背斜區(qū)域窄煤柱沿空掘巷煤層自燃機(jī)理及防治

金明方 廉 潔 姚小帥

（義馬煤業(yè)集團(tuán)股份有限公司 地質(zhì)研究所，河南 義馬 472300）

煤炭自燃是一種特殊的自然災(zāi)害，它不僅浪費(fèi)資源，還對自然環(huán)境造成破壞[1]。義安礦業(yè)主采二1煤層為不易自燃煤層，一般而言難以發(fā)生自燃（義安背斜以外區(qū)域從未發(fā)生過自燃事故），但在義安背斜區(qū)域內(nèi)，由于構(gòu)造運(yùn)動的構(gòu)造熱在一定程度上改變了煤質(zhì)，使其具有了煤層自燃傾向；背斜特殊的幾何形態(tài)又有利于熱量的聚集，加之背斜軸部由于彎流作用產(chǎn)生的巨厚煤層，為煤層自燃提供了有利的條件[2]。目前普遍應(yīng)用的窄煤柱沿空掘巷技術(shù)不但能夠提高保護(hù)層的采出率和企業(yè)效益，還能有效地增加被保護(hù)層的被保護(hù)范圍[3]，但其缺點(diǎn)是易導(dǎo)致煤層自身塑性破壞，引起節(jié)理、裂隙發(fā)育，甚至破碎，造成漏風(fēng)供氧，引發(fā)自燃事故，帶來了巨大經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患[4-5]。因此，開展背斜軸部區(qū)域內(nèi)窄煤柱沿空掘巷煤層自燃的研究，可以有效地指導(dǎo)生產(chǎn)，避免安全事故的發(fā)生。

1 工作面概況

洛陽義安礦業(yè)有限公司（下稱義安礦業(yè)），系煤與瓦斯突出礦井，主采煤層二1煤屬于豫西“三軟煤層”，埋深超過600m，煤質(zhì)松軟，局部煤層變化大。根據(jù)該礦生產(chǎn)地質(zhì)報告，二1煤為不易自燃煤層。但是，在12080工作面回采結(jié)束后，該工作面的大巷保護(hù)煤柱發(fā)生了煤層自燃。而隨后掘進(jìn)的12090工作面軌道順槽（臨12080工作面沿空掘巷）在掘進(jìn)過程中也發(fā)生了自燃事故。由于本礦建礦十余年來未曾發(fā)生過自燃事故，導(dǎo)致該事故處理較為被動。

12090工作面軌道順槽為窄煤柱沿空掘巷，留設(shè)煤柱1.5m。該工作面在掘進(jìn)至開口向里400m處由于煤層較厚且松軟，發(fā)生冒頂事故，處理后繼續(xù)掘進(jìn)30m沿空掘巷結(jié)束，按照規(guī)定開拓底板巷，致使12090軌道順槽停止掘進(jìn)1年。2017年5月，該巷道察覺有異常熱源、回風(fēng)溫度高和有害氣體含量上升的情況，在對異常區(qū)域進(jìn)行排查和鉆探后證實(shí)2#火點(diǎn)位置（冒頂位置）發(fā)生煤層自燃。

圖1 12090工作面火點(diǎn)位置圖

2 2#著火點(diǎn)煤層自燃誘因分析

2.1 背斜對煤層自燃的影響

根據(jù)三維地震勘探成果和現(xiàn)場實(shí)際揭露情況可以發(fā)現(xiàn)，本礦12采區(qū)中部分布著一個小區(qū)域性的背斜，控制工作面8～10個，命名為義安背斜。該背斜軸部寬緩，位于12080工作面中部，與12090工作面軌道順槽距離較近。

（1）義安背斜控制煤厚對煤層自燃的影響

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際揭露情況分析，義安背斜軸部煤層較厚，最厚處近17m，向兩翼逐漸變薄至3m左右（圖2），屬于彎流作用形成的縱彎褶皺。煤層在彎流作用下由兩翼向軸部流動，造成軸部形成巨厚煤層。厚煤層氧化可產(chǎn)生更多的熱量，而其本身就是良好的蓋層，可以控制更多的熱量聚集，更容易發(fā)生煤層自燃事故。

（2）背斜構(gòu)造運(yùn)動改變煤質(zhì)及煤體結(jié)構(gòu)對煤層自燃的影響

不易自燃煤層頻繁發(fā)生自燃現(xiàn)象，在礦井其他條件相似的地區(qū)卻未發(fā)生自燃，說明該區(qū)域內(nèi)煤層煤質(zhì)發(fā)生了變化，使其一定程度上具有了煤層自燃傾向。背斜構(gòu)造運(yùn)動會產(chǎn)生構(gòu)造熱，在這一過程中有可能改變了煤層煤質(zhì)，使小區(qū)域范圍內(nèi)煤層具有自燃傾向。

背斜區(qū)域內(nèi)煤層在彎流作用下流動，煤層會形成大量的流劈理和破劈理，增加了煤體的孔隙度和比表面積，使煤體吸納氧氣的能力大大增強(qiáng)。同時，煤巖層的彎曲必然引起層內(nèi)各部質(zhì)點(diǎn)的相對變位和應(yīng)變，產(chǎn)生節(jié)理、破碎帶或劈理，成為煤層的供氧通道，更有利于煤層自燃事故的發(fā)生。

圖2 12090軌道二1煤層等厚線圖

（3）背斜構(gòu)造形態(tài)對煤層自燃的影響

縱彎褶皺是受到橫向的擠壓應(yīng)力作用而產(chǎn)生彎曲變形。特別是對于背斜而言，其頂部在應(yīng)力作用下易形成旋轉(zhuǎn)剪節(jié)理，增加了氧氣和水的通道。

圖3 背斜節(jié)理發(fā)育示意圖

而背斜獨(dú)特的構(gòu)造形態(tài)可以使煤層氧化自熱從兩翼向軸部流動，并在頂部有效地聚集，使煤層產(chǎn)生高溫，更有利于煤層的自燃。

圖4 背斜形態(tài)對煤層自燃的影響

2.2 厚煤層窄煤柱沿空掘巷對煤層自燃的影響

（1）氧氣對煤層自燃的影響

窄煤柱留設(shè)有利于提高回采率和增加被保護(hù)層的保護(hù)范圍，但易導(dǎo)致煤體力學(xué)性質(zhì)的變化，形成裂隙甚至煤層破碎而導(dǎo)通采空區(qū)，特別是對大埋深、高地應(yīng)力的厚煤層而言，更加易于產(chǎn)生漏氣通道供氧，若通風(fēng)量穩(wěn)定在某一合理范圍，使氧化自熱大于散失的熱量，則有利于煤層發(fā)生自燃。

（2）水對煤層自燃的影響

對于變質(zhì)程度較高的干燥煤體而言，吸收一定量的水分會釋放出大量的濕潤熱，有利于煤層熱量的聚集。二1煤層為中高硫貧煤，硫份為3%，主要硫礦物為黃鐵礦，易氧化形成三氧化二鐵及三氧化硫并釋放大量熱，三氧化硫在水的參與下會形成強(qiáng)氧化劑硫酸并釋放大量熱，有利于煤層自燃。

二1煤層頂板為大占砂巖，系承壓裂隙含水層，富水性極不均一，因此，在沿空掘巷遇到采空區(qū)涌水量適中的情況下，水的參與可以加速煤層的自燃。

3 煤層防滅火對策

3.1 粘土漿直接滅火

在發(fā)現(xiàn)煤層自燃時利用水直接滅火，會迅速產(chǎn)生大量水蒸氣形成“蒸汽幕”，阻止空氣進(jìn)入燃燒區(qū)，并能稀釋燃燒區(qū)氧的濃度，減弱燃燒強(qiáng)度[6]，但水被蒸發(fā)后不能形成有效的保護(hù)膜“滯留”在火區(qū)內(nèi)，會使滅火效果大減。因此特別是針對沿空掘（留）巷或采空區(qū)，如果摸清了火源的準(zhǔn)確位置，可采用粘土漿直接滅火。采用粘土漿直接滅火不但能夠形成“蒸汽幕”減少氧化劑，同時能夠在自燃煤層表面形成粘土層，有效隔絕空氣，同時還可以封堵煤體中的裂隙，阻斷供氧通道，提高滅火效果。采用粘土漿滅火的鉆孔終孔位置必須在火源的上方，否則無法達(dá)到應(yīng)有的效果。

3.2 隔絕氧氣通道

煤層自燃最重要的因素就是氧氣，因此控制供氧通道是防滅火的最重要途徑。在沿空掘巷過程中，若出現(xiàn)片幫、冒頂現(xiàn)象，特別是在地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域內(nèi)（例如背斜軸部），必須對片幫、冒頂區(qū)域進(jìn)行注漿（膠），以防長時間接觸空氣或構(gòu)成供氧通道發(fā)生自燃。對煤巷實(shí)施全斷面噴漿也可以有效地減少巷道漏風(fēng)現(xiàn)象，同時對相鄰采空區(qū)進(jìn)行封閉，對進(jìn)回風(fēng)兩側(cè)進(jìn)行堵截。對于沿空掘巷中已經(jīng)發(fā)生自燃或高溫的煤體，可在其對應(yīng)的采空區(qū)注入粘土漿，填實(shí)采空區(qū)，阻斷氧氣通道。

3.3 改善煤層抗燃性能

窄煤柱沿空掘巷由于巷道支護(hù)工藝、地質(zhì)條件差異，特別是厚煤層區(qū)域，在滅火的時候往往無法徹底撲滅火點(diǎn)。本次的2#著火點(diǎn)就出現(xiàn)了火點(diǎn)轉(zhuǎn)移，進(jìn)行了二次滅火。所以對于高溫或火點(diǎn)，為了防止反復(fù)自燃或自燃向其他區(qū)域延伸，可以對自燃點(diǎn)進(jìn)行注化肥等阻化劑進(jìn)行阻燃改造，或?qū)χ瘘c(diǎn)進(jìn)行帷幕注漿（阻燃劑），阻止火區(qū)擴(kuò)散。

4 結(jié)論

（1）不易自燃的煤層在特殊的地質(zhì)構(gòu)造條件下有可能發(fā)生自燃，特別是針對背斜軸部高硫厚煤層窄煤柱沿空掘巷，應(yīng)提高對煤層自燃事故的重視并按照易自燃煤層進(jìn)行管理。

（2）根據(jù)12090軌道順槽沿空掘巷段的滅火經(jīng)驗(yàn)，采取粘土漿直接滅火、巷道全斷面噴漿、采空區(qū)封閉注漿填實(shí)和帷幕注漿改造四位一體防滅火方案，可以有效地防治煤層自燃事故。