乌达煤田火区对井下工作面安全生产影响分析

张卫亮

（煤炭科学研究总院沈阳研究院，辽宁省沈阳市，110016）

我国是地下煤层自燃灾害严重的国家之一，它不仅造成大量煤炭资源的损失和无法开采，影响煤矿的安全生产，同时破坏了生态环境，造成大气污染。随着下层煤的开采，加上煤田火灾的蔓延，地表大面积塌陷，需要不断进行火区调查和动态监测，且需多次修改灭火工程设计，为火区治理工作带来难度。煤层开采以后，采空区上覆岩层由下向上依次形成垮落带、裂隙带、弯曲下沉带。对于采场上覆岩层破坏变形在空间上形成 “三带”，国内已做了大量的研究工作，但主要集中在煤层开采、顶板管理、瓦斯抽放等方面。目前还没有文献针对煤田火区对下覆煤层开采作定量分析判断方面的研究，因此判断煤田火区对下层煤将要开采的工作面影响程度成为矿井生产过程中亟需解决的问题。

1 矿井和工作面概况

内蒙古乌达煤田火区已经燃烧了50多年，由于历史上小煤窑乱采滥挖、地表塌陷、早期发现的火区没有及时彻底治理等原因，乌达煤田地表仍存在大量火区。根据神华 （北京）遥感勘查有限责任公司2009年编制的火区调查报告，乌达煤田火区共有3 处大火，16 处子火区 （分别为1＃、2＃、3＃、4＃、5＃、6＃、7＃、8＃、9＃、10＃、11＃、12＃、15＃、16＃、17＃、18＃火 区，其 中，7＃、9＃、11＃火区仍处于燃烧状态），总面积为401.5万m2，主要燃烧1＃、2＃、4＃、6＃、7＃、9＃、10＃、11＃、12＃煤层。

乌达煤田共有3处生产矿井，分别为五虎山煤矿、黄白茨煤矿和苏海图煤矿。

五虎山煤矿位于乌达煤田的南部，其面积11.8km2，矿井设计生产能力1.5 Mt／a。地表11＃火区对应的井下906工作面位于矿井南翼，开采9＃煤层，煤层厚度为3.43～3.77m，倾角为3°～8°。工作面走向长度1102m，倾斜长度243m，采高3.6m，采用走向长壁后退式综合机械化采煤方法，全部垮落法管理顶板。

黄白茨煤矿位于乌达煤田东北部，核定生产能力为1.7Mt／a。7＃火区对应的井下1016工作面位于矿井南侧，开采10＃煤层，工作面走向长1230m，倾斜平均长度236m，采用走向长壁后退式综合机械化采煤法，全部垮落法管理顶板，最大采高2.6m。

苏海图煤矿位于乌达煤田西北部，南邻五虎山煤矿，东接黄白茨煤矿。井田面积11km2，核定生产能力1.35Mt／a。1354工作面位于135下山南翼，走向长度840m，倾斜长240m，煤层倾角平均7°。1354工作面所采13＃煤层平均厚度1.52m，最大采高为1.78m。

2 煤岩层位置关系

图1 11＃火区对应各煤层间的位置关系示意图

五虎山煤矿906工作面对应地表11＃火区燃烧2＃和4＃煤层，最大燃烧深度56 m，9＃煤层与上部7＃煤层采空区间距约73 m，与火区间距约111m，11＃火区对应各煤层间的位置关系见图1。黄白茨煤矿1016工作面对应地表7＃火区燃烧2＃、4＃、7＃煤层，10＃煤层与火区间距约85m，7＃火区对应各煤层位置关系见图2。苏海图煤矿1354工作面对应9＃火区燃烧6＃、7＃、8＃煤层，8＃煤层与13＃煤层间距约136m，9＃火区对应各煤层位置关系见图3。

3 下层煤开采时上覆火区影响程度

906工作面、1016工作面和1354工作面均设计为综合机械化开采，906 工作面开采9＃煤层，采高为3.6m；1016工作面开采10＃煤层，采高为2.6m （上覆9＃煤层，采高3m）；1354工作面开采13＃煤层，采高为1.78m。11＃火区燃烧的深部4＃煤层与9＃煤层间存在7＃煤层 （1.87 m）采空区；7＃火区燃烧的深部7＃煤层与10＃煤层间存在9＃煤层 （3.0m）采空区；9＃火区燃烧的深部8＃煤层与13＃煤层间存在9＃（2.69m）、10＃（2.22 m）、12＃（6.10m）和13上2＃（1.59m）煤层采空区。

3.1 冒落带高度

一般情况下，工作面上覆岩层冒落带高度为采高的3～4倍，以此计算，906工作面上覆冒落带高度为10.8～14.4m；1016工作面上覆冒落带高度为16.8～22.4m （10＃与9＃煤层间距只有1m，因此开采1016工作面时，冒落带高度应采用两层煤的综合开采厚度计算）；1354工作面上覆冒落带高度为5.34～7.12m。

3.2 裂隙带高度

与煤田火区有关的裂隙成因类型包括构造裂隙、塌陷裂隙、燃烧裂隙以及复杂的复合型裂隙，能够到达地表的裂隙有利于煤层自燃的供氧和排烟循环。在此处仅考虑工作面生产时其上覆岩层采动裂隙的最大高度。

根据煤矿地质资料，五虎山煤矿906工作面对应9＃、7＃煤层上覆岩层岩性以中硬为主，黄白茨煤矿1016工作面对应的9＃煤层与7＃煤层间的岩层岩性以软弱为主，苏海图煤矿1354工作面对应9＃、10＃、12＃和13上2＃煤层上覆岩层岩性均属中硬岩层，参考《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中导水裂隙带高度计算公式，计算各工作面开采时上覆岩层裂隙带最大高度。

（1）五虎山906工作面 （上覆岩层属中硬）：

式中：HL——裂隙带高度，m；

∑M——累计采厚，m。

经计算，H9＃=44.1m，H7＃=34.9m。

（2）黄白茨1016工作面 （上覆岩层属软弱）：

经计算，H10＃ =29 m，H9＃ =25 m，H9＃10＃=28.7m。

（3）苏海图煤矿1354工作面 （上覆岩层属中硬）：

经计算，H1354=33.2 m，H13＃上2=31.5 m，H9＃10＃=54.3m，H12＃=59.4m。

各工作面上覆岩层裂隙带高度与煤岩层对应关系如图1～图3。从图中可以看出，906 工作面上覆岩层最大裂隙高度44.1m 远小于工作面与火区间距离73m；1016工作面上覆岩层最大裂隙高度29m 远小于工作面与火区间距离85m；1354工作面上覆岩层裂隙相互连通，9＃、10＃煤层裂隙带最大高度为54.3m，小于9＃煤层与9＃火区间距约6 m，但8＃煤层底板为平均厚度8.5m 的中硬砂岩，脆性较大，裂隙极易发育，因此判断9＃、10＃煤层上部产生裂隙带与8＃煤层能够形成沟通裂隙。

3.3 冒落带与裂隙带分析

从冒落带计算结果可以看出，五虎山煤矿906工作面、黄白茨煤矿1016 工作面、苏海图煤矿1354工作面开采时最大冒落带高度远小于开采煤层与上覆煤层采空区和火区的距离，因此认为上覆火区的明火均不会对工作面安全生产构成影响。

从裂隙带计算结果来看，五虎山煤矿906工作面和黄白茨煤矿1016工作面开采时产生的裂隙带最大高度远小于工作面与火区间距离，因此认为工作面开采时上覆11＃、7＃火区内有害气体不会通过裂隙侵入工作面；苏海图煤矿1354工作面开采时上覆煤岩层产生的裂隙带能够连通9＃火区，因此认为工作面开采时9＃火区内有害气体能够通过裂隙侵入1354工作面。

综上所述，从冒落带和裂隙带高度可以看出，五虎山煤矿906工作面、黄白茨煤矿1016工作面、苏海图煤矿1354工作面开采时，均不受上覆火区明火的威胁；五虎山906工作面、黄白茨1016工作面开采时不受上覆火区有害气体影响，苏海图煤矿1354工作面开采时受上覆9＃火区有害气体的影响。

目前，上述工作面均已开采结束，工作面开采过程中，906、1016工作面均未受上覆火区影响，1354工作面开采时上覆火区CO 气体涌入工作面，工作面采取了均压措施，保证了工作面回采结束。

根据上述评估方法，还准确地做出了其他矿井工作面受上覆火区影响的评估，见表1。

表1 火区对工作面安全生产影响评估表

4 结论

（1）煤田火区下层煤安全开采是很多煤矿面临的一项技术难题，由于多数火区不能够及时完全彻底治理，所以必须分析煤田火区对工作面开采影响程度，确保矿井安全生产。

（2）利用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中导水裂隙带高度计算方法，分析煤田火区对工作面影响程度是可行的，为煤田火区下工作面安全开采提供了科学理论依据。

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