特厚煤层综放工作面停采自燃事故分析及对策

张倩

（晋能控股集团同大科技研究院，山西 大同 037003）

塔山矿是核定年产25.00 Mt的特大型井工矿，主要开采煤层为C3#-5#特厚煤层，煤层厚度8.5～24.7 m，煤种为1/3焦煤和气煤，自燃倾向性为Ⅱ类自燃，最短发火期天数为83天。C3#-5#特厚煤层为合并煤层，由C3#、C4#、C5#三层煤合并组成，中间夹矸7～8层，由于经历地质年代久远，煤层节理发育，硬度为1～2，如遇到地质构造时煤层节理发育更为充分，煤层硬度值不足0.5。因此，当工作面遇地质构造期间停采时，煤体破碎会造成停采支护困难，通常会采用注入有机高分子粘接材料进行加固［1］，当粘接材料注入量较大时，化学反应会产生大量的热，为煤层自燃创造了蓄热条件［2］。以塔山矿8234工作面停采期间发生的煤层自燃事故为例，通过事故分析并提出防范对策［3］，汲取教训和总结经验。

1 工作面概况

塔山矿C3#-5#层8234工作面可采走向长1 435 m，倾向长260 m，煤层平均厚度11.9 m，煤层平均倾角2°，采用综采放顶煤开采工艺，采高3.8 m，采放比1∶2.1。工作面为“U+I”型通风系统，采用三巷布置，即2234进风巷、5234回风巷、8234顶板高抽巷，工作面通风系统如图1所示。正常生产期间进风量为3 500 m3/min，回风量2 100 m3/min，顶抽巷抽放量为1 450 m3/min。根据工作面（配风量3 500 m3/min）实测，采空区最大自燃带宽度为120 m。工作面于2020年10月开始回采，正常回采期间绝对瓦斯涌出量30～35 m3/min，工作面主要采用顶抽巷封闭抽放方式治理瓦斯，顶抽巷抽排瓦斯量25～30 m3/min，风排瓦斯量3～5 m3/min。8234工作面正常回采期间，采取“一主三辅一保障”的防火技术措施，具体为：主要措施采用连续注氮，注氮量为2 400 m3/h；辅助措施一为端头封堵，封堵间隔为10～15 m，二为喷洒阻化剂，喷洒量为1.5 t/d，三为地面注浆，处于热备用状态；保障性措施为束管连续监测。

图1 工作面通风系统

2 工作面停采及发火经过

2.1 工作面停采情况

工作面于2021年4月21日开始停采，并施工回撤巷道，支护采用“锚杆+锚索+金属网+钢带+钢梁”的联合支护方式，停采支护如图2所示。5月17日完成顶网铺设工作，5月21日完成帮支护和搬角工作，工作面具备撤退条件。因揭露地质构造带，工作面顶板破碎，停采支护期间，使用高分子材料（马丽散）加固顶板，共计使用95 t。

图2 工作面停采支护

2.2 停采期间防火措施

停采期间，在正常生产期间的防灭火措施基础上，重点强化了两种措施：一是加强工作面风量管理，从停采开始，就逐步减风降压，4月18日到5月14日，前后对工作面风量调整了四次，最终工作面风量调整为1 340 m3/min、抽放量354 m3/min；二是头尾端头同时加大注氮量，增加到了5 000 Nm3/h以上。

2.3 发火经过

2021年5月21日15时40分，井下汇报工作面61#～62#支架间后摆梁破碎煤体出现明火，工作面高温明火区域如图3所示。随即矿方安排撤人，启动应急预案，16时0分，作业人员全部撤离工作面，16时20分，安排准备封闭材料，并由救护队员现场采取注水降温等应急处置措施，5月22日10时30分，工作面临时封闭完成。

图3 工作面高温明火区域

2.4 工作面气体变化情况

2234进风巷束管（进入采空区25 m）停采期间CO保持在30～43 ppm之间；5234回风巷束管（进入采空区27 m）停采期间CO在24～85 ppm之间波动；8234顶板高抽巷CO浓度逐步上升，5月17日开始明显上升，5月21日升至211 ppm；工作面停采期间，两顺槽束管、顶抽巷束管及人工化验数据均未发现乙烯、乙炔等重碳烃气体。工作面CO浓度变化曲线如图4所示。

图4 工作面CO浓度变化曲线

3 事故原因分析

鉴于现场发现工作面61#～62#支架间后摆梁上方有高温明火，认为这是一起煤炭自燃事故，自燃原因有两方面：

一是在有地质构造的地区，煤的自燃危险性加剧，即自然发火期会缩短；而8234面停采区域发育有地质构造，工作面停采时间又长达30天，这是原因之一［4］。

二是在工作面停采期间，向顶板破碎区大量注马丽散，化学反应产生热积蓄可能引燃支架顶部或采空区煤体，这在多个矿井都发生过，这是另一个原因［5］。

综合来说，是因为工作面停采期间遇特殊地质构造，顶板破碎，在注入马丽散后，支架顶部热量积存，同时停产支护时间长，导致煤体氧化自燃。

4 治理方案

4.1 火区治理思路

根据8234火区远距离封闭、井下不具备施工措施孔的客观条件，同时结合该火区前期已充分惰化，但内部热量仍未得到有效交换的实际情况，制定了以地面高强度液氮连续直注降温冷却手段为核心，以井下注常规氮气措施为基础的火区治理总体思路。

4.2 地面液氮直注

液氮直注可直接对火区进行定向精准扑灭，8234火区封闭前，现场火情范围初步判断为端头2#～64#架间，倾向总长接近120 m，同时考虑到液氮直注钻孔的降温冷却有效半径为10 m左右，因此为确保火区冷却效果，共设计7个注氮孔，钻孔施工完毕后，注入液态氮进行发火点冷却［6］。液氮直注后进行气体监测，在8234回风巷密闭、8234进风侧密闭、高抽巷密闭均设置观测点，通过取气样用色谱仪分析气样成分，分析采空区内O2、N2、CO、CO2、H2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2等气体的变化情况，根据监测结果，判断火区变化情况。

4.3 采空区连续注氮

连续注氮可以有效降低采空区氧气含量，防止火区复燃，通过现有的注氮系统向8234工作面采空区注入氮气［7］。利用2234巷、5234巷及8234顶板高抽巷预埋措施管，对8234工作面采空区进行连续注氮，初步考虑通过注氮将8234工作面两顺槽及切眼以里150 m范围氧浓度降到灭火指标以下，共需注氮239.6万m3，按1 500 m3/h计算，预计需83天。在此期间，每班对8234工作面两顺槽密闭及采空区气体变化情况进行巡查和分析。

5 汲取教训及防范对策

1）严格按照《煤矿安全规程》、《煤矿井下反应型高分子材料安全管理办法（试行）》和《关于规范高分子加固材料使用的通知》规定，制定施工措施及方案，合理使用高分子材料，特别是要严格控制单孔注浆量并采取有效降温措施。

2）工作面在停采过程中必须严密监测顶板温度和气体变化情况，准确掌握支架顶部煤体氧化及蓄热状态，密集施工降温钻孔，实施注阻化剂、注水等降温措施，消除顶部破碎煤体的蓄热环境。

3）高度重视采煤工作面自然发火标志性气体异常变化，发现异常要及时排查原因，并立即采取针对性措施处理，消除隐患。

4）根据工作面气体成份和温度变化情况，合理降风，最大程度降低采空区漏风量，实施顶抽巷封闭抽放的工作面要准确评估瓦斯抽放效果，根据工作面气体情况合理调配抽放量。

5）末采工作面应坚持“快采、快停、快撤、快闭”原则，组织充足人员实施停采撤退封闭工作；停采前编制专项防火技术措施，做到科学合理防控。

6）规范瓦斯抽放在线监测系统的管理与维护，切实达到有效监测，及时发现火灾隐患，为治理措施的实施赢得时间，防患于未然。

6 结语

通过汲取塔山矿8234工作面采空区煤炭自燃的事故教训，今后对于特厚煤层综放工作面停采应综合考虑生产、地质、通风等因素，合理优化停采位置，避开地质构造等煤体破碎区域，确保安全高效停采撤退。如遇到地质条件变化等特殊情况要重新评估煤层自燃的各种指标性参数，对特殊地质构造区域煤层自燃的各种指标性参数重新进行测定，进一步完善防灭火方案。同时还需加强与科研院所合作，进一步开展防灭火技术研究，重新评估停采撤退期间自然发火垂直三带和水平三带划分，探索研究自然发火标志性气体的可靠性，制定行之有效的停采工作面防火方案，进一步强化停采撤退期间防灭火措施。