開灤東露天煤礦防滅火方案的研究

寧保軍

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

0 前言

我國國有煤礦中有56%的礦井存在自然發(fā)火危險，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害之一[1]。煤炭自燃既浪費資源，降低煤炭質量，又污染環(huán)境，而且對礦區(qū)的安全生產(chǎn)構成威脅。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，冬季氣候嚴寒，絕對最低氣溫-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，風力4～5級，最大可達10級。上部地層主要有第四系松散巖類、侏羅系碎屑巖類，結構松散、干燥，孔隙度大，屬典型的散體結構。礦區(qū)內(nèi)控制的西山窯組可采煤層 4 層，從上至下編號為 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號不粘煤為主體的煤類，有少量41號長焰煤及21號不粘煤。煤炭變質程度低，風化程度高，發(fā)火期短，在存儲過程中煤炭極易自燃發(fā)火，各可采煤層的自燃傾向等級均為容易自燃（I）。礦區(qū)首采區(qū)為露天開采，2009年7月剝離開工，目前采場揭露面積0.79km2，平均深度13m，由于淺部煤層開采靠近火燒區(qū)，采場北部低洼處有積水。

2 露天礦煤炭自燃的原因

2.1 煤炭自然發(fā)火機理

露天采場內(nèi)具有自燃傾向性的大量煤炭，長期暴露在空氣中，在地質構造、外界環(huán)境風化及開采震動的影響下，以及煤體中瓦斯、水分的散失，使得煤體十分破碎。這樣，在外界風力、壓力及外界與煤體內(nèi)部之間的自然風壓作用下，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)生煤氧復合作用。煤的吸附性包括表面吸附和化學吸附。表面吸附產(chǎn)生的熱量微不足道，然而化學吸附以及與其相伴隨的煤氧化學反應則可以放出相當多的熱量。由于煤體體積較大，熱量被積聚起來，積聚的熱量反過來加熱煤體，使煤體與空氣之間的氧化反應更加劇烈，煤體溫度不斷上升，當達到煤的著火溫度時，導致煤體自燃發(fā)生。

2.2 東露天煤礦煤炭自燃因素

2.2.1 煤的風化

離地表較近的煤層，經(jīng)受風、雪、雨、露、冰凍、日光和空氣中氧等的長時間作用，使煤的性質發(fā)生一系列不利變化，如發(fā)熱量下降、灰分增加、粘結性消失、強度、塊度下降等，這種現(xiàn)象稱為煤的風化。煤風化的本質是煤的氧化作用過程。東露天礦由于煤層埋藏淺，市場飽和，采場和煤場的煤炭都暴露時間長，風化現(xiàn)象比較嚴重。煤風化后，含氧量增加，腐植酸含量增加，疏松易碎，易自燃。

2.2.2 煤質

東露天煤礦以31號不粘煤為主體煤類，具有高熱值、含油、大多氣化指標較好、中等易碎等特點。煤層頂?shù)装鍘r石中含大量的炭化植物碎片，煤層的成因類型為腐殖煤類。煤的鏡質體反射率在0.36%～0.53%之間，平均0.41%，其變質程度為0～Ⅰ階段，其中主要為0階段，個別為Ⅰ階段。各煤層的煤灰成分均屬硅質灰分類型，煤對二氧化碳的反應能力強，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)強烈，大氣降水少而集中，多風少雨，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流使煤緩慢氧化，使之逐漸升溫，在自燃危險帶內(nèi)聚熱，熱量難以散發(fā)，從而導致自燃。

2.2.4 煤體松散

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

2.2.5 煤炭銷售不暢

新疆準東煤炭市場不景氣，銷售不暢，長時間堆積造成煤炭風化、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

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重要指標。著火溫度可采用兩種方法進行分析，一種方法是TG—DTG法，另外一種是根據(jù)時間與溫度變化曲線進行分析。通過對東露天礦一年中4～8月的采場測溫數(shù)據(jù)進行整理分析，做出了每個月每天各點的溫度變化曲線，另對16個現(xiàn)場取樣樣品進行燃燒試驗，綜合比較得出著火溫度在310℃至360℃之間。煤樣在260℃左右開始發(fā)生不可逆反應，需要在150℃左右作出相應的反應，否則可能短短的幾天內(nèi)就會發(fā)生煤炭的自燃。

3.1.2 監(jiān)測方法

在采場、煤場安裝煤炭溫度監(jiān)測系統(tǒng)，測定不同地點、不同深度的溫度情況，測溫數(shù)據(jù)通過中繼站傳輸至辦公計算機，進行實時監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)溫度超過一定數(shù)值，提前采取預防措施。

3.2 火災的預防措施

3.2.1常規(guī)性預防和管理措施

（1）嚴格加強日常的巡視檢查，每天三次對采場、煤場進行巡視，大風等極端天氣加強巡檢頻率；加強外來人員管理，禁止在礦區(qū)生活區(qū)以外的任何地點吸煙。

（2）每天監(jiān)控采場和煤場溫度，對煤體溫度 （30cm以下）超過60℃，加強監(jiān)測頻率，超過150℃，立即采取降溫措施；對風化嚴重區(qū)域及時清理浮煤。清理浮煤是因為東露天礦的煤炭易風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）以銷定產(chǎn)，嚴格控制庫存，縮短煤炭存儲時間。堆放時間較長的煤炭，及時攤開降溫，并降低出售。

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

3.2.2 儲煤場預防措施

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

（2）建立風障或擋風墻，主要是預防風對自燃的影響，通過建立風障降低風速，在很大程度上降低自燃危險。

（3）煤堆分區(qū)管理，即煤場由多個小煤堆組成，這樣出現(xiàn)險情易于處理。

（4）對煤堆底部周圈進行包膜處理，目的是阻止和削弱煤堆空氣流場的形成，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，用水車運水，即水源—水車—火區(qū)。此方法適合小范圍的煤炭自燃，用水噴滅的燃煤應及時清運走。

3.3.2 挖除火源滅火

用機械設備將發(fā)火煤炭直接剝除運走，從而控制火災的發(fā)展態(tài)勢。此方法適合于消滅火根淺、面積小、水不易到達的火區(qū)，燃煤排棄后要進行掩埋處理。

3.3.3 隔離帶滅火

隔離帶法就是切斷火區(qū)與周圍可燃物的聯(lián)系，防止火區(qū)蔓延的方法，可通過鏟車清除一定塊段范圍內(nèi)的煤炭，用戈壁料、砂石等封堵隔開來實現(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沉積的漿液，待漿液發(fā)生凝結，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

對于已經(jīng)發(fā)生大面積火災的煤炭，經(jīng)過噴水及清除后，必須選擇安全地點集中存放，采用隔絕空氣掩埋法[3]，防止引起二次火災，造成建筑物、設備和人員傷亡。做法是：在火區(qū)上部覆蓋黃土、軟質凝灰?guī)r等阻火的細碎物料并碾壓，達到隔絕氧氣、滅火的目的。存放地點周圍要打柵欄，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 結語

通過研究，提出了露天礦煤炭自燃發(fā)火的預防措施和滅火措施，能在很大程度上抑制采場和儲煤場的煤炭自燃，創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟效益，確保礦山的安全生產(chǎn)。露天礦煤炭的防滅火工作是一項系統(tǒng)工程。在進行露天礦的設計、制定作業(yè)計劃和生產(chǎn)時，應綜合考慮煤炭的自燃因素，做到超強預防。同時，還要有足夠的投入和嚴格的管理制度，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，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采技術措[J].中國煤炭，1995(8)：42-43.

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