地表沉陷初期漏风对采空区遗煤自燃影响的分析和治理措施

夏 良，杨胜强，鹿存荣，李 伟，孟海清，李树君

（1.中国矿业大学安全工程学院，江苏徐州 221008;2.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏徐州 221008;3.阳泉煤业 （集团）有限责任公司冀北分公司元堡煤矿，山西朔州 037200）

地表沉陷初期漏风对采空区遗煤自燃影响的分析和治理措施

夏 良1，2，杨胜强1，2，鹿存荣1，2，李 伟1，2，孟海清3，李树君3

（1.中国矿业大学安全工程学院，江苏徐州 221008;2.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏徐州 221008;3.阳泉煤业 （集团）有限责任公司冀北分公司元堡煤矿，山西朔州 037200）

煤层开采引起的地表沉陷能够产生与采空区贯通的裂缝，导致地面向采空区漏风，会引发采空区遗煤自燃。根据元堡煤矿9号煤层埋深浅、采用综采放顶煤技术、易自燃等特点，分析了地表沉陷初期漏风对采空区遗煤自燃的影响，通过对进、回风巷风量对比证实了地表漏风的存在，采取地表填土掩埋裂缝的措施，有效地解决了地表漏风的问题。

地表沉陷;采空区;遗煤;自燃

煤层受采动之后，打破了开采区域周围岩体原始应力平衡，为了达到新的平衡，在各种动、静载荷作用和矿井水及抽排水作用等影响下，应力重新分布，从而达到新的平衡，在这一过程中地表产生连续的移动变形和非连续的破坏 （开裂、冒落等），称为采煤引起的地表沉陷。严重的地表沉陷不但会造成地表变形、建筑物垮塌、植被破坏等地面危害，还会造成井下采空区与地表裂隙贯通形成漏风通道，导致井下水患或采空区自燃发火的危险。目前，在我国，综采放顶煤技术的采用十分广泛，尤其是一些煤层埋藏较浅、顶板较软并且是易燃煤质的煤矿，需要对地表沉陷加以重视。

1 元堡煤矿地质、水文及气候概况

元堡煤矿位于山西省朔州市右玉县城东南30km，属于大同煤田。主要可采煤层为9号、11号煤层。9号煤层平均厚度14.33m，埋深159.9～340.27m;11号煤层平均厚度4.17m，埋深109～384.25m。煤类主要为长焰煤，含硫量为中高，瓦斯含量极低，煤层自燃倾向性为I类易自燃煤层。该矿首采9号煤层，1901工作面为首采工作面。1901工作面褶曲、断层较多，构造复杂。

本区地面水系不发育，较大的水系在东部区外，多年平均降水量为384mm，降水多集中在7，8，9三个月，约占全年降水量的60%～70%。

元堡煤矿位于塞北高寒区，属典型的大陆性半干旱气候，冬季严寒，夏季炎热，气候干燥，风沙严重。气温一般较低，据右玉气象站近十年的气象资料表明，年平均气温为5.5℃，以年温差与日温差大为特点，极端最高温度为34.5℃，极端最低温度在－29℃，一般日温差在20℃。

2 上覆岩层及地表环境特点及危害分析

9号煤层上覆岩层及地表环境的特点及危害:

（1）煤层含硫量高。高硫煤容易引起采空区遗煤自燃。

（2）煤层埋藏浅，煤层采动对地表影响大，容易造成地表裂隙与该煤层采空区连通。

（3）工作面岩石较多，常采取爆破采煤，易引起地层震动，导致浅部岩层失稳，形成塌陷。

（4）冬季严寒，大气密度很大，如果地表至井下采空区存在漏风，压差将会比以往季节大的多，对采空区遗煤自燃有重大影响。

（5）尽管9号煤上部水系不发育，但夏季的7，8，9三个月由于降雨过多，如果通过地表裂隙导入采空区，遗煤被水浸泡，会导致表面积增大，加大自燃危险性。

（6）煤层厚，工作面较长，造成采空区空间过大。由于采用综采放顶煤技术，采空区空间过大，控制地表的主关键层会有很大弯曲下沉变形，甚至有可能断裂。

（7）顶板岩石较软且构造过多。井田内地层岩性以粗、中、细砂岩为主，间夹泥岩和砂质泥岩，胶结程度低，岩石近地表风化裂隙发育，而9号煤层厚度又大，采深采厚比小于30，采出一定面积后，会引起岩层移动及构造带产生裂隙并波及地表，形成地裂缝和塌陷坑。

3 地表塌陷产生裂隙及其漏风

元堡煤矿1901工作面于2011年9月18日已平均推进约130m，地面裂隙较大，最大下沉量已达到4.2m，最大裂隙宽220mm（见图1）。采空区现在仍在注N2，每隔2小时，注2小时。采空区开区连续或间隔很短注N2会使得回风流的N2浓度明显增加，O2浓度明显降低，但是这种措施会对在回风巷的工作人员形成一定的威胁，同时也浪费了N2。一旦停止注入N2，从束管监测数据看出，采空区进风巷测点的O2浓度仍很高。如果是工作面漏风导致进风巷漏风，则随着回采进度的增加，靠近切眼测点的O2浓度会逐渐减小。但由束管监测数据可知，进风巷所有测点在停注N2期间O2浓度均升高到15%以上。因此，有理由怀疑地表沉陷出现的裂缝与1901工作面采空区经过裂缝导通。根据9号煤层及上覆岩层及地表环境的特点，一旦裂隙导通，就会大大促进采空区遗煤自燃。

图1 地表沉陷裂缝

4 地表漏风对采空区遗煤自燃影响的分析

如图2和图3所示，从7月到现在工作面中部岩石越来越多，顶板越来越难放，大量煤体遗留在采空区中部。在回风侧，由于采空区回风巷现在堆积的都是岩石，气体监测系统很难有效监测到采空区可能氧化点参数;采空区进风侧顶煤不放，遗煤将会很多。

图2 7月16日工作面剖面

图3 9月17日工作面剖面

因此，现阶段遗煤自燃的危险性仍很大，在注N2的同时必须采取堵漏风措施。地表沉陷可能引起地表空气漏入采空区，必须及时进行治理。

1901工作面采用注N2、打密闭的方式减少漏风进行防灭火，取得了很好的效果。但是随着回采进度的增加，地表沉陷产生裂缝，而且极有可能与井下采空区贯通，使O2，N2，CO等气体发生交换。而且由于元堡煤矿井下采用负压抽风，如果存在地表至采空区的漏风通道，漏风通道中空气柱也产生一定压力，使得地表大气压比井下采空区气压大的多。因此，元堡煤矿只能发生地表气体进入采空区而不会发生气体互换，对井下采空区防灭火极为不利，分析如下:

（1）地面气体进入采空区会影响工作面两端风压的平衡，出现漏风现象加剧。

（2）地面O2通过裂缝进入采空区后，为浮煤的自燃提供了良好的O2条件，增加了煤自燃的危险性。

（3）由于现阶段采空区内仍注N2，漏风使得部分O2会通过裂缝进入采空区稀释N2浓度，因此降低了注氮的效果，对防灭火工作不利。

（4）地表或岩层中的水通过裂隙流入采空区，经过水的浸泡后，采空区遗煤煤体更加松软，表面积增大，同时水进入采空区会释放潜热，增加采空区的温度，加大了自燃的危险性。

（5）地表裂隙一般出现在采空区周边 （两巷、切眼、工作面附近）的上部地表，而采空区周边均是遗煤较多且较破碎的地方，一旦漏风，充足的O2进入采空区，为煤自燃提供缓慢氧化的条件。

因此，有必要开展确定地表至井下采空区的漏风通道以及治理地表漏风的工作。采用对1901工作面进、回风巷合适的断面进行多次测风，计算并比较进、回风风量。结果如表1所示。

表1 1901工作面进、回风巷风量测算

由表1可得出，回风巷风量比进风巷风量大67.55m3/min。为了尽可能减小误差，进行了多次精确测量，结果均为回风巷风量比进风巷风量大66m3/min左右。由此，可以证实地表沉降产生的裂缝向采空区漏风。因此，需尽快采取相关措施。

5 地表沉陷漏风治理措施

地表漏风治理可以采取通过向采空区灌浆或者在地表填土掩埋裂缝的措施，结合元堡煤矿的实际情况，实施地表填土掩埋裂缝的措施。

（1）用挖掘机沿着裂隙走向挖槽，槽深为1～3m，宽为裂缝宽的8～10倍。

（2）将黄土、沙、石灰按照5∶3∶1混合成三合土，加水搅拌成泥浆，制备完成之后，借助喷浆机快速喷射到裂缝中并且填实。

（3）用黄土将槽填满并夯实。

经过对地表裂缝挖槽填土后，束管监测发现在停止向采空区注N2之后，并没有发现O2浓度有明显增大的现象，并且测量出进风巷和回风巷风量相差不大，可见采用此措施取得了明显的效果。

6 结论

针对1901工作面采空区上部地表沉陷初期的裂缝可能引起向井下漏风的隐患，根据元堡煤矿煤层地质、水文气候条件，总结出9号煤层上覆岩层及地表环境的特点和危害，分析了地表漏风对采空区遗煤自燃产生的影响，通过井下测风证实地表沉陷产生了与采空区贯通的裂缝，经过对地表裂缝挖槽填土后，效果明显。

［1］钱鸣高，缪协兴，许家林，等.岩层控制的关键层理论［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2000.

［2］李宗翔.高瓦斯易自燃采空区瓦斯与自燃耦合研究［D］.阜新:辽宁工程技术大学，2007.

［3］山西省地质勘查局二一七地质队.元堡煤矿地质报告［R］.元堡煤矿生产技术科，2010.

［4］代 杰，董建海，孟亚鹏.柴里煤矿大面积采空区漏风状况的研究与治理［J］.山东煤炭科技，2009（3）.

［5］韩 龙，苏厅云.大同煤矿采空区塌陷类型及防治方法［J］.探矿工程，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

国家自然科学基金重点项目:煤炭与煤层气双能源开采基础理论与方法研究 （50834005）;国家自然科学基金项目:含瓦斯风流对高瓦斯易燃煤体自燃氧化特性的影响及机理研究 （51174198）

夏 良 （1988－），男，安徽合肥人，硕士，研究方向为煤矿安全。

［责任编辑:邹正立］

矿山压力与灾害控制