某矿上覆采空区自然发火现状与防治措施

李 跃

(山西焦煤霍州煤电集团吕临能化有限公司， 山西 吕梁 033200)

1 前言

某煤矿位于陕西省榆林市神木县北部，该矿区井田内揭露的地层为中生代含煤岩系，包含上三叠统永坪组、中下侏罗统延安组、中侏罗统直罗组、第三系上新统三趾马红组及第四系。该矿区总体呈现大单斜层，在此基础上发育宽缓的波状起伏。发育正断层5条，断距在10～70m之间，倾角55°～80°，未发现逆断层。

该矿地形北东高，西南低，大气降水后，雨水除渗入地下外，沿沟谷径流到乌兰木伦河。

从北往南主要水系为考考赖沟、石圪台沟、柳根沟、糖浆渠沟，均自东向西流入井田西界乌兰木伦河，南汇入黄河，这些沟流均属于排泄地下水为主的沟谷类型，沟谷内流量较为稳定。地表水受季节性影响较大，一般每年3月至9月为丰水期，冬春之交为枯水期。该矿的含水层的水为新生界松散层孔隙潜水、中生界碎屑岩类裂隙潜水和承压水。

该矿可采煤层总厚度5.67～18.56m，平均为13.84m，厚煤层多位于煤矿中南部，厚度16～18m；薄煤区两处，分别在煤矿北境和东南处，厚度在10m以下，最小厚度5.67m，其余区段可采煤层累计厚度在11～15m。煤质主要以亮煤和暗煤为主，镜煤和丝炭次之，煤岩类型主要为半亮型和半暗型煤。煤质多呈黑色、条痕褐黑色，暗淡的沥青光泽，局部为油脂光泽，丝绢光泽。性脆、内生裂隙较为发育，节理中常充填黄铁矿和方解石薄膜，条带状结构，层状构造，挥发率平均值为34.57%～35.87%，发热量为27.10～28.22MJ/kg，具有中- 高发热量和特低- 低灰、特低- 低硫、特低磷和低燃点等特点，是优质的动力用煤。

该矿井采用斜井- 平硐- 立井联合开拓布置方式，工作面均采用走向长壁后退式综合机械化采煤方法，一次采全高，全部垮落法控制顶板。采用中央分列式通风，通风方法为抽出式。矿井绝对瓦斯涌出量为7.53m3/min，相对瓦斯涌出量为0.33m3/t，属瓦斯矿井。

该矿井的主采煤层12煤、22煤、31煤，煤层自然倾向等级属Ⅰ类，属容易自然发火煤层，发火期一般为1～3个月。22煤为Ⅱ 类自然发火煤层，自然发火周期3～6个月，且主采煤层都具有煤尘爆炸危险性。

2 采空区自然发火现状及发火原因

该矿井周边有众多小煤矿，多为已关闭或者报废矿井，小煤矿主要开采上组煤(12上、12、22上、22煤层)，大多存在自然发火的迹象。

该矿31煤某工作面上覆岩层是某小煤矿已采的22煤的采空区(房柱式开采)，22煤与31煤层间距31～41m(平均35m)。该矿31煤开采后，受采动影响，31煤某工作面的后方采空区与上覆某小煤矿已采的22煤的采空区容易形成沟通裂隙，容易形成了漏风通道。

31煤层某工作面在回采过程中，曾出现瓦斯异常升高现象，经漏风测定，通过小煤矿井口观测，瓦斯浓度最高曾达8 129ppm(1ppm=10-6)，C2H4浓度最高曾达125ppm，在通过小煤矿出风井口观测孔采集气样分析，瓦斯浓度呈稳定下降趋势，瓦斯浓度已降至69～259ppm。可以得出，由于采动的影响，上下采空区彼此连通，31煤某工作面后方的采空区与上覆小煤矿已采的22煤的采空区之间存在漏风通道，漏风方向为小煤矿已采的22煤的采空区向该矿31煤某工作面后方采空区涌动。

这是由于该矿现开采的31煤某工作面上覆为某小煤矿已采的22煤的采空区，小煤矿采用房柱式开采，每采5 m留设5 m煤柱，采空区内留有大量煤柱。房采采空区顶板不易冒落，仅局部范围存在顶板垮落，采空区漏风通道畅通。31煤层与22煤层平均间距为35 m，受31煤采动影响，上下煤层之间形成直通地表的连通裂隙，同时使22煤采空区煤柱遭到破坏，局部形成堆积浮煤，且浮煤经采空区放水疏干后吸氧量增加，22煤采空区存在自燃危险。尤其是工作面推过集中煤柱时可能造成切顶压架，导致工作面停采时间过长，采空区破碎煤柱长期漏风供氧条件下更易发生自然发火，进而威胁31煤工作面安全回采。未来三年内，31煤二盘区其余工作面与该工作面开采条件相同，小煤矿22煤已采的采空区有毒有害气体对工作面安全开采构成威胁。

3 采空区防火措施

1) 上覆小煤矿采空区气体监测

每三天由专人对留有观测孔的上覆小煤矿井口密闭内气体进行取气分析，全面掌握上覆小煤矿采空区内气体变化趋势[1]。

2) 地表裂隙封堵

定期检查上覆小煤矿井口密闭情况，发现封堵不严实的井口及时处理。对上覆小煤矿地表进行排查，找寻漏风裂隙，采用人工封堵的方式进行地表裂隙封堵。

3) 地面打钻注浆构筑隔离带

在地表沿上覆小煤矿的采空区保护煤柱向22煤上覆小煤矿的采空区打钻进行注浆(钻孔距保护煤柱3m位置)，浆液沿着上覆小煤矿采空区保护煤柱向南流动堆积，封堵漏风通道。在22煤上覆小煤矿采空区保护煤柱处与其南侧的小煤矿采空区之间构筑一条砂浆隔离带，消除上覆小煤矿采空区内瓦斯气体对31煤二盘区回采过程中的威胁[2]。

4) 应急均压措施

考虑上覆小煤矿采空区气体的运移受多种因素影响的复杂性，为防止有害气体的异常涌出，将均压措施作为工作面的应急防灭火技术方案。工作面回采前，将均压系统建设完毕，确保系统可以随时启用。

工作面回采时，若回风流中瓦斯浓度不超过24ppm时，不启用均压措施。当回风流中瓦斯浓度超过24ppm，并呈上升趋势，经判定瓦斯来源于小煤矿采空区时，启用均压措施[3]。

5) 注氮惰化采空区

该矿31煤某工作面回采前通过探放水孔排放至采空区水量400万m3，随后注氮411万m3，随着该工作面的回采，氮气有一定量的流失，在31煤二盘区其余工作面回采时，必须对采空区进行氮气补充。工作面开采过辅巷已施工观测孔50m时，利用观测孔对采空区进行注氮惰化。

4 结论

通过以上的分析，可以看出，该矿工作面自然发火的原因是由于工作面的回采，受采动的影响，工作面后方的采空区与上覆小煤矿已采煤层的采空区裂隙沟通，使得上覆已采煤层采空区的瓦斯向该矿采空区涌动，使得该工作面后方采空区容易产生自然发火的现象。因此对该矿工作面上覆小煤矿采空区发火区进行剥挖处理，彻底消除小煤矿采空区发火区对矿井威胁。同时当地面施工注浆钻孔困难的时候，采用井下巷道打上向钻孔进行注浆。