夏 良，楊勝強(qiáng)，鹿存榮，李 偉，孟海清，李樹君

（1.中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇徐州 221008;2.中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州 221008;3.陽泉煤業(yè) （集團(tuán)）有限責(zé)任公司冀北分公司元堡煤礦，山西朔州 037200）

地表沉陷初期漏風(fēng)對采空區(qū)遺煤自燃影響的分析和治理措施

夏 良1，2，楊勝強(qiáng)1，2，鹿存榮1，2，李 偉1，2，孟海清3，李樹君3

（1.中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇徐州 221008;2.中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州 221008;3.陽泉煤業(yè) （集團(tuán)）有限責(zé)任公司冀北分公司元堡煤礦，山西朔州 037200）

煤層開采引起的地表沉陷能夠產(chǎn)生與采空區(qū)貫通的裂縫，導(dǎo)致地面向采空區(qū)漏風(fēng)，會引發(fā)采空區(qū)遺煤自燃。根據(jù)元堡煤礦9號煤層埋深淺、采用綜采放頂煤技術(shù)、易自燃等特點(diǎn)，分析了地表沉陷初期漏風(fēng)對采空區(qū)遺煤自燃的影響，通過對進(jìn)、回風(fēng)巷風(fēng)量對比證實(shí)了地表漏風(fēng)的存在，采取地表填土掩埋裂縫的措施，有效地解決了地表漏風(fēng)的問題。

地表沉陷;采空區(qū);遺煤;自燃

煤層受采動之后，打破了開采區(qū)域周圍巖體原始應(yīng)力平衡，為了達(dá)到新的平衡，在各種動、靜載荷作用和礦井水及抽排水作用等影響下，應(yīng)力重新分布，從而達(dá)到新的平衡，在這一過程中地表產(chǎn)生連續(xù)的移動變形和非連續(xù)的破壞 （開裂、冒落等），稱為采煤引起的地表沉陷。嚴(yán)重的地表沉陷不但會造成地表變形、建筑物垮塌、植被破壞等地面危害，還會造成井下采空區(qū)與地表裂隙貫通形成漏風(fēng)通道，導(dǎo)致井下水患或采空區(qū)自燃發(fā)火的危險(xiǎn)。目前，在我國，綜采放頂煤技術(shù)的采用十分廣泛，尤其是一些煤層埋藏較淺、頂板較軟并且是易燃煤質(zhì)的煤礦，需要對地表沉陷加以重視。

1 元堡煤礦地質(zhì)、水文及氣候概況

元堡煤礦位于山西省朔州市右玉縣城東南30km，屬于大同煤田。主要可采煤層為9號、11號煤層。9號煤層平均厚度14.33m，埋深159.9～340.27m;11號煤層平均厚度4.17m，埋深109～384.25m。煤類主要為長焰煤，含硫量為中高，瓦斯含量極低，煤層自燃傾向性為I類易自燃煤層。該礦首采9號煤層，1901工作面為首采工作面。1901工作面褶曲、斷層較多，構(gòu)造復(fù)雜。

本區(qū)地面水系不發(fā)育，較大的水系在東部區(qū)外，多年平均降水量為384mm，降水多集中在7，8，9三個(gè)月，約占全年降水量的60%～70%。

元堡煤礦位于塞北高寒區(qū)，屬典型的大陸性半干旱氣候，冬季嚴(yán)寒，夏季炎熱，氣候干燥，風(fēng)沙嚴(yán)重。氣溫一般較低，據(jù)右玉氣象站近十年的氣象資料表明，年平均氣溫為5.5℃，以年溫差與日溫差大為特點(diǎn)，極端最高溫度為34.5℃，極端最低溫度在－29℃，一般日溫差在20℃。

2 上覆巖層及地表環(huán)境特點(diǎn)及危害分析

9號煤層上覆巖層及地表環(huán)境的特點(diǎn)及危害:

（1）煤層含硫量高。高硫煤容易引起采空區(qū)遺煤自燃。

（2）煤層埋藏淺，煤層采動對地表影響大，容易造成地表裂隙與該煤層采空區(qū)連通。

（3）工作面巖石較多，常采取爆破采煤，易引起地層震動，導(dǎo)致淺部巖層失穩(wěn)，形成塌陷。

（4）冬季嚴(yán)寒，大氣密度很大，如果地表至井下采空區(qū)存在漏風(fēng)，壓差將會比以往季節(jié)大的多，對采空區(qū)遺煤自燃有重大影響。

（5）盡管9號煤上部水系不發(fā)育，但夏季的7，8，9三個(gè)月由于降雨過多，如果通過地表裂隙導(dǎo)入采空區(qū)，遺煤被水浸泡，會導(dǎo)致表面積增大，加大自燃危險(xiǎn)性。

（6）煤層厚，工作面較長，造成采空區(qū)空間過大。由于采用綜采放頂煤技術(shù)，采空區(qū)空間過大，控制地表的主關(guān)鍵層會有很大彎曲下沉變形，甚至有可能斷裂。

（7）頂板巖石較軟且構(gòu)造過多。井田內(nèi)地層巖性以粗、中、細(xì)砂巖為主，間夾泥巖和砂質(zhì)泥巖，膠結(jié)程度低，巖石近地表風(fēng)化裂隙發(fā)育，而9號煤層厚度又大，采深采厚比小于30，采出一定面積后，會引起巖層移動及構(gòu)造帶產(chǎn)生裂隙并波及地表，形成地裂縫和塌陷坑。

3 地表塌陷產(chǎn)生裂隙及其漏風(fēng)

元堡煤礦1901工作面于2011年9月18日已平均推進(jìn)約130m，地面裂隙較大，最大下沉量已達(dá)到4.2m，最大裂隙寬220mm（見圖1）。采空區(qū)現(xiàn)在仍在注N2，每隔2小時(shí)，注2小時(shí)。采空區(qū)開區(qū)連續(xù)或間隔很短注N2會使得回風(fēng)流的N2濃度明顯增加，O2濃度明顯降低，但是這種措施會對在回風(fēng)巷的工作人員形成一定的威脅，同時(shí)也浪費(fèi)了N2。一旦停止注入N2，從束管監(jiān)測數(shù)據(jù)看出，采空區(qū)進(jìn)風(fēng)巷測點(diǎn)的O2濃度仍很高。如果是工作面漏風(fēng)導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)巷漏風(fēng)，則隨著回采進(jìn)度的增加，靠近切眼測點(diǎn)的O2濃度會逐漸減小。但由束管監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，進(jìn)風(fēng)巷所有測點(diǎn)在停注N2期間O2濃度均升高到15%以上。因此，有理由懷疑地表沉陷出現(xiàn)的裂縫與1901工作面采空區(qū)經(jīng)過裂縫導(dǎo)通。根據(jù)9號煤層及上覆巖層及地表環(huán)境的特點(diǎn)，一旦裂隙導(dǎo)通，就會大大促進(jìn)采空區(qū)遺煤自燃。

圖1 地表沉陷裂縫

4 地表漏風(fēng)對采空區(qū)遺煤自燃影響的分析

如圖2和圖3所示，從7月到現(xiàn)在工作面中部巖石越來越多，頂板越來越難放，大量煤體遺留在采空區(qū)中部。在回風(fēng)側(cè)，由于采空區(qū)回風(fēng)巷現(xiàn)在堆積的都是巖石，氣體監(jiān)測系統(tǒng)很難有效監(jiān)測到采空區(qū)可能氧化點(diǎn)參數(shù);采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)頂煤不放，遺煤將會很多。

圖2 7月16日工作面剖面

圖3 9月17日工作面剖面

因此，現(xiàn)階段遺煤自燃的危險(xiǎn)性仍很大，在注N2的同時(shí)必須采取堵漏風(fēng)措施。地表沉陷可能引起地表空氣漏入采空區(qū)，必須及時(shí)進(jìn)行治理。

1901工作面采用注N2、打密閉的方式減少漏風(fēng)進(jìn)行防滅火，取得了很好的效果。但是隨著回采進(jìn)度的增加，地表沉陷產(chǎn)生裂縫，而且極有可能與井下采空區(qū)貫通，使O2，N2，CO等氣體發(fā)生交換。而且由于元堡煤礦井下采用負(fù)壓抽風(fēng)，如果存在地表至采空區(qū)的漏風(fēng)通道，漏風(fēng)通道中空氣柱也產(chǎn)生一定壓力，使得地表大氣壓比井下采空區(qū)氣壓大的多。因此，元堡煤礦只能發(fā)生地表氣體進(jìn)入采空區(qū)而不會發(fā)生氣體互換，對井下采空區(qū)防滅火極為不利，分析如下:

（1）地面氣體進(jìn)入采空區(qū)會影響工作面兩端風(fēng)壓的平衡，出現(xiàn)漏風(fēng)現(xiàn)象加劇。

（2）地面O2通過裂縫進(jìn)入采空區(qū)后，為浮煤的自燃提供了良好的O2條件，增加了煤自燃的危險(xiǎn)性。

（3）由于現(xiàn)階段采空區(qū)內(nèi)仍注N2，漏風(fēng)使得部分O2會通過裂縫進(jìn)入采空區(qū)稀釋N2濃度，因此降低了注氮的效果，對防滅火工作不利。

（4）地表或巖層中的水通過裂隙流入采空區(qū)，經(jīng)過水的浸泡后，采空區(qū)遺煤煤體更加松軟，表面積增大，同時(shí)水進(jìn)入采空區(qū)會釋放潛熱，增加采空區(qū)的溫度，加大了自燃的危險(xiǎn)性。

（5）地表裂隙一般出現(xiàn)在采空區(qū)周邊 （兩巷、切眼、工作面附近）的上部地表，而采空區(qū)周邊均是遺煤較多且較破碎的地方，一旦漏風(fēng)，充足的O2進(jìn)入采空區(qū)，為煤自燃提供緩慢氧化的條件。

因此，有必要開展確定地表至井下采空區(qū)的漏風(fēng)通道以及治理地表漏風(fēng)的工作。采用對1901工作面進(jìn)、回風(fēng)巷合適的斷面進(jìn)行多次測風(fēng)，計(jì)算并比較進(jìn)、回風(fēng)風(fēng)量。結(jié)果如表1所示。

表1 1901工作面進(jìn)、回風(fēng)巷風(fēng)量測算

由表1可得出，回風(fēng)巷風(fēng)量比進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量大67.55m3/min。為了盡可能減小誤差，進(jìn)行了多次精確測量，結(jié)果均為回風(fēng)巷風(fēng)量比進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量大66m3/min左右。由此，可以證實(shí)地表沉降產(chǎn)生的裂縫向采空區(qū)漏風(fēng)。因此，需盡快采取相關(guān)措施。

5 地表沉陷漏風(fēng)治理措施

地表漏風(fēng)治理可以采取通過向采空區(qū)灌漿或者在地表填土掩埋裂縫的措施，結(jié)合元堡煤礦的實(shí)際情況，實(shí)施地表填土掩埋裂縫的措施。

（1）用挖掘機(jī)沿著裂隙走向挖槽，槽深為1～3m，寬為裂縫寬的8～10倍。

（2）將黃土、沙、石灰按照5∶3∶1混合成三合土，加水?dāng)嚢璩赡酀{，制備完成之后，借助噴漿機(jī)快速噴射到裂縫中并且填實(shí)。

（3）用黃土將槽填滿并夯實(shí)。

經(jīng)過對地表裂縫挖槽填土后，束管監(jiān)測發(fā)現(xiàn)在停止向采空區(qū)注N2之后，并沒有發(fā)現(xiàn)O2濃度有明顯增大的現(xiàn)象，并且測量出進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷風(fēng)量相差不大，可見采用此措施取得了明顯的效果。

6 結(jié)論

針對1901工作面采空區(qū)上部地表沉陷初期的裂縫可能引起向井下漏風(fēng)的隱患，根據(jù)元堡煤礦煤層地質(zhì)、水文氣候條件，總結(jié)出9號煤層上覆巖層及地表環(huán)境的特點(diǎn)和危害，分析了地表漏風(fēng)對采空區(qū)遺煤自燃產(chǎn)生的影響，通過井下測風(fēng)證實(shí)地表沉陷產(chǎn)生了與采空區(qū)貫通的裂縫，經(jīng)過對地表裂縫挖槽填土后，效果明顯。

［1］錢鳴高，繆協(xié)興，許家林，等.巖層控制的關(guān)鍵層理論［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2000.

［2］李宗翔.高瓦斯易自燃采空區(qū)瓦斯與自燃耦合研究［D］.阜新:遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2007.

［3］山西省地質(zhì)勘查局二一七地質(zhì)隊(duì).元堡煤礦地質(zhì)報(bào)告［R］.元堡煤礦生產(chǎn)技術(shù)科，2010.

［4］代 杰，董建海，孟亞鵬.柴里煤礦大面積采空區(qū)漏風(fēng)狀況的研究與治理［J］.山東煤炭科技，2009（3）.

［5］韓 龍，蘇廳云.大同煤礦采空區(qū)塌陷類型及防治方法［J］.探礦工程，2003（S）.

Influence of Air-leakage on Coal Spontaneous Combustion in Gob and Prevention Measures at Initial Stage of Surface Subsidence

XIA Liang1，2，YANG Sheng-qiang1，2，LU Cun-rong1，2，LIWei1，2，MENG Hai-qing3，LIShu-jun3

（1.Safety Engineering School，China University of Mining＆Technology，Xuzhou 221008，China; 2.State Key Laboratory of Coal Resource＆Safety Mining，China University of Mining＆Technology，Xuzhou 221008，China; 3.Yuanbu Colliery，Jibei Branch，Yangquan Coal（Group）Co.，Ltd，Shuozhou 037200，China）

Surface subsidence induced by coalminingwillgenerate fissures in surrounding rock whichmay form air-leakage passageway from surface to underground gob and result in spontaneous combustion of discarded coal in gob.In order to solve the problem of coal spontaneous combustion under full-mechanizedmining condition，influence of air-leakage on coal spontaneous combustion in gob at initial stage of surface subsidence was analyzed.Comparison of air-inlet flow and air-return flow proved air-leakage from surface.Applying backfilling the fissureswith surface earth effectively solved air-leakage problem.

surface subsidence;gob;discarded coal;spontaneous combustion

TD75 2.2

A

1006-6225（2012）01-0086-03

2011－10－31

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目:煤炭與煤層氣雙能源開采基礎(chǔ)理論與方法研究 （50834005）;國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目:含瓦斯風(fēng)流對高瓦斯易燃煤體自燃氧化特性的影響及機(jī)理研究 （51174198）

夏 良 （1988－），男，安徽合肥人，碩士，研究方向?yàn)槊旱V安全。

［責(zé)任編輯:鄒正立］

礦山壓力與災(zāi)害控制