，支架頂部熱量積存，同時停產(chǎn)支護(hù)時間長，導(dǎo)致煤體氧化自燃。

4 治理方案

4.1 火區(qū)治理思路

根據(jù)8234火區(qū)遠(yuǎn)距離封閉、井下不具備施工措施孔的客觀條件，同時結(jié)合該火區(qū)前期已充分惰化，但內(nèi)部熱量仍未得到有效交換的實(shí)際情況，制定了以地面高強(qiáng)度液氮連續(xù)直注降溫冷卻手段為核心，以井下注常規(guī)氮?dú)獯胧榛A(chǔ)的火區(qū)治理總體思路。

4.2 地面液氮直注

液氮直注可直接對火區(qū)進(jìn)行定向精準(zhǔn)撲滅，8234火區(qū)封閉前，現(xiàn)場火情范圍初步判斷為端頭2#～64#架間，傾向總長接近120 m，同時考慮到液氮直注鉆孔的降溫冷卻有效半徑為10 m左右，因此為確?；饏^(qū)冷卻效果，共設(shè)計(jì)7個注氮孔，鉆孔施工完畢后，注入液態(tài)氮進(jìn)行發(fā)火點(diǎn)冷卻［6］。液氮直注后進(jìn)行氣體監(jiān)測，在8234回風(fēng)巷密閉、8234進(jìn)風(fēng)側(cè)密閉、高抽巷密閉均設(shè)置觀測點(diǎn)，通過取氣樣用色譜儀分析氣樣成分，分析采空區(qū)內(nèi)O2、N2、CO、CO2、H2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2等氣體的變化情況，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，判斷火區(qū)變化情況。

4.3 采空區(qū)連續(xù)注氮

連續(xù)注氮可以有效降低采空區(qū)氧氣含量，防止火區(qū)復(fù)燃，通過現(xiàn)有的注氮系統(tǒng)向8234工作面采空區(qū)注入氮?dú)猓?］。利用2234巷、5234巷及8234頂板高抽巷預(yù)埋措施管，對8234工作面采空區(qū)進(jìn)行連續(xù)注氮，初步考慮通過注氮將8234工作面兩順槽及切眼以里150 m范圍氧濃度降到滅火指標(biāo)以下，共需注氮239.6萬m3，按1 500 m3/h計(jì)算，預(yù)計(jì)需83天。在此期間，每班對8234工作面兩順槽密閉及采空區(qū)氣體變化情況進(jìn)行巡查和分析。

5 汲取教訓(xùn)及防范對策

1）嚴(yán)格按照《煤礦安全規(guī)程》、《煤礦井下反應(yīng)型高分子材料安全管理辦法（試行）》和《關(guān)于規(guī)范高分子加固材料使用的通知》規(guī)定，制定施工措施及方案，合理使用高分子材料，特別是要嚴(yán)格控制單孔注漿量并采取有效降溫措施。

2）工作面在停采過程中必須嚴(yán)密監(jiān)測頂板溫度和氣體變化情況，準(zhǔn)確掌握支架頂部煤體氧化及蓄熱狀態(tài)，密集施工降溫鉆孔，實(shí)施注阻化劑、注水等降溫措施，消除頂部破碎煤體的蓄熱環(huán)境。

3）高度重視采煤工作面自然發(fā)火標(biāo)志性氣體異常變化，發(fā)現(xiàn)異常要及時排查原因，并立即采取針對性措施處理，消除隱患。

4）根據(jù)工作面氣體成份和溫度變化情況，合理降風(fēng)，最大程度降低采空區(qū)漏風(fēng)量，實(shí)施頂抽巷封閉抽放的工作面要準(zhǔn)確評估瓦斯抽放效果，根據(jù)工作面氣體情況合理調(diào)配抽放量。

5）末采工作面應(yīng)堅(jiān)持“快采、快停、快撤、快閉”原則，組織充足人員實(shí)施停采撤退封閉工作；停采前編制專項(xiàng)防火技術(shù)措施，做到科學(xué)合理防控。

6）規(guī)范瓦斯抽放在線監(jiān)測系統(tǒng)的管理與維護(hù)，切實(shí)達(dá)到有效監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)火災(zāi)隱患，為治理措施的實(shí)施贏得時間，防患于未然。

6 結(jié)語

通過汲取塔山礦8234工作面采空區(qū)煤炭自燃的事故教訓(xùn)，今后對于特厚煤層綜放工作面停采應(yīng)綜合考慮生產(chǎn)、地質(zhì)、通風(fēng)等因素，合理優(yōu)化停采位置，避開地質(zhì)構(gòu)造等煤體破碎區(qū)域，確保安全高效停采撤退。如遇到地質(zhì)條件變化等特殊情況要重新評估煤層自燃的各種指標(biāo)性參數(shù)，對特殊地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域煤層自燃的各種指標(biāo)性參數(shù)重新進(jìn)行測定，進(jìn)一步完善防滅火方案。同時還需加強(qiáng)與科研院所合作，進(jìn)一步開展防滅火技術(shù)研究，重新評估停采撤退期間自然發(fā)火垂直三帶和水平三帶劃分，探索研究自然發(fā)火標(biāo)志性氣體的可靠性，制定行之有效的停采工作面防火方案，進(jìn)一步強(qiáng)化停采撤退期間防滅火措施。