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试论对综放采空区隐蔽火源点防治新技术 王艳军（赵庄煤矿通风管理部 ） 摘要煤炭自燃是具有自燃倾向性的煤在有适宜的供氧量、 有蓄热氧化 环境和时间的条件下发生的物理化学变化的结果。该文针对目前综放采空 区各种防灭火技术与材料存在的不足， 分析了综放面煤层自燃火灾特点， 并 对三相泡沫的组成、 特点、 发泡机理、 及防治采空区煤炭自燃机理等几方面 进行了阐述和分析。 关键词煤炭自燃防灭火三相泡沫 1问题的提出 煤层自燃火灾是矿井主要灾害之一， 严重威胁着煤矿人员安全 以及造成重大经济损失。全国煤矿中有 56的矿井存在煤层自然 发火的危险， 在已开采过的 220 个综放工作面中发生了 182 次自燃 火灾事故。 煤层自燃火灾成为制约高产高效矿井安全生产与发展的 主要因素之一。 2综放采空区煤层自燃火灾特点 综放工作面采用后退式开采，“U”型通风方式，实行无煤柱开 采， 采场进风巷及采空区与邻近采空区已封闭连成一片， 构成比较 复杂的漏风型式，采场的内部漏风与煤炭自燃有着密切的联系， 直 接影响着采空区氧化 “三带” 的分布， 具体表现如下 2.1 大多数煤层都具有自燃倾向性，且由于综放工作面的单产 高， 走向长度较大， 有的工作面目前已超过 2000m， 工作面回采时间 均超过煤层的最短自燃发火期， 煤体在空气中的暴露时间较长。 2.2 综放开采时， 采空区丢煤比较多， 这些浮煤呈破碎状态， 为 采空区自燃火灾的发生提供了条件。 2.3 自燃火灾大都发生在距暴露面一定深度的中部， 这里漏风强 度适中， 风速慢， 氧气浓度适宜， 易满足煤的自燃条件而形成自燃高温 点， 且采空区遗煤的氧化带与自燃带一般在工作面的 30m 之后。 2.4 综放开采工作面两端头的顶煤难以回收， 两端头丢失的顶 煤冒落后堆积。 在没有相邻界采、 空区时， 综放面的漏风为采空区的 小并联漏风。综放工作面两端头是采空区漏风的源与汇， 这两处的 漏风均比较大。 2.5 综放面本面顺槽、 切眼、 停采线自燃危险性较大。综采工作 面巷道沿煤层底板掘进， 通常顶部留有几米厚一般大于 3m的顶 煤， 在掘进动压及相邻采煤工作面回采动压影响下， 顶煤受压而破 碎、 离层， 区段煤柱也被压酥， 在掘进过程中， 还经常出现顶煤冒落， 支护后， 在棚网上堆积了一定量的松散浮煤。 3当前主要采用的防灭火技术及评述 随着煤炭工业的高速发展， 煤层自燃火灾治理技术取得了显著 的成绩。目前国内外防灭火技术主要常采用预防性灌浆技术、 阻化 剂技术、 注水技术、 惰性气体技术等， 在某些条件下也采用堵漏技 术、 凝胶技术等。 在 20 世纪 50 年代， 灌浆技术成为我国煤矿防灭火手技术的主 要手段， 并且一直沿用到今天。所谓的预防性灌浆技术就是指将水 和灌浆材料按适当的比例混合， 配制成一定浓度的浆液， 经过铺设 的输浆管路利用自然压差或泥浆泵送到可能发生煤炭自燃的区域， 以防止自然火灾的发生。 阻化剂技术在美国、 波兰、 前苏联等国家得 到了较好的应用； 近些年来， 阻化剂技术在我国也得到推广应用。 该 技术主要是让水溶液附着在易被氧化的煤体表面， 惰化煤体表面的 活性结构， 阻止煤与氧气的接触的作用。 近年来， 凝胶技术在我国得 到较广泛应用。凝胶分为无机凝胶和高分子凝胶两大类， 其防灭火 机理是凝胶通过钻孔或煤体裂隙进入高温区， 其中一部分未成胶时 在高温下水分迅速汽化， 快速降低煤表面温度， 残余固体形成隔离 层， 阻碍煤氧接触而进一步氧化自燃； 而流动的部分混合液随着煤 体的温度的升高， 在不远处及煤体孔隙里形成胶体， 包裹煤体， 隔绝 氧气， 使煤氧化、 放热反应终止； 干涸的胶体还可以降低原煤体的孔 隙率， 使得通过的空气量大大减少， 从而抑制复燃。 4三相泡沫防灭火新技术 4.1 三相泡沫的组成及特点 防治煤炭自燃的三相泡沫由固态 不燃物粉煤灰或黄泥等、 惰性气体N2和水三相防灭火介质组成。 三相泡沫集固、 液、 气三相材料的防灭火性能于一体， 利用粉煤灰或 黄泥的覆盖性、 氮气的窒息性和水的吸热降温性进行防灭火， 大大 提高了防灭火效率。由于三相泡沫发泡倍数较高， 单位体积的泡沫 材料成本大幅下降， 具有较高的经挤效益。 与现有的防灭火技术及材料相比， 三相泡沫兼有一般注浆方法 和惰气泡沫防灭火的优点。泥浆通过注入氮气发泡后形成三相泡 沫， 体积大幅快速增加， 并在采空区中可向高处堆积， 对低、 高处的 浮煤都能覆盖， 能够避免注入的浆体从底部流失； 注入在采空区的 氮气被封在泡沫之中， 能较长时间滞留在采空区中， 充分发挥氮气 的窒息防灭火功能。三相泡沫中含有粉煤灰或黄泥等固态物质， 这 些固态物质是三相泡沫面膜的一部分， 可较长时间保持泡沫的稳定 性， 即使泡沫破碎了， 具有一定粘度的粉煤灰或黄泥仍然可较均匀 地覆盖在浮煤上， 可持久有效地阻碍煤对氧的吸附， 防止煤的氧化， 从而有效地防治煤炭自然发火，这是三相泡沫防灭火性能的优越 性。 4.2 三相泡沫防治煤炭自燃的机理 采空区煤体发生自燃， 应 服从四面体的概念， 即煤、 氧气、 热量、 链反应的 4 要素缺一不可。 通 过对要素中任何一个要素的切断控制， 都会阻止煤炭自燃。三相泡 沫技术可以同时对煤炭自燃的 4 个要素进行控制， 因此防治煤炭自 燃的效果显著。 4.2.1 封堵采漏风通道与煤体裂隙， 包裹煤体， 隔绝煤氧结合。 对于综放面采空区而言， 大量浮煤是普遍存在的， 因此必须采取措 施隔绝煤氧结合， 降低煤氧相互作用的机会。三相泡沫中的固体不 燃物粉煤灰或黄泥， 恰恰是针对这种特性， 封堵采空区漏风通道与 煤体裂隙， 包裹煤体， 阻止氧气进入， 隔绝煤氧结合， 极大地降低了 煤氧反应中的煤与氧的浓度，从而大大降低反应速率和放热速率， 达到防治煤炭自燃的目的。 4.2.2 对于已有升温趋势的煤， 具有吸热降温作用。 若煤体与周 围环境的温度升高， 活动分子和活化能就会增加， 煤氧分子的化学 反应速率和放热速率就会加快。 煤炭自燃的诱因之一是由于煤的自 然氧化产生的热量聚集。温度上升的速度既取决于反应产热量， 又 取决于周围环境的散热条件。在采空区一般仅存在漏风小通道， 散 热条件较差， 易于形成热量积聚。 当产热速率大于散热速率时， 采空 区内将迅速聚集大量热量， 随即温度上升， 化学反应速度加快， 同时 产生更多的热量， 造成恶性循环， 直至引发煤炭自燃。 4.2.3 润湿煤体， 阻化煤体自燃。为防治煤炭自燃， 需降低煤氧 化放热速率。由于使用的发泡剂是由几种表面活性剂复配而成， 一 方面， 发泡剂本身就是一种很好的阻化剂， 能有效地阻止煤体官能 团的产生和自由基的链式反应，对煤的自燃有很好的阻化效果； 另 一方面， 水均匀的分散在煤体上， 也是一种非常好的阻化剂。 4.2.4 降低采空区氧气浓度， 抑制煤的氧化， 窒息自燃的煤体。 若采空区中氧气浓度过高，则化学反应速率和放热速率就会增大。 因此， 在必要时， 需要降低其区域内的氧气浓度。 5结束语 综上所述， 我国的矿井防灭火技术与手段， 确实有了较大的发 展与提高。 但应看到， 目前发火形势依然严峻， 还需要继续不断地完 善和提高防治技术水平， 研究和开发创新技术与手段， 以便从根本 上改变煤矿煤自燃火灾的不利形势。此外， 还要有足够的投入和严 格的管理。 各矿必须清醒地认识到这一点， 给予极大的重视。 只有舍 煤矿天地煤矿天地 177 煤矿天地煤矿天地 摘要全面细致地交换分析两井边界采区地质、 测量、 水文资料， 是降低 各类开采风险的重要技术保证；该文通过对井田边界地质及水文地质条件 进行分析， 作出了其未采区开采风险预测， 并提出了降低开采风险的相关对 策与建议。 关键词井田边界断层风险预测 1煤系地层特征 井田煤系地层为二迭系， 厚约 800m， 其下统山西组、 下石盒子 及上统上石盒子组为主要含煤地层， 含煤 40 余层， 已定名 34 层， 自 下而上分 A、 B、 C、 D、 E 五个含煤组。下部 A、 B、 C 三组为开采对象， 含可采与局部可采煤层 13 层， 总厚度 22.95m， 含煤系数 5.47 ， 其中 C13、 B11b、 B9b、 B7b、 B4b、 A1 为本区主采煤层。含煤地层岩 性主要由细～粗砂岩、 粉砂岩、 砂质泥岩、 泥岩、 铝土岩、 煤层等组 成， 属河湖相沉积建造。 2井田边界地质构造特征 井田构造复杂，自西向东发育的主体构造有 F3- 4、 F4、 F5等一系 列高角度同倾斜切正断层，煤岩层走向受断层牵引作用而西扭， 尤 其在 F5断层附近， 受构造张扭作用煤层走向变化更大， 形成宽缓褶 曲构造。断层发育特征 ①F3- 4、 F4、 F5均为正断层， 属张扭力学性质， 断层带内充填有角砾岩及断层泥等。 ②断层走向与煤层走向斜切夹 角在 38～45之间， 断层面陡立， 倾角 70以上， 与煤层同倾， 落差向深部增大。③三条主断层间距近乎均等，沿煤层走向间隔 240m 左右， 近似平行展布。④断层组合型式为阶梯状， 走向上由西 向东煤层逐级抬升。⑤旁侧次生断层极其发育， 对开采影响很大。 3井田边界水文地质特征 3.1 第四系冲积层流砂层含水层及 “天窗” 区 第四系冲积层不 整合覆盖于煤系地层之上，总厚 15～38m，自上而下可分为表土 层、 流砂层及泥灰岩三层结构。流砂层厚 5～11m， 孔隙度 32.73～ 35.16 ， 给水度 26 ， 单井涌水量 q0.69～3.42L/s.m， 渗透系数 k3.09～17.73m/d， 结构松散为地下水所所饱和， 富水性强， 水位标 高 15～18.5m， 属孔隙承压含水层。泥灰岩厚 0～16m， 直接覆盖 于煤系地层之上， 由西向东厚度变薄至尖灭， 由南向北逐渐增厚， 岩 性复杂， q0.001～0.029L/s.m， k0.002～0.45m/d， 属弱透水或不 透水层， 为水体下采煤的良好隔水层。 3.2 煤系地层砂岩富水性 煤系地层隐覆于第四系地层之下， 基岩面标高 5～- 24m，其中 C13、 B11b、 B9b、 B4b、 A2 五个煤层 顶板砂岩为脉网状裂隙含水层， 富水性受控于裂隙发育程度， 不同 块段差异很大。 3.3 太原群灰岩含水层 太原群地层总厚约 120m， 含薄～厚层 状灰岩 10～12 层， 厚约 56m， 为矿井直接充水含水层， 富水性受岩 溶发育程度控制。 按其层间距自上而下分为 C3- Ⅰ、 C3- Ⅱ、 C3- Ⅲ三 大组， 其中第一组中的 C33 上、 C33 下两层灰岩较厚且赋存稳定， 为主 要含水层位。第一层灰岩 C31与 A1 煤层法距 17.0～24.8m， 按淮南 矿区临界突水系数 0.05Mpa/m 计算， A1 煤层底板隔水层可承压 0.85～1.24Mpa。 4开采风险预测 4.1 断层风险 断层是地壳运动引起岩层变形、断裂直至发生 明显位移的地质现象， 使地层失去连续性， 其规模取决于构造应力 大小、 煤岩层组合特征及物理力学性质等因素。该边界采区共发育 F3- 4、 F4、 F5三条张扭性高角度斜切正断层， 落差大， 切割煤层多， 主 断层旁侧走向 100m 范围内次生断层极其发育。 根据区内两个矿开 采资料统计， 在 F3- 4至 F5断层间走向 500m 左右的范围内实见落差 0.8m 以上的次生断层 25 条， 跳压开采 11 次。 这些次生断层造成煤 层的频繁变薄断失， 顶底板岩性破碎， 巷道压力大， 极易产生顶板事 故， 同时也是水、 煤与瓦斯突出等灾害发生的诱因， 因此断层是开采 风险最大的地质因素。 4.2 水害风险 ①本区各煤层露头全部位于河流下，尤其是 B9b～C13 煤层露头处在面积达 3.1 万 m2的第四系新地层 “天窗” 区下， 丰富的流砂层水直接通过 “天窗” 补给 B9b、 B11b、 C13 老顶 砂岩含水层， 因此这三层煤采掘时的顶板出水风险最大， 并已被以 往开采证实。据统计， 此顶板砂岩水量大于 5.0m3/h 以上的出水次 数高达 14 次， 其中以 B9b 顶板砂岩出水量最大达 86.4m3/h。②大 量发育的张扭性斜切正断层， 既是储水空间， 又是导水通道， 从实际 揭露看， 其含水导水性较弱， 但一旦被采掘应力激活后仍然可能好 展成为良好的导水通道。③受 F5大断层的切割和位移， 该矿开采的 断层上盘 A1 煤层与下盘 A1 底板太原群第三层灰岩含水层 C33对 接， 这就加大了灰岩突水的风险。 4.3 煤与瓦斯突出风险 该采区内 C13、 B9b、 B7b、 B4b、 A1 为 突出煤层， 影响煤与瓦斯突出的三个主要指标是地应力、 瓦斯潜能、 煤的物理力学性质， 前两者更具决定性。 ①根据矿井成果资料及实际 开采情况，该区 - 200～- 530m 水平间的瓦斯含量 C13 为 2.29～ 8.64m3/t、 B9b 为 9.78 ～13.91m3/t、 B7b 为 7.64 ～13.73m3/t、 B4b 为 6.35～11.94m3/t、 A1 为 2.39～10.2m3/t， 较相邻采区瓦斯含量偏 低， 这主要是因为一系列张扭性正断层切割煤系地层， 导致瓦斯沿构 造裂隙通道获得一定程度的渗透逸散， 瓦斯潜能相应释放， 但随着埋 深的增加各煤层瓦斯含量仍增势明显，其中以 A1 煤层瓦斯含量增 幅最快， 这预示了向深部煤与瓦斯突出危险性不断加大。 ②本区煤与 瓦斯突出的最大风险因素是局部应力集中。 由于本区断层发育， 采空 区众多，断层附近存在残余构造应力，采空区边界附近存在高应力 区， 使煤层处于强挤压状态， 有利于构造煤的形成和发育， 因此断层 附近和采空区附近的高应力区突出危险最大。如该矿东四采区 A1 煤层在距 F5断层 50m 之外自 - 400m 向下施工开切下山时， 预测指 标频频严重超标， 因突出危险太大被迫停掘。 4.4 资源风险 基于边界采区复杂而特殊的地质及水文地质条 件和以往的开采历史， F3- 4、 F4、 F5主构造面旁侧的次生断层多， 顶板 水害威胁大， 丢采、 弃采、 跳采现象极为普遍， 采区及工作面回采率 低，根据断层格局和水害威胁程度可以预测， C13～B7b 煤层在 F3- 4～F5断层间约占采区 35的资源风险较大，而 B4b、 A1 及 F3- 4 断层以西各煤层资源风险较小。 5结论和建议 ①全面细致地交换分析两井边界采区地质、 测量、 水文资料， 是 降低各类开采风险的重要技术保证。②呈台阶状组合、 平行状展布 的 F3- 4、 F4、 F5主控断层是产生该边界采区高开采风险的最本质原 因。 ③第四系新地层泥灰岩 “天窗” 区及大量断裂构造的存在是本区 顶板砂岩水害频发的主要原因。④该边界采区 A、 B 组煤突出倾向 较大，尤其在断层附近和采空区附近的高应力区突出危险性最大， 巷道布置和开采顺序要充分考虑与突出煤层的关系。 ⑤该边界采区 因为断层和顶板水害而存在一定的资源风险， 开采设计时应考虑以 最小的巷道投入作探索性开采的方案。 参考文献 [1]柴登榜， 等.矿井地质工作手册.北京 煤炭工业出版社.1986. [2]苏瑞海， 孙荣久.巷道底鼓及防治.技术创新与实践全国煤矿技术成 果论文选编 / 中国煤炭工业协会编.徐州 中国矿业大学出版社.2000.6. 井田边界开采风险预测研究 陈宜新（华润天能 （徐州 ） 煤电有限公司大刘煤矿 ） 得在这方面加大投入， 才会获得优厚的回报。 参考文献 [1]王德明.矿井防灭火新技术三相泡沫.煤矿安全.20047.第 35 卷第 7 期. [2]任万兴， 王德明， 周福宝等.应用三相泡沫技术防治大倾角俯采综放 工作面煤炭自燃.煤矿安全.20062. [3]王悦恒， 刘颜涛， 李德全等.易燃厚煤层超长综放面采空区火灾治理 技术.矿业安全与环保.20054.第 32 卷第 2 期. （上接第 177 页 ） 178