易燃厚煤层综放工作面综合防灭火技术实践.docx

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易燃厚煤层综放工作面综合防灭火技术实践

易燃厚煤层综放工作面综合防灭火技术实践

摘要：

本文针对易自燃厚煤层综放工作面自燃发火的特点，提出了预防性防灭火注浆、随采随注、喷洒阻化剂、建筑防火隔离墙等措施，有效地预防了综放工作面自然发火，为易燃厚煤层综放面的防灭火提供了切实可行的技术经验。

Abstract:

ForeasyspontaneouscombustioncharacteristicsofCavingGeneralmechanizedcoalface.ThispaperproposessuchmeasuresasFirePreventionandpreventiveGrouting，Withminingastheinjection，SprayInhibitor，Buildingfirewall.Effectivelypreventthetop-coalcavingfaceSpontaneousCombustion.ToprovidepracticaltechnologyexperienceforpreventCavingGeneralmechanizedcoalfaceSpontaneousCombustion.

关键词：

综放工作面；防灭火；技术实践

Keyword:

CavingGeneralmechanizedcoalface;Guardsagainstthefirefighting;Technicalpractice

煤层火灾是矿井主要灾害之一，矿井火灾是煤矿五大自然灾害之一。

我国煤矿自然条件复杂，自燃发火的矿井蕰范围广、数量多，占全国重点煤矿的56%以上，自然发火率也是世界上最多的国家之一，达到百万吨129次，每一次火灾的发生，轻则影响生产，重者可能烧毁煤炭资源和矿井设备，更为严重者则可能引燃瓦斯煤尘爆炸或烟毒化矿井，酿成人员伤亡的重大恶性事故。

重大恶性火灾事故造成政治、经济以及资源上的损失往往是难以估量的。

因此，对于开采易自燃厚煤层的矿井，采取有效的综合防灭火措施，防止采煤工作面自然发火，是矿井安全生产工作的重中之重。

前言：

由于煤炭资源的逐年开发，浅部的煤炭储量日益减少，且随着建井技术的发展及新设备、新工艺、新材料的不断采用，近年开发的煤炭资源埋深已达到-1000m水平；现华东地区的立井深度大多在千米左右，本区煤层以深度变质为主，煤岩成分中有机质比例高，3煤组全硫平均含量0.24～1.86%，平均0.72%，为特低硫～中硫煤，16、17煤层全硫平均含量2.54～5.87%，属中高硫～高硫煤，煤质中硬，水分含量较低，地温梯度0.99℃/100m，属正常区，地质构造复杂程度中等。

本矿井开采的各煤层均有自燃发火倾向，特别是3下煤层。

因此对于防止煤层自燃发火的工作，必须高度重视，制定完善系统的防火措施。

由于易自燃厚煤层托顶煤掘进工作面掘进过程中支护滞后或支护强度不足，容易引起局部垮漏、冒落形成高冒区。

托顶煤掘进工作面高冒区内的煤体如以破碎状态存在，且具备漏风供氧条件，煤炭氧化积蓄的热量不易散发，当达到足够的氧化蓄热时间时，就足以引起煤炭自燃。

梁宝寺能源有限责任公司是肥矿集团在巨野煤田开采的第一座厚煤层矿井，经煤科总院抚顺分院对三层煤煤样进行煤炭自燃倾向性鉴定，三层煤为容易自燃煤层。

济宁煤田的兖矿集团，存在自燃发火隐患，特别是南屯煤矿、兴隆庄煤矿、济三煤矿等在生产过程中都发生过自燃发火现象，因此，对全煤巷开拓布置特别是托顶煤掘进工作面进行防灭火预防工作，杜绝煤炭自燃的发生尤为重要井田主要含煤地层是下二迭统山西组和上石炭统太原组，平均地层总厚264.40m。

共含煤27层，其中山西组含煤3层为本井田主采煤层，煤厚平均5.7m，局部为7.6m甚至9.0m。

矿井通风方式为中央并列抽出式通风，两台主扇型号为BDK-8-№24A型，配备2台YBF型电机，功率2×250KW。

根据中国煤科总院抚顺分院煤自燃倾向性鉴定报告，3煤层属于一类易自燃煤层。

煤层自然发火期3~6个月，最短自燃发火期为22天。

一．井田概况

梁宝寺煤矿位于山东省西南部，行政区划归嘉祥县。

东南距嘉祥县城约20km。

地理座标为东经116°10′～116°17′，北纬35°32′～35°38′。

井田东西宽约9km，南北长约11km，面积约95.27km2。

本区交通方便，兖（州）新（乡）铁路经井田南部从嘉祥县城通过。

该铁路从嘉祥县城向东56km至兖州，与京沪线相连；向西259km经菏泽至新乡与京广线接轨。

京九铁路从井田西南部的菏泽经过。

南部济宁机场已开航，可直达北京、广州等地。

区内有公路直达梁山、郓城、巨野、嘉祥、济宁等城市。

另有京杭运河从井田东侧通过，

本区属黄河冲积平原，地势平坦，地势略呈西南高东北低，地面标高一般为+37～+40m。

水系比较发育，河流沟渠纵横成网，主要河流有红旗河、靳庄沟、赵王河，并与区内各沟渠相贯通，且多系人工开掘的季节性河流，旱季可引水灌溉，雨季可防洪排涝。

本区属温带半湿润季风区海洋～大陆性气候，气候温和，四季分明。

年平均气温13.9℃，日最高气温42.4℃，最低气温-18.7℃。

最早冻结期为12月，最迟解冻期为翌年3月，最大冻土深度为0.31m，最大积雪0.15m。

年平均降雨量650mm，年最大降雨量1088mm（1964年），日最大降雨量156.2mm，雨季集中在7～8月份。

该区春夏多南风及东南风，冬季多北及西北风。

二、地质构造

1、地层

本井田地层属华北型沉积，含煤地层为石炭二迭系。

地层特征见表1-2-1。

地层特征一览表表1-2-1

地层系统

厚度（m）

主要岩性

界

系

统

组

最小-最大

平均

新

生

界

（KZ）

第四系

（Q）

94.90-146.3

116.85

主要由粘土、砂质粘土、砂及沙砾层组成，顶部有薄层泥炭，遍布全区。

东北部较薄，西部较厚，与下伏地层呈不整合接触。

上第三系（N）

195.23-368.73

280.84

主要由半固结粘土、砂质粘土及粉砂、细砂组成。

上段大半未固结，局部微固结；下段大部微固结，部分半固结。

西北部厚，东部南部较薄，与下伏地层呈不整合接触。

古

生

界

（Pz）

二叠系（P）

上二叠统（P2）

上石盒子组（P12）

0-620.55

主要由杂色泥岩、粉砂岩、灰绿色中、细砂岩组成。

南部被剥蚀，向北厚度逐渐增加。

与下石盒子组呈整合关系。

下二叠统（P1）

下石盒子组（P21）

22.90-62.70

42.88

上部以杂色泥岩、粉砂岩夹灰绿色砂岩，下部为灰白色砂岩夹灰绿色泥岩、粉砂岩，底部以不稳定的厚层状砂岩与山西组分界。

山西组（P11）

48.60-115.80

78.66

为主要煤系地层，以灰-灰白色中、细砂岩、深灰色粉砂岩、泥岩及煤组成。

本组含煤3层，自上而下有2、3（3上）、3下煤层，其中3（3上）煤层为主采煤层。

与下伏地层呈连续沉积。

石炭系（C）

上统（C3）

太原组（C3t）

121.81-233.70

185.47

主要由灰-灰黑色粉砂岩、泥岩及灰白色砂岩、薄层石灰岩及煤层组成，含11层石灰岩，以三灰、十下灰最为稳定，是煤岩层对比的良好标志。

含煤24层，其中16煤大部可采，17煤局部可采。

与下伏地层呈连续沉积。

中统（C2）

本溪组（C2b）

12.00-26.95

18.96

由杂色泥岩、粉砂岩、石灰岩及灰色细砂岩，本组有两层石灰岩，十三灰分布较稳定。

与下伏奥陶系灰岩呈假整合关系。

奥陶系（O）

中、下统（O1+2）

可达742

以中厚层状灰岩为主，夹多层白云质灰岩、白云岩及薄层泥岩，岩溶较发育，为本区主要含水层。

2、地质构造

梁宝寺井田位于巨野向斜东翼，为一东界F1断层、西界F13断层组成的地堑构造。

区内地层呈南浅北深的趋势，因受区域断层的控制，形成以梁宝寺向斜为骨干向北倾伏收敛的“裙边状”褶曲构造，并伴生北东向及北西向断层组，构造复杂程度中等。

（1）地层产状及主要褶曲

全区呈宽缓褶曲构造，次一级褶曲发育，翼部倾角较缓，为5°～10°，受F1、F13断层的影响，东、西地段地层倾角较大，一般为20°左右，局部达30°。

纵观全区，地层倾角呈南部缓、西部陡的趋势。

浅部地层大致走向为东西向。

深部因梁宝寺向斜影响，地层走向呈现向北开口的“V”字形。

（2）断层

本区共发现断层75条，除F26为逆断层外，其余均为正断层。

按方向分为：

东西向断层8条；南北向断层14条；北东向断层25条；北西向断层28条。

按落差大小分为：

落差≥100m的断层10条；落差≥50～＜100m的断层14条；落差≥30～＜50m的断层26条；落差＜30m的断层25条。

主要断层特征及控制程度见表1-2-2。

井田主要断层特征表表1-2-2

断层

名称

性质

落差

（m）

断层产状

走向长度

（m）

查明程度

走向

倾向

倾角

F1

正

＞700

SN～NW

W～SW

70

19000

查明～控制差

F1支1

正

75

NNW

SWW

70

1000

初步控制

F1支2

正

80

NS

W

70

2000

初步控制

F7

正

0～75

NE～EW

SE～SSN

70

5000

基本查明～初步控制

F8

正

0～120

NW

NE

70

3000

查明～基本

查明

F9

正

0～30

NW

N

70

1000

查明

F10

正

0～325

NE

NW

70

9000

查明～基本

查明

F11

正

0～40

NE

NW

70

1000

初步控制

F13

正

>700

SN

E

70

13000

基本查明～初步控制

F13支1

正

20～40

SN

E

70

4000

初步控制

F16

正

0～45

NW

NE

70

1000

基本查明

F19

正

0～40

NW

NE

70

2000

查明

F20

正

0～50

NW

SW

70

2000

查明

F21

正

0～80

EW

N

70

1000

查明

F22

正

0～30

NE

SE

70

1000

查明

F25

正

0～30

SN

E

70

3000

查明

F26

逆

0～50

NE

NW

45

2000

查明

F28

正

0～45

NE～EW

SE～S

70

2000

查明～基本

查明

F29

正

0～30

EW

S

70

1000

查明

F30

正

0～35

NE

NW

70

1000

基本查明

F32

正

0～50

EW

N

60～70

2000

查明

F37

正

0～30

NE

SE

70

2000

基本查明

F38

正

0～35

NE

NW

70

1000

基本查明

F39

正

0～45

NE

NW

70

1000

基本查明

F41

正

0～50

EW

S

70

1000

初步控制

F42

正

0～30

NW

NE

70

400

F44

正

0～60

SN

W

70

1000

基本查明

F44支1

正

0～30

SN

W

70

1000

基本查明

F56

正

0～30

NNE

SEE

70

1000

基本查明

F57

正

0～30

EW

S

70

1000

F60

正

0～30

NW

NE

70

300

基本查明

（3）岩浆岩

根据岩浆岩侵入情况分析，岩浆是在煤系沉积之后的构造运动中，沿构造裂隙带上升，遇到煤层及其它软弱岩层时顺层侵入；从侵入体的厚度看岩浆可能从本区东部侵入。

本区岩浆岩侵入层位在三灰到十二灰之间，并以顺16煤层侵入为主，因而对16、17煤层的影响较大，使煤层部分被吞蚀或变成天然焦。

因山西组3煤层距岩浆岩间距较大，煤层厚度未受影响，仅在本区中西部煤层变质程度略高。

（4）冲刷

本井田西南部3煤由于受冲刷影响，形成长约6000m，宽约1800～3000m的冲刷带，面积约16km2。

此冲刷带内煤层被冲刷变薄，形成不可采区，影响井田的采区划分和巷道布置。

三、煤层与煤质

1、煤层

本井田主要含煤地层是下二迭统山西组和上石炭统太原组，平均地层总厚264.40m。

共含煤27层，其中山西组含煤3层，太原组含煤24层，平均总厚8.70m，含煤系数3.3％。

大部可采或局部可采的有山西组的3（3上）煤、太原组的16、17煤，稳定性较好，平均总厚4.74m，占煤层总厚54％。

其中3（3上）煤层平均厚度3.36m，占可采煤层总厚的71％，是本井田的主采煤层。

（1）3煤层

位于山西组的中、下部，上距石盒子组A层铝土岩平均184.66m，下距太原组三灰平均62.45m。

该煤层为3上、3下合并后的厚煤层，主要分布于本井田的东北部，合并区内煤层厚5.88m～10.23m，平均7.08m，可采系数100％。

该煤层属较稳定煤层，结构较简单，一般含夹石0～4层，夹石岩性多为炭质泥岩及泥岩。

煤层顶、底板主要为泥岩和粉砂岩，顶板个别点为细砂岩及中砂岩。

（2）3上煤层

该煤层为3煤层分叉后的上分层，位于山西组中、上部，下距3下煤层0～37.24m，距三灰平均86.69m，属较稳定煤层。

煤厚0～5.02m，平均2.47m，不可采区分布于勘探区西南部的冲刷带。

该煤层结构较简单，含0～3层夹石。

夹石岩性为泥岩或粉砂岩。

煤层顶板多为泥岩、粉砂岩，个别点为中、细砂岩。

底板多为泥岩、粉砂岩，少数为炭质泥岩。

（3）3下煤层

主要分布于本区的中南部，距三灰平均间距63.54m。

煤层厚度0～4.68m，平均0.42m。

个别点可采，但因分布弧立，未计算储量，该煤层结构简单，一般不含夹石，顶底板多为粉砂岩、砂岩。

（4）16煤层

位于太原组下部，十下灰为直接顶板，下距17煤层0.34～8.07m，平均2.68m。

煤层厚度0～2.09m，平均0.72m，该煤层由于受岩浆岩侵蚀，使东部吞蚀无煤或变为天然焦。

可采点主要分布于本井田的南部及西部，可采区内煤层厚度为0.81～2.09m，平均1.53m。

就全区而言，该煤层属较稳定煤层，结构简单，一般不含夹层。

个别点含1～2层夹石，夹石岩性为炭质泥岩或炭质粉砂岩。

煤层顶板为石灰岩，底板为泥岩或粉砂岩。

（5）17煤层

位于太原组下部，下距太原组底界22.61～35.54m，平均25.85m，该煤层属较稳定煤层，煤厚0～1.55m，平均0.66m。

可采范围主要分布在井田的南部，可采区内煤厚0.70～1.55m，平均0.95m。

该煤层结构简单，一般不含夹石，只有个别点含1～2层夹石，夹石岩性为炭质泥岩。

煤层顶、底板多为泥岩或粉砂岩。

可采煤层特征见表1-2-3。

可采煤层特征表表1-2-3

煤层

3（3上）

16

17

煤层厚度（m）

最小～最大

平均（点数）

0～10.23

3.36（52）

0～2.09

0.72（37）

0～1.55

0.66（33）

层间距（m）

最小～最大

平均（点数）

168.25～226.310.34～8.07

198.47（21）2.68（25）

夹石

层数

0～4

0～2

0～2

主要岩性

炭质泥岩

泥岩

炭质泥岩

泥岩

炭质泥岩

泥岩

煤层结构

较简单

简单

简单

稳定程度

较稳定

较稳定

较稳定

可采情况

大部可采

大部可采

局部可采

顶板岩性

泥岩、粉砂岩

石灰岩

泥岩、粉砂岩

底板岩性

泥岩、粉砂岩

泥岩、粉砂岩

泥岩、粉砂岩

2、煤质

3（3上）煤层属低灰～中灰、特低硫、特低～低磷、高挥发分、高发热量气煤，可选性良好。

由于受岩浆岩影响，3（3上）煤出现弱粘煤、1/2中粘煤、1／3焦煤，对煤质有一定的影响，煤化程度高。

3（3上）煤是良好的动力用煤及炼焦配煤。

16煤和17煤为特低～中灰、富硫～高硫、特低～低磷、高挥发分、高发热量气煤。

受岩浆岩影响，出现弱粘煤、1／3焦煤、贫煤、无烟煤、天然焦。

16、17煤层可用作炼焦配煤，但此两层煤因硫分较高经过洗选后仍要控制配煤比，或应用“缚硫焦”工艺，则能使各煤层硫分均符合炼焦配煤的要求。

各煤层煤质特征见表1-2-4。

可采煤层煤质特征表表1-2-4

3（3上）

16

17

原煤

精煤

原煤

精煤

原煤

精煤

工业分析（%）

水分

Mad

1.09～3.32

2.49（43）

1.49～3.28

2.52（42）

1.58～4.22

2.53（21）

1.76～3.85

2.34（20）

1.43～4.0

2.38（18）

1.52～2.64

2.15（18）

灰分

Ad

11.37～24.98

16.42（42）

3.82～9.17

6.74（43）

7.16～24.40

14.68（21）

3.86～10.83

6.02（21）

6.10～25.48

14.18（18）

2.61～7.22

4.66（18）

挥发分

Vdaf

28.12～42.55

37.15（43）

23.52～42.29

37.55（44）

4.20～44.34

32.51（22）

4.92～45.67

31.86（22）

16.68～45.49

39.51（18）

16.22～45.93

40.48（18）

元素分析（%）

炭

Cdaf

81.11～86.86

83.26（39）

80.88～93.14

84.85（21）

80.30～88.73

82.88（18）

氢

Hdaf

4.87～6.06

5.42（40）

1.64～5.94

4.69（20）

4.29～5.85

5.40（18）

氮

Ndaf

1.48～1.69

1.58（41）

1.12～1.48

1.37（19）

1.30～1.50

1.44（17）

全硫St.d

（%）

0.24～1.86

0.72（42）

0.31～1.36

0.63（41）

2.54～5.87

4.01（22）

1.96～4.13

2.98（21）

2.85～5.74

3.97（17）

2.44～4.03

3.15（18）

磷Pd

（%）

0.005～0.031

0.013（36）

0.002～0.020

0.009（36）

0.002～0.042

0.013（20）

0.002～0.018

0.006（17）

0.003～0.036

0.017（17）

0.002～0.018

0.009（13）

发热量Qb.ad

（MJ/kg）

23.87～29.11

27.21（42）

29.90～33.31

31.33（32）

22.41～31.41

28.00（21）

30.81～32.55

31.74（15）

24.11～32.59

28.68（18）

31.42～34.13

32.57（16）

粘结指数

GRL

8～93

64（44）

0～99

64（22）

0～98

78（18）

胶质层厚度Y

（mm）

4～23

13（43）

0～25

16（20）

0～27

18（18）

四、煤的自燃

本区煤层以深度变质为主，煤岩成分中有机质比例高，3煤组全硫平均含量0.24～1.86%，平均0.72%，为特低硫～中硫煤，16、17煤层全硫平均含量2.54～5.87%，属中高硫～高硫煤，煤质中硬，水分含量较低，地温梯度0.99℃/100m，属正常区，地质构造复杂程度中等。

根据精查地质报告有关煤芯试验，本区可采煤层属不自燃～易自燃发火煤层。

矿井各煤层属不自燃～易自燃煤。

矿井揭露煤层后，立即进行煤层自燃倾向性鉴定，开采时必须加强预防火灾的工作。

五、地温

本区平均地温梯度0.99°C/100m，其中非煤系地层平均地温梯度为0.61°C/100m；煤系地层平均地温梯度为1.37°C/100m；煤系基底为巨厚奥陶系石灰岩含水层，导热性能良好，地温梯度小于煤系地层，一般在1.20°C/100m；其它含水层段受水动力条件影响地温梯度也普遍小于非含水层段地温梯度。

同—钻孔，揭露奥灰前后地温梯度略有不同。

一般揭露奥灰后，全孔平均地温梯度升高，而在南部F10和F8断层之间，揭露奥灰后全孔平均地温梯度降低，且煤系地层地温偏低，分析原因是该区域温度较低的浅层水（主要是第三系含水层的水）补给奥灰水所致。

根据本井田精查勘探阶段测温获得资料，本矿井属地温正常区，地温随煤层埋深增加而升高。

3煤层-900m水平以浅原始岩温均低于31℃，-900～-1100m水平原始岩温在31～37℃，为一级高温区。

因此初期开采3煤不存在高温热害问题。

六、瓦斯、煤尘爆炸与煤的自燃倾向

瓦斯含量与岩浆岩对煤层影响及煤层厚度和煤层埋藏深度有关，煤层厚度大，埋藏深及受岩浆岩影响的地段，瓦斯含量相对较高。

根据钻孔测得的瓦斯含量资料，本区瓦斯含量较低，但由于区内各煤层埋藏较深，在开采过程中应做好通风工作，以防瓦斯聚集，发生瓦斯爆炸。

各煤层煤尘爆炸性试验结果表明火焰长度变化于0～700mm之间，扑灭火焰的岩粉量为0～80％，所以各煤层均有煤尘爆炸危险性。

各煤层原样着火温度变化于322～403℃之间，还原样与氧化样着火点之差（△T）变化于4～26℃之间，所以各煤层属不自燃～易自燃煤。

七、水文地质

1、充水含水层

本区从上至下共划分有6个主要含水层：

第四系砂砾层、上第三系砂层、石盒子组砂岩、3煤顶底板砂岩、太原组三灰、十下灰及中奥陶统石灰岩。

其中3煤顶、底板砂岩和太原组三灰为开采上组煤的直接充水含水层；十下灰及中奥陶统石灰岩为开采下组煤的直接充水含水层。

现分述如下：

第四系砂砾层含水层：

第四系地层广布全区，与下伏上第三系地层呈不整合接触，厚度94.90～146.30m，平均116.85m。

含水的砂、砾层与隔水的粘土、砂质粘土层相间分布，地下水呈多层赋存状态。

含水砂层以中、细砂为主，局部有粉砂和粗砂，砂层比较松散，透水性好，据L6-1号孔抽水试验资料，单位涌水量0.6396L／S.m，富水性中等，水质类型为SO4-Ca.Mg.K+Na型，矿化度1.522g／L。

上第三系砂层含水层：

上第三系地层厚195.23～368.73m，平均280.84m。

由粘土类隔水层和砂砾层含水层相间沉积而成，据其岩性组合、物性特征分为上、下两段。

上段：

厚61.20～185.90m，平均133.33m，含水层主要为中、细砂层，砂层厚度较大，与杂色粘土、砂质粘土互层，砂层较松散，富含孔隙水。

下段：

厚70.10～196.80m，平均147.51m。

本段以厚层粘土为主，粘土呈杂色，比重大，常见白色高岭土层或石膏团块。

砂层以灰白、棕黄色的中、细砂为主，砂质不纯，多含粘土成份。

据L16-3号孔抽水试验资料，单位涌水量0.3831L／S.m，富水性中等，水质类型为SO4-Ca.Mg型，矿化度3.556g／L，水质较差。