特厚煤層綜放工作面停采自燃事故分析及對策

張倩

（晉能控股集團同大科技研究院，山西 大同 037003）

塔山礦是核定年產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，由于經歷地質年代久遠，煤層節(jié)理發(fā)育，硬度為1～2，如遇到地質構造時煤層節(jié)理發(fā)育更為充分，煤層硬度值不足0.5。因此，當工作面遇地質構造期間停采時，煤體破碎會造成停采支護困難，通常會采用注入有機高分子粘接材料進行加固［1］，當粘接材料注入量較大時，化學反應會產生大量的熱，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］，汲取教訓和總結經驗。

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”型通風系統(tǒng)，采用三巷布置，即2234進風巷、5234回風巷、8234頂板高抽巷，工作面通風系統(tǒng)如圖1所示。正常生產期間進風量為3 500 m3/min，回風量2 100 m3/min，頂抽巷抽放量為1 450 m3/min。根據(jù)工作面（配風量3 500 m3/min）實測，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?；夭善陂g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，風排瓦斯量3～5 m3/min。8234工作面正?；夭善陂g，采取“一主三輔一保障”的防火技術措施，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 工作面通風系統(tǒng)

2 工作面停采及發(fā)火經過

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，支護采用“錨桿+錨索+金屬網+鋼帶+鋼梁”的聯(lián)合支護方式，停采支護如圖2所示。5月17日完成頂網鋪設工作，5月21日完成幫支護和搬角工作，工作面具備撤退條件。因揭露地質構造帶，工作面頂板破碎，停采支護期間，使用高分子材料（馬麗散）加固頂板，共計使用95 t。

圖2 工作面停采支護

2.2 停采期間防火措施

停采期間，在正常生產期間的防滅火措施基礎上，重點強化了兩種措施：一是加強工作面風量管理，從停采開始，就逐步減風降壓，4月18日到5月14日，前后對工作面風量調整了四次，最終工作面風量調整為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，啟動應急預案，16時0分，作業(yè)人員全部撤離工作面，16時20分，安排準備封閉材料，并由救護隊員現(xiàn)場采取注水降溫等應急處置措施，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進風巷束管（進入采空區(qū)25 m）停采期間CO保持在30～43 ppm之間；5234回風巷束管（進入采空區(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：

一是在有地質構造的地區(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)育有地質構造，工作面停采時間又長達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，化學反應產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，是因為工作面停采期間遇特殊地質構造，頂板破碎，在注入馬麗散后，支架頂部熱量積存，同時停產支護時間長，導致煤體氧化自燃。

4 治理方案

4.1 火區(qū)治理思路

根據(jù)8234火區(qū)遠距離封閉、井下不具備施工措施孔的客觀條件，同時結合該火區(qū)前期已充分惰化，但內部熱量仍未得到有效交換的實際情況，制定了以地面高強度液氮連續(xù)直注降溫冷卻手段為核心，以井下注常規(guī)氮氣措施為基礎的火區(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)進行定向精準撲滅，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，共設計7個注氮孔，鉆孔施工完畢后，注入液態(tài)氮進行發(fā)火點冷卻［6］。液氮直注后進行氣體監(jiān)測，在8234回風巷密閉、8234進風側密閉、高抽巷密閉均設置觀測點，通過取氣樣用色譜儀分析氣樣成分，分析采空區(qū)內O2、N2、CO、CO2、H2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2等氣體的變化情況，根據(jù)監(jiān)測結果，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)復燃，通過現(xiàn)有的注氮系統(tǒng)向8234工作面采空區(qū)注入氮氣［7］。利用2234巷、5234巷及8234頂板高抽巷預埋措施管，對8234工作面采空區(qū)進行連續(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以下，共需注氮239.6萬m3，按1 500 m3/h計算，預計需83天。在此期間，每班對8234工作面兩順槽密閉及采空區(qū)氣體變化情況進行巡查和分析。

5 汲取教訓及防范對策

1）嚴格按照《煤礦安全規(guī)程》、《煤礦井下反應型高分子材料安全管理辦法（試行）》和《關于規(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密監(jiān)測頂板溫度和氣體變化情況，準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，最大程度降低采空區(qū)漏風量，實施頂抽巷封閉抽放的工作面要準確評估瓦斯抽放效果，根據(jù)工作面氣體情況合理調配抽放量。

5）末采工作面應堅持“快采、快停、快撤、快閉”原則，組織充足人員實施停采撤退封閉工作；停采前編制專項防火技術措施，做到科學合理防控。

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

6 結語

通過汲取塔山礦8234工作面采空區(qū)煤炭自燃的事故教訓，今后對于特厚煤層綜放工作面停采應綜合考慮生產、地質、通風等因素，合理優(yōu)化停采位置，避開地質構造等煤體破碎區(qū)域，確保安全高效停采撤退。如遇到地質條件變化等特殊情況要重新評估煤層自燃的各種指標性參數(shù)，對特殊地質構造區(qū)域煤層自燃的各種指標性參數(shù)重新進行測定，進一步完善防滅火方案。同時還需加強與科研院所合作，進一步開展防滅火技術研究，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，進一步強化停采撤退期間防滅火措施。