煤田火区下采煤工作面安全开采影响程度分析_崔杰.pdf

第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 煤田火区下采煤工作面安全开采影响程度分析 崔杰 1， 2， 王 伟 1， 2 （1.煤科集团沈阳研究院有限公司， 辽宁 抚顺 113122； 2.煤矿安全技术国家重点实验室， 辽宁 抚顺 113122） 摘要 针对黄白茨煤矿 021205 工作面上覆 7-1 （Ⅲ） 煤田火区的治理现状， 开展煤田火区下采 煤工作面的安全开采影响分析。 通过分析 021205 工作面与上覆 7-1 （Ⅲ） 煤田火区的位置关系以 及各煤层之间的相互间距等因素， 结合经验公式和 “三下” 采煤计算公式计算 021205 工作面回 采时垮落带和断裂带的最大高度。结果表明 021205 工作面回采不会受到 7-1 （Ⅲ） 煤田火区明 火的威胁， 也不会受到 7-1 （Ⅲ） 煤田火区有毒有害气体的侵入， 但是为确保 021205 工作面以及 其他备采工作面的安全回采， 仍需对周边采空区进行监测， 对 7-1 （Ⅲ） 煤田火区进行治理。 关键词 采空区； 煤田火区； 垮落带； 断裂带； 自然发火 中图分类号 TD752.2文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 08-0213-03 Influence Degree Analysis of Safety Mining of Coal Face Under Coalfield Fire Area CUI Jie1,2, WANG Wei1,2 （1.China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute Co., Ltd., Fushun 113122, China; 2.State Key Laboratory of Coal Mine Safety Technology, Fushun 113122, China） Abstract Aiming at the current status of 7-1 （Ⅲ）coal field fire area in Huangbaici Coal Mine 021205 working face, the safety mining impact analysis of coal mining face under the coal field fire area was carried out. By analyzing the positional relationship between 021205 working face and overburden 7-1 （Ⅲ）coal field fire zone and the mutual distance between the coal seams, the empirical ula and the“three-under”mining calculation ula are used to calculate the maximum height of the fall zone and the fracture zone of 021205 working face during mining. It was concluded that 021205 working face will not be threatened by open flames in 7-1 （Ⅲ）coal field fire zone, and will not be invaded by toxic and harmful gases in 7-1 （Ⅲ）coal field fire zone. However, in order to ensure the safe mining of 021205 working face and other mining-ready working faces, it is still necessary to monitor the surrounding goaf and control 7-1 （Ⅲ）coalfield fire area. Key words goaf; coalfield fire zone; caving zone; fracture zone; spontaneous combustion 我国是煤田火区比较严重的国家之一，煤田火 直接威胁到煤田火区下采煤工作面的安全开采[1]， 煤田火还会产生大量 CO、 CO2、 SO2等有毒有害气体 和颗粒物， 对生态环境造成极其严重的破坏[2-5]。煤 田火的存在严重影响我国煤炭资源的可持续发展， 积压煤炭无法安全采出，因此煤田火区下工作面安 全开采影响分析研究显得尤为重要。 1工作面概况 黄白茨煤矿 021205 工作面位于 1212 采区南翼 区域， 北为 1212 轨道上山， 南为五虎山井田边界， 西 为 021203 运输巷， 东为 021207 回风巷， 上部对应为 021005 工作面、 020905 采空区、 020907 采空区， 上覆 7-1 （Ⅲ） 煤田火区。工作面标高为998～1 021 m， 对应地面标高为1 215～1 266 m。 021205 工作面所采煤层厚度 3.59～4.64 m， 平 均厚度 3.9 m， 煤层倾角 5～6， 煤层结构较为复杂， 煤层中含 5 层厚度大于 0.05 m 的夹矸， 其中煤层上 矸厚度 0.4～1.3 m， 中矸厚度 0.2 m， 三矸厚度 0.30～ 0.50 m， 其余夹矸厚度为 0.05～0.15 m， 煤层厚度变 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.08.045 崔杰， 王伟.煤田火区下采煤工作面安全开采影响程度分析 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （8） 213-215， 219. CUI Jie, WANG Wei. Influence Degree Analysis of Safety Mining of Coal Face Under Coalfield Fire Area ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （8） 213-215, 219.移动扫码阅读 213 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 化较大。 021205 工作面所采煤层为 12煤层， 属自燃 煤层， 自然发火期为 4～6 个月。煤尘具有爆炸危险 性， 爆炸指数为 33.8。 2煤田火区概况 根据调研及矿井提供的相关资料显示， 021205 工作面上覆 7-1 （Ⅲ） 煤田火区位于井田东部， 面积 约 17.3 万 m2。主要燃烧煤层为 2、 4、 7煤层。7-1 （Ⅲ） 火区下部有 021005 工作面、 021205 工作面。 2011 年年底， 曾对 7-1 （Ⅲ） 火区进行了治理， 治 理方式为地面钻孔注液氮， 共施工钻孔 35 个， 注入 液氮 1 789.98 t。2013 年 4 月底， 对 7-1 （Ⅲ） 火区地 表进行了现场踏勘，火区对应地表存在较多裂隙， 部分裂隙内存在冒烟现象， 且冒烟位置多。 2013 年 5 月黄白茨煤矿对 7-1 （Ⅲ） 火区地表施工 4 个钻孔， 并对 4 个钻孔注黄沙和水泥浆封孔。2014 年 5 月初 地表观测没有冒烟现象， 但裂隙较多。 针对现场实际， 黄白茨煤矿对 7-1 （Ⅲ） 火区对 应地表裂隙进行沙土覆盖，封堵漏风通道，并对煤 田火区进行了探测。对 7-1 （Ⅲ） 火区采用以同位素 测氡法为主，以红外线测温法为辅，结合电磁法进 行验证的综合探测方法。根据多种方法综合研究分 析， 研究区内共划分 5 个火区， 火区面积共计 0.19 km2。根据红外线测温法解释的异常区范围， 研究区 内高温异常区主要集中在 3 个大区域，分别位于研 究区的中部， 西北部和东部。7-1 （Ⅲ） 煤田火区对下 部 021205 工作面的安全开采构成威胁。 3火区对 021205 工作面安全开采影响 3.1工作面与火区位置关系 021205 工作面与 7-1 （Ⅲ） 煤田火区的位置关系 示意图如图 1。 021205 工作面上部存在 020905 采空 区、 020907 采空区和 021005 工作面。 021205 工作面附近地质钻孔编号为 94-1 号钻 孔，根据 94-1 号煤田钻孔柱状图， 7煤层厚度为 2.05 m， 距离地表约 106 m， 7煤层距 9煤层 （厚度 为 3.25 m） 78 m， 距 10煤层 （厚度为 2.25 m） 82 m， 距 12煤层 （厚度为 3.94 m） 115 m。9、 10煤层倾角 均为 5， 属近距离煤层群开采煤层， 9煤层与 10煤 层间距在南翼为 0～2 m， 北翼为 2～24 m； 12煤层倾 角为 6， 10层与 12层间距为 35～40 m。 3.2工作面上覆岩层垮落带及断裂带 工作面上覆岩层的垮落带与断裂带高度与岩层 的岩性、 工作面采高、 煤层倾角、 采煤工艺等因素密 切相关[6]。 021205 工作面回风巷道基本顶为粉砂岩， 厚度为 10.58～15.85 m， 以石英为主， 少量长石， 夹有 黄铁矿薄膜植物化石， 致密坚硬性脆， 进风巷道基本 顶为砂质泥岩， 厚度为 2.55～4.55 m， 以泥质为主次 为砂质，含云母及完整的植物叶化石。工作面的直 接顶和直接底均为泥岩， 以黏土为主， 少量粉砂， 夹 有黄铁矿薄膜植物化石， 质坚硬性脆。 3.2.1垮落带高度 垮落带是指工作面回采后引起的煤层上覆岩体 完全垮落的那部分岩层。该层岩石具有不规则性、 碎胀性和密实度差的特征，是影响顶板再生和垮落 岩块不能隔水的重要原因[7]。021205 工作面顶底板 岩性以泥岩为主， 根据垮落带最大高度经验公式， 工 作面上覆岩层垮落带的高度取采高的 3～4 倍[8-9]。 021205 工作面采高 3.9 m，则垮落带高度为 11.7～15.6 m。020905 工作面和 020907 工作面采高 2.6 m， 则垮落带高度为 7.8～10.4 m。 3.2.2断裂带高度 在顶板岩石自由垮落后，垮落带上方的岩层继 续下沉弯曲，当期弯曲超过本身强度时，将产生裂 隙， 以致断裂。这一过程逐层向上发展， 直到上覆岩 层整体下沉弯曲为止， 这部分称为断裂带[10]。 断裂带 和垮落带之间没有明显的分界线，均属于破坏性影 响区[11]。 断裂带高度计算公式[9]见表 1。 9煤层与 12煤层顶板覆岩的岩性均以软弱岩 为主， 9煤层采空区断裂带最大高度和 12煤层采 图 1021205 工作面与 7-1 （Ⅲ） 火区的位置关系示意图 Fig.1Sketch map of position relationship between working face 021205 and 7-1 Ⅲ fire area 214 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 空区断裂带最大高度分别为 24、 31 m。9、 12煤层 采空区断裂带最大高度示意图如图 2。 3.2.3 垮落带和断裂带与上覆煤田火区关系 1 ） 从垮落带高度计算结果可知， 021205 工作面 回采时， 上覆岩层垮落最大高度 15.6 m， 小于 12煤 层与 10煤层间的距离（29.9 m） ；9煤层上覆岩层 垮落最大高度 10.4m， 远小于 9煤层与 7-1 （Ⅲ） 火 区间的距离 （82 m） ， 表明 7-1 （Ⅲ） 火区明火不会窜 入 021205 工作面。 2） 从断裂带高度计算结果可知 根据 94-1 号煤 田钻孔资料， 021205 工作面回采时，上覆岩层断裂 带高度最大为 31 m，大于 12煤层与 10煤层间距 （29.9 m） ， 由于 021005 工作面未开采， 因此 021205 工作面开采时不会与 10煤层有裂隙沟通，开采 9 煤层时上覆岩层断裂带高度最大为 24 m，小于 9 煤层与 7-1 （Ⅲ） 火区间距 （82 m） ， 断裂带顶部距离 7煤层底板约 58 m， 且根据 94-1 钻孔的地质资料， 7煤层与 9煤层之间存在较厚的泥质页岩， 会抑制 煤层采动后上部覆岩裂隙的发育高度，因此当 021205 工作面回采时， 7-1 （Ⅲ） 煤田火区有毒有害 气不会侵入到 021205 工作面。 3.3021205 工作面邻近采空区气体 021205 工作面邻近采空区为 021203 采空区， 上部 021005 工作面尚未回采。 根据黄白茨煤矿束管 监测数据，在 021203 工作面开采过程中未发现 CO 气体，采空区内也未检测到 CO 气体，因此， 当 021205 工作面开采时， 不会受到上部 7-1 （Ⅲ） 火区 的有毒有害气体的影响。 4结语 1） 021205 工作面回采不会受到 7-1 （Ⅲ） 煤田火 区明火的威胁。 021205 工作面回采时， 7-1 （Ⅲ） 火区 有毒有害气体不会侵入到 021205 工作面。 2） 受工作面的重复采动、 煤田火区燃烧层位的 变化以及地震等自然因素的影响，裂隙会进一步发 育，与正在回采工作面沟通，造成有毒有害气体入 侵工作面的可能性，因此 021205 工作面回采时， 仍 需对 021205 工作面采空区进行连续监测， 并制定相 应的技术措施。 3） 为确保 021205 工作面的安全回采， 仍需要对 周边的 020905 采空区、 020907 采空区和 021203 采 空区的进风、 回风密闭进行监测， 以便对有害气体入 侵工作面及时预警。 4） 由于 7-1 （Ⅲ） 煤田火区不仅影响 021205 工 作面的安全回采， 还可能影响备采 021005 工作面的 回采， 因此需要对 7-1 （Ⅲ） 煤田火区进行治理， 控制 煤田火区的蔓延。 参考文献 ［1］ 邓军， 肖旸， 张辛亥.煤火灾害防治技术的研究与应用 表 1断裂带高度计算公式 Table 1Calculation ula of fracture zone height 岩性计算公式之一计算公式之二 坚硬 （40～80， 石英 砂岩、 石灰岩、 砂质 页岩、 砾岩 ） 中硬 （20～40， 砂岩、 泥质灰岩、砂质页 岩、 页岩 ） 软弱 （10～20， 泥岩、 泥质砂岩 ） 极软弱（＜10,铝土 岩、风化泥岩、 黏 土、 砂质黏土 ） Hli 100ΣM 1.2ΣM2.0 8.9 Hli 100ΣM 1.6ΣM3.6 5.6 Hli 100ΣM 3.1ΣM5.0 4.0 Hli 100ΣM 5.0ΣM8.0 3.0 Hli30ΣM■10 Hli20ΣM■10 Hli10ΣM■5 注 Hli为断裂带高度， m； ΣM 为累计采煤厚度， m。 图 29、 12煤层采空区断裂带最大高度示意图 Fig.2Sketch map of the maximum height of the fracture zone in the goaf of 9and 12coal seams （下转第 219 页） 215 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 ［J］ .煤矿安全， 2012， 43（S1） 58-61. ［2］ 樊新杰， 曹代勇， 时孝磊， 等.内蒙古西部乌达矿区煤 层自燃的控制因素 ［J］ .地质通报， 2006， 25 （4） 487. ［3］ 齐俊德.宁夏煤田火灾的危害及综合治理研究 ［J］ .能 源环境保护， 2007 （2） 37-40. ［4］ Liang Yanci, Liang Handong, Zhu Shuquan.Mercury e－ mission from coal seam fire at Wuda, Inner Mongolia, China ［J］ . 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