煤礦撫順西露天礦坑內(nèi)平峒開(kāi)采消防火綜合治理

摘要：本文通過(guò)對(duì)撫順西露天礦坑內(nèi)平峒開(kāi)采特有自然發(fā)火因素的研究，總結(jié)了一套地面與井下聯(lián)合防治措施，有效地控制了礦井的自然發(fā)火，保證了平峒的安全生產(chǎn)

關(guān)鍵詞：平峒開(kāi)采 消防火 注漿 漏風(fēng)

撫順西露天煤礦自1914年開(kāi)采以來(lái)，已形成了一個(gè)東西長(zhǎng)6.6千米，南北寬2.2千米，垂直深度達(dá)400米，礦坑面積11平方千米的露天礦坑，共生產(chǎn)煤炭4.6億噸。隨著煤炭可采儲(chǔ)量的減少，為了維持正常生產(chǎn)規(guī)模，解放呆滯煤量，挖掘潛力，在露天礦開(kāi)采境界外石油一廠保護(hù)線以南，布置了一個(gè)東西1000米，南北50~60米開(kāi)采工作面，開(kāi)采高度7.5米。在開(kāi)采過(guò)程中，由于受南順槽距邊坡較近、舊巷、采空區(qū)漏風(fēng)、采區(qū)上部?jī)?nèi)排自然發(fā)火等影響，平峒采區(qū)自然發(fā)火十分嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了平峒采區(qū)的安全生產(chǎn)，已成為平峒采區(qū)的重大安全生產(chǎn)隱患。

一、 平峒采區(qū)地層

1、地層

油母頁(yè)巖賦存于老第三系地層中，位于主采煤層本層煤（第一層）之上綠色頁(yè)巖之下，走向近東西，長(zhǎng)約5.2公里，傾向北，平均傾角30^ο左右，真厚由34~149米不等，平均厚度116米，撫順油母頁(yè)巖屬中等品位礦石。油母頁(yè)巖層下部為貧礦，厚度30米左右，上部為富礦。

2、地質(zhì)構(gòu)造

西露天礦礦田位于撫順煤田西部，為一不對(duì)稱的向斜構(gòu)造，軸向近東西，礦田西部向斜封閉，局部巖層形成倒轉(zhuǎn)。礦田內(nèi)共有六個(gè)較大的斷層。除F1和F6近南北走向外，余者均近東西走向。一號(hào)逆斷層位于向斜北翼，六號(hào)斷層將撫順煤田從中部攔腰截?cái)?，成為東西露天礦的天然分界線。

二、平峒采區(qū)可燃物燃燒機(jī)理及自燃特點(diǎn)的分析研究

撫順西露天煤礦平峒采區(qū)可燃物主要是油母頁(yè)巖和煤、矸石。下面就這兩種可燃物的燃燒機(jī)理和自燃特點(diǎn)進(jìn)行分析研究。

1、油母頁(yè)巖燃燒機(jī)理和自燃特點(diǎn)

（1）、油母頁(yè)巖燃燒機(jī)理

按照油母頁(yè)巖氧化復(fù)合學(xué)說(shuō)，其自燃發(fā)火是本身低溫氧化的結(jié)果,自燃發(fā)火過(guò)程則受其產(chǎn)生的氧化熱與傳導(dǎo)熱和對(duì)流形成的熱擴(kuò)散之間平衡狀況的制約。因此，油母頁(yè)巖的含油率、粒度、供氧條件以及周圍的濕度、溫度等對(duì)其自燃發(fā)火都有影響。

（2）、油母頁(yè)巖自燃特點(diǎn)

油母頁(yè)巖中含有大量的烷類物質(zhì)，氧化性強(qiáng)，水分含量大，排棄堆積后孔隙率增高，松散系數(shù)達(dá)1.5，固有水份迅速蒸發(fā)，烷類結(jié)構(gòu)內(nèi)部吸附氧氣的能力增強(qiáng)，進(jìn)而發(fā)生低溫氧化，氧化產(chǎn)生的熱量逐漸積聚，促使內(nèi)部溫度升高，當(dāng)達(dá)到一定溫度時(shí)就自燃發(fā)火。

2、煤、矸石燃燒機(jī)理和自燃特點(diǎn)

煤或煤矸石的燃燒機(jī)理與油母頁(yè)巖的燃燒機(jī)理基本相同。其自燃特點(diǎn)是：

撫順西露天煤礦的煤變質(zhì)程度較低，煤中的“化學(xué)活性分子團(tuán)”數(shù)量大，氧化性強(qiáng)，水分含量較大。排棄堆積后，透氣性及與空氣的接觸面積明顯增大。其氧化發(fā)熱速度快，自燃發(fā)火性強(qiáng)。

油母頁(yè)巖和雜煤的自燃具有明顯的季節(jié)性，主要發(fā)生在秋、冬、春三季，風(fēng)較大的枯水時(shí)期。其階序?yàn)榕艞壎逊e→水份蒸發(fā)→吸附氧氣→氧化→聚熱→升溫自燃。

3 、平峒采區(qū)可燃物自燃發(fā)火過(guò)程和原因

（1）、油母頁(yè)巖的物理、化學(xué)性質(zhì)

油母頁(yè)巖是由粉砂、砂質(zhì)粘土及有機(jī)質(zhì)C、O、H、N、S、P等元素組成的巖石，硬度低、性脆，極易風(fēng)化，風(fēng)化后顏色變淺。新鮮油母頁(yè)巖投入爐中或取薄片以火柴燒之發(fā)出黃色濃煙及瀝青臭。在其加熱過(guò)程中，因有機(jī)質(zhì)受熱分解，氫做為游離氫或氫的化合物溢出，成為揮發(fā)份的主要成份，其揮發(fā)份產(chǎn)率與含油率成正比例關(guān)系。低溫干餾時(shí)溫度控制在510℃，油產(chǎn)出率最高。其質(zhì)量密度與含油率成反比例關(guān)系，富礦密度小于貧礦，自燃發(fā)火期隨著含油率的增加而縮短。油母頁(yè)巖工業(yè)分析、元素分析詳見(jiàn)表1、表2。

油母頁(yè)巖工業(yè)分析

表1

品名

水份

（%）

灰份

（%）

揮發(fā)份

（%）

發(fā)熱量

（千卡/千克）

富礦

2.76

72.5

18.32

1510

貧礦

2.34

80.6

9.83

455

油母頁(yè)巖元素分析

　　　　　　　　　　　　　　　　　　表2　

品名

C（%）

H（%）

O（%）

N（%）

P（%）

富礦

13.9

2.33

3.65

0.51

0.32

貧礦

5.30

1.27

3.70

0.31

0.05

（2）、煤的物理、化學(xué)性質(zhì)

西露天礦的煤種是長(zhǎng)焰煤和氣煤一號(hào)，自燃傾向性高，發(fā)火周期短，揮發(fā)份高達(dá)47%，發(fā)熱量高達(dá)7500－7806千卡/千克。炭化程度低，水份較多，使其風(fēng)化粉碎性增強(qiáng)，吸氧面積增大，氧化速度加快。煤的工業(yè)分析和元素分析詳見(jiàn)表3、表4。

煤工業(yè)分析

表3

煤 質(zhì)

牌 號(hào)

水份

（%）

灰份

（%）

揮發(fā)份

（%）

發(fā)熱量

（千卡/千克）

長(zhǎng) 焰 煤

5.19

8.31

47.25

7500

氣煤一號(hào)

3.14

6.73

46.23

7806

煤元素分析

表4

煤 質(zhì)

牌 號(hào)

C

（%）

H

（%）

N

（%）

S

（%）

膠質(zhì)層厚度

長(zhǎng) 焰 煤

78

5.57

1.46

0.52

4

氣煤一號(hào)

80.5

5.97

2.57

0.64

11

（3）、油母頁(yè)巖的自燃發(fā)火過(guò)程和原因

初級(jí)階段：為初級(jí)氧化階段。由于油母頁(yè)巖巖體被破碎成

巖塊，破壞了其原來(lái)的整體密封性。使大氣中的氧與其表面能充分接觸，并與其中的可燃物質(zhì)發(fā)生氧化作用，結(jié)果使排棄物料內(nèi)部溫度升高。

蒸餾階段：油母頁(yè)巖本身含有石油成分，而石油成份主要由烷類物質(zhì)組成，由于排棄物料內(nèi)部溫度升高，產(chǎn)生蒸餾現(xiàn)象，使石油成份變成石油蒸氣，當(dāng)達(dá)到500℃以上時(shí)就開(kāi)始燃燒。

燃燒階段：油母頁(yè)巖一經(jīng)燃燒，便加快了其自身蒸餾，使其燃燒越來(lái)越劇烈。在不充分供氧燃燒時(shí)，會(huì)產(chǎn)生出大量有害氣體。

（4）、煤或煤矸石的自燃發(fā)火過(guò)程和原因

煤矸石和雜煤隨剝離物排棄到排土場(chǎng)后，含碳礦物表面吸附氧氣，生成不穩(wěn)定的氧化產(chǎn)物，同時(shí)放出少量熱能。此時(shí)，煤的化學(xué)活性增強(qiáng)，燃點(diǎn)下降，這是潛伏期。

隨著含碳礦物的氧化速率緩慢上升，不穩(wěn)定的氧化產(chǎn)物分解出H2O、 CO2、 CO等，氧化過(guò)程產(chǎn)生的熱量不斷積聚，使排土場(chǎng)內(nèi)溫度會(huì)有所上升，這是自熱期。

當(dāng)溫度達(dá)到煤的臨界溫度(90℃)以上時(shí)，氧化速度會(huì)呈指數(shù)倍數(shù)增加，溫度也隨之加速增高，進(jìn)入加速氧化期。

排土場(chǎng)的溫度達(dá)到300℃－500℃時(shí)，便進(jìn)入自燃期。

綜上所述，平峒采區(qū)可燃物自燃發(fā)火必須具備三個(gè)條件：⑴可燃物必須具備低溫易氧化的特性，而且以破碎狀態(tài)存在。⑵必須具備連續(xù)供氧的條件。只有連續(xù)供氧，可燃物的氧化才能不斷進(jìn)行，不斷產(chǎn)生熱量。⑶可燃物氧化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量易聚難散，也就是說(shuō)，其發(fā)熱速度大于散熱速度。這樣才能使溫度不斷升高，達(dá)到其燃點(diǎn)而發(fā)生自燃。

這三個(gè)條件，缺少其中一個(gè)條件可燃物的自燃都不會(huì)發(fā)生。所以，在研究平峒采區(qū)消、防火技術(shù)和實(shí)施消、防火方案時(shí)，切入點(diǎn)就是破壞可燃物發(fā)生自燃的條件，才能有效消滅和防止可燃物的自燃。

三、平峒采區(qū)特有自然發(fā)火因素及地面與井下聯(lián)合防治

根據(jù)影響平峒采區(qū)自然發(fā)火因素采取以下四個(gè)方面措施：

1、受邊坡影響

從平峒巷道系統(tǒng)的形成到試生產(chǎn)階段的全過(guò)程來(lái)看，受邊坡較近因素影響的地點(diǎn)只有三處：

1） 南順第二聯(lián)絡(luò)道（W200m）處，由于與南幫距離為7～10米，上覆為剝離排棄物（貧礦與綠土），此處出水溫度高于其它地點(diǎn)，在30度左右，沒(méi)有CO、C₂H₄等發(fā)火氣體產(chǎn)生，為防止出現(xiàn)發(fā)火，對(duì)該處采取了防治措施：

（1）巷壁打鉆孔高壓注水注漿；

（2）地面打垂直孔進(jìn)行注漿，鉆孔布設(shè)在排土場(chǎng)，鉆孔深度100米以上均為回填物，為了順利成孔，減少鉆孔孔壁磨擦，減小扭距，采取Φ146開(kāi)孔，下Φ127、Φ108、Φ89套管成孔工藝，高壓旋噴注漿；

（3）在該處安設(shè)CO探頭進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，出現(xiàn)險(xiǎn)情立即采取控制措施。

（4）一旦此處險(xiǎn)情較大，可以將該段進(jìn)行下對(duì)門(mén)子封閉，對(duì)目前的通風(fēng)系統(tǒng)沒(méi)有影響。

2） 南順W458m處南幫：由于該處與原東副斜井正穿，南幫與煤層露頭近，曾出現(xiàn)發(fā)火征兆，經(jīng)多次下河砂封閉此處隱患得到根治，目前狀態(tài)穩(wěn)定。

3）南順W600m（第三聯(lián)絡(luò)道以西）處：該處由于距離邊坡近（7m左右），曾出現(xiàn)高溫現(xiàn)象，對(duì)該處進(jìn)行巷壁注漿，地面鉆孔注漿等有效措施，該處發(fā)火隱患得到根治，目前狀態(tài)穩(wěn)定。

南順從整體上看離邊坡較近，但除上述三個(gè)地點(diǎn)曾出現(xiàn)一定的發(fā)火征兆外，其它地點(diǎn)一直比較穩(wěn)定。

2、受舊巷影響

從采區(qū)準(zhǔn)備過(guò)程中揭露的舊巷情況看，已遇見(jiàn)的舊巷有二條：一條為東副斜井，向北傾斜，傾角為25度，該巷道的未揭露部分在工作面的底板以下，巷道的下部為積水，上部已進(jìn)行充填處理，無(wú)漏風(fēng)的可能。另一條在掘進(jìn)開(kāi)切眼時(shí)遇見(jiàn)，巷道在工作面底板以下，局部冒頂充填的河砂在開(kāi)切眼中出現(xiàn)，工作面向前推進(jìn)后，舊巷跡象消失。

3、采空區(qū)漏風(fēng)影響

由于工作面距離地表較淺，當(dāng)采空區(qū)冒落后，上覆巖層的破壞，導(dǎo)致采空區(qū)存在一定的漏風(fēng)，平峒的開(kāi)采過(guò)程已經(jīng)證實(shí)了這一點(diǎn)，為此采取了如下措施：

1）地面采空區(qū)上方向采空區(qū)內(nèi)打鉆孔下河砂、粉煤灰及注水等對(duì)采空區(qū)進(jìn)行防火處理；

2）工作面上下端頭每推進(jìn)10米進(jìn)行封堵，封堵的長(zhǎng)度不小于5米；

3）工作面架間打套管下河砂進(jìn)行封堵，每隔2個(gè)架子打一個(gè)套管，套管長(zhǎng)度在5米左右，對(duì)架后進(jìn)行充填河砂處理；

4）向采空區(qū)內(nèi)注氮?dú)膺M(jìn)行防火處理。從老虎臺(tái)礦接設(shè)10km管路至平峒工作面，對(duì)采空區(qū)注氮，氮?dú)饬靠刂圃?00～1000m³/h，使采空區(qū)內(nèi)溫度降低，氧氣含量下降，對(duì)抑制浮煤氧化，減少有害氣體的產(chǎn)生起到重要作用。

5）在回風(fēng)順槽的端頭處設(shè)置預(yù)埋管，當(dāng)采面推進(jìn)5～10米時(shí)，通過(guò)預(yù)埋管向采空區(qū)內(nèi)灌漿，防止自然發(fā)火。通過(guò)采取上述措施，采空區(qū)內(nèi)自然發(fā)火問(wèn)題可以得到有效控制。

4、內(nèi)排發(fā)火的影響

內(nèi)排發(fā)火產(chǎn)生的缺氧的有害氣體順采空區(qū)裂隙大量涌入采空區(qū)內(nèi)，對(duì)于這一問(wèn)題采取如下措施：

1）、對(duì)淺部上部?jī)?nèi)排進(jìn)行打鉆注漿，防治內(nèi)排發(fā)火隱患；

2）、加強(qiáng)內(nèi)排管理，嚴(yán)格控制內(nèi)排巖種比例，確保綠土與其它巖種的比例在1：1以上以達(dá)到完全隔絕氧氣的目的。同時(shí)，采取注入粉煤灰漿或鋪干粉煤灰層措施進(jìn)一步防治內(nèi)排發(fā)火。

3）、嚴(yán)格控制采高，強(qiáng)制放頂減少采空區(qū)的積氣空間，減少供氧通道。

四、結(jié)論

平峒采區(qū)自然發(fā)火雖然客觀存在，但我們對(duì)平峒采區(qū)存在的自然發(fā)火因素采取了一系列切實(shí)可行的防治措施，如：建立和完善防滅火注砂、注漿及注氮?dú)庀到y(tǒng)，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行注砂封堵和注氮隔絕，防止浮煤氧化；對(duì)邊坡漏風(fēng)采取地面打鉆注漿和井下打鉆注砂、注漿及注羅克休封堵，減少漏風(fēng)，防止煤炭自燃；在采取上述措施的同時(shí)，又采取均壓通風(fēng)技術(shù)減少采空區(qū)及南順邊坡的漏風(fēng)；這些措施的實(shí)施，有效地控制了礦井的自然發(fā)火，保證了平峒采區(qū)的安全生產(chǎn)。

作者簡(jiǎn)介：肖平，1970- 高級(jí)工程師，1992年畢業(yè)于原阜新礦業(yè)學(xué)院，現(xiàn)撫順礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司西露天礦從事地質(zhì)、防排水設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)管理工作。 所在單位 撫順礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司