新疆準南煤田阜康市煤圈溝井田火燒區(qū)特征及煤層自燃因素探析

寇宏杰, 王琰章

(1.甘肅煤田地質(zhì)局一三三隊，甘肅 白銀 730913； 2.甘肅煤田地質(zhì)研究所，蘭州 730000 )

新疆準南煤田阜康市煤圈溝井田火燒區(qū)特征及煤層自燃因素探析

寇宏杰1, 王琰章2

(1.甘肅煤田地質(zhì)局一三三隊，甘肅 白銀 730913； 2.甘肅煤田地質(zhì)研究所，蘭州 730000 )

新疆阜康市煤圈溝井田火燒區(qū)點多面廣，多沿煤層露頭呈帶狀展布，地貌特征明顯。煤層自燃是一個復(fù)雜的物理、化學和環(huán)境作業(yè)過程。通過分析煤層賦存、地質(zhì)構(gòu)造、已廢小窯和煤質(zhì)特征，指出煤層自燃是多種內(nèi)在因素和外在條件綜合作用的結(jié)果，為煤層自燃發(fā)火的預(yù)防和綜合治理提供一定依據(jù)，以便提高煤炭資源的合理開發(fā)和利用。

煤圈溝井田；火燒區(qū)；自燃因素

0 前言

煤圈溝井田位于新疆阜康市東南18km處的煤圈溝一帶，地處準噶爾盆地南緣戈壁平原與山區(qū)交界地帶，屬低山區(qū)，地勢陡峻，地形切割強烈，沖溝發(fā)育。該區(qū)氣候?qū)俦睖貛Т箨懶愿珊?半干旱氣候，年平均氣溫5.87℃，極端最高氣溫達41.5℃，平均降水量251.59mm，平均蒸發(fā)量1 543.81mm。井田下侏羅統(tǒng)八道灣組為主要含煤地層，含可采煤層12層[1]。井田內(nèi)煤層自燃不僅形成大面積的火燒區(qū)，損失大量煤炭資源，而且還引發(fā)一系列生態(tài)環(huán)境問題。通過井田的地質(zhì)勘查工作對煤層自燃因素做了初步探析，為煤層自燃發(fā)火的預(yù)防和綜合治理提供一定的依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

準南煤田位于中新生代烏魯木齊山前拗陷的東段，博格達復(fù)背斜弧形推覆體北側(cè)，區(qū)域地層以水磨溝-李家莊斷層為界，以南屬北天山地層分區(qū)博格達地層小區(qū)，以北屬準噶爾地層分區(qū)吉木薩爾地層小區(qū)。煤圈溝井田劃屬北天山地層分區(qū)博格達地層小區(qū)，賦存和出露的地層由下至上有下侏羅統(tǒng)八道灣組(J1b)、三工河組(J1s)、中侏羅統(tǒng)西山窯組(J2x)和第四系(Q)。井田內(nèi)煤層層數(shù)多，主要含煤地層為八道灣組(J1b)，含全區(qū)可采和大部分可采煤層12層，編號分別為10#-13#、14#-15#、19#-21#、33#、34#、36#、37#、38#、40#、41#、42#、46#煤層，可采厚度26.03～64.73m，平均42.75m。煤類以氣煤為主，少量長焰煤。井田總體構(gòu)造為一向斜和背斜構(gòu)造，北部為不對稱阜康向斜，軸向北東東，南翼傾角60°～70°，北翼傾角30°～50°。南部為南阜康背斜，背斜軸向與阜康向斜基本一致，由于F5高角度逆斷層在背斜核部切割，使南阜康背斜北翼地層基本不存在，但南翼地層保存較為完整，傾角為65°～75°。

2 井田火燒區(qū)特征

2.1 地表特征

井田火燒區(qū)范圍廣，在阜康向斜和南阜康背斜廣泛分布，火燒區(qū)在地表多沿煤層露頭呈帶狀展布，尤其在阜康向斜南翼的轉(zhuǎn)折端一帶，形成了長約2km,寬50～200m的燒變巖帶(圖1)。

(1)在地表火燒區(qū)，白天可見青煙，夜晚有火光，釋放出大量的氣體(CO、CO2、SO2)，靠近火區(qū)可聞到硫化氫的臭味，走近有呼呼聲，對礦區(qū)及周邊環(huán)境污染很大。

(2)火燒區(qū)在地表多形成塌陷坑和地裂縫。其上植物因高溫發(fā)黃甚至枯死，嚴重時燒成黑色。

(3)煤層自燃火燒后，圍巖及煤層夾矸受高溫烘烤發(fā)生變質(zhì)形成燒變巖，在地表及淺部形成顏色鮮艷的磚紅色火燒帶。燒變巖區(qū)容易發(fā)生崩塌和塌陷，在地表上形成一系列陡崖。

(4)燒變巖按其燒變程度不同可分為熔融燒變巖和烘烤侵染巖。熔融燒變巖顏色多為磚紅色、紫紅色、櫻紅色、褐黑色，原巖結(jié)構(gòu)、成分大多已改變而不清楚；烘烤侵染巖受輕微烘烤，原巖顏色有變化，局部受侵染，呈褐紅色或紅、紫色之斑點，巖石結(jié)構(gòu)及成分尚能辨認(圖2)。

圖1 煤圈溝井田地質(zhì)構(gòu)造及燒變巖地表分布范圍圖Figure 1 Geological structure and burnt rock surface distribution in Meiquangou minefield

圖2 烘烤侵染巖照片F(xiàn)igure 2 Photos of fire dried and invaded rocks

2.2 地下特征

(1)井田火燒底界一般在地表下垂深50～200m，在斷層發(fā)育處火燒垂深可達近600m(該區(qū)F6斷層附近施工的83-2鉆孔火燒底界達到594m)。

(2)煤層自燃后形成的火燒區(qū)，圍巖燒變后裂隙發(fā)育。火燒區(qū)造成圍巖塌陷，由此廣泛接受地表滲水和地下潛水補給，形成一個良好的蓄水場所，使火燒區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜化。

(3)由于煤層自燃形成的火燒區(qū)一般溫度較高，很容易引發(fā)火災(zāi)、瓦斯及煤塵爆炸等重大事故的發(fā)生，且燒變巖多空隙裂隙易成為強含水層，對井田建設(shè)和開采造成極大地安全隱患。

3 煤層自燃因素

3.1 煤層自燃定義

煤在常溫環(huán)境下會與空氣中的氧氣通過物理吸附、化學吸附和氧化反應(yīng)而產(chǎn)生微小熱量，且在一定條件下氧化產(chǎn)熱速率大于向環(huán)境的散熱速率，產(chǎn)生熱量積聚使得煤體溫度緩慢持續(xù)地上升，當達到煤的臨界自熱溫度后，氧化升溫速率加快，最后達到煤的著火點溫度而燃燒起來，這樣的現(xiàn)象和過程就是煤的自燃。

3.2 煤層自燃因素探析

煤層自燃是煤的氧化產(chǎn)熱與向環(huán)境散熱的矛盾發(fā)展的結(jié)果，因此只要與煤自燃過程產(chǎn)熱和熱量向環(huán)境散失相關(guān)的因素都能影響煤的自燃發(fā)火過程，可以將影響煤自燃的因素分為內(nèi)在因素和外在因素。

3.2.1 煤層自燃內(nèi)因

煤的自燃是一種自然屬性，但發(fā)生自燃的能力(煤的自燃傾向性)卻不相同，這是由于不同的煤抗氧化能力不一樣，而影響其自身氧化能力的，既內(nèi)在影響因素，主要有煤的變質(zhì)程度、煤的水分、煤巖程度及煤的灰分和揮發(fā)分等[2-3]。

(1)煤的變質(zhì)程度。以井田內(nèi)各煤層煤鏡質(zhì)組最大反射率(Ro，max)為指標劃分煤的變質(zhì)程度：10#-13#煤層為0.671%，14#-15#煤層為0.664%，19#-21#煤層為0.674%，33#煤層為0.648%， 37#煤層為0.659%，均屬第Ⅱ變質(zhì)階段，煤類為氣煤，屬低變質(zhì)階段的煙煤，其煤分子結(jié)構(gòu)中性質(zhì)活潑的側(cè)鏈及含氧官能團較高、芳香環(huán)數(shù)少，芳香化程度低，因而其抗氧化作用能力較弱，易于氧化自燃。

(2)煤的水分。煤中的水分是影響其氧化進程的重要因素，在煤的自熱階段，由于水分的生成與蒸發(fā)必然要消耗大量的熱，自燃時的化學反應(yīng)需要有少量的水分參加。井田中各煤層內(nèi)在水分(空氣干燥基水分Mad)在1.58%～4.82%,含量低，其對煤炭自燃影響主要表現(xiàn)在煤炭自燃初始階段的催化作用，既煤炭中的煤體被內(nèi)在水分潤濕時，水分對煤體表面進行氧化作用，并釋放出一定的潤濕熱，從而促進煤自燃初期的氧化，加劇了煤炭自燃的進程。

(3)煤巖成分。不同的煤巖成分有著不同的氧化性，氧化順序按系列順序降低：鏡煤、亮煤、暗煤、絲炭。井田各煤層宏觀煤巖成分大致相同，以鏡煤為主，次為絲炭和暗煤，其中鏡煤鏡質(zhì)組含量達57.2%～85.14%(表1)，加之絲炭在鏡煤中多以薄層狀和線理狀存在，其具有的較大孔隙性和易碎性，能夠吸附較多的氧氣，給相鄰鏡煤提供進行氧化所需的氧氣，致使煤層鏡煤自燃傾向性增大，自燃發(fā)火嚴重。

(4)煤的灰分和揮發(fā)分。煤中的礦物成分也叫灰分。由于絕大多數(shù)礦物的燃點高于煤的有機組分，所以一般來說灰分越高煤越不容易自燃。煤的揮發(fā)分既煤中有機質(zhì)的可揮發(fā)的熱分解產(chǎn)物，其中除含有氮、氫、甲烷、一氧化碳、二氧化碳和硫化氫等氣體外，還有一些復(fù)雜的有機化合物，煤在常溫下的氧化能力主要取決于揮發(fā)分的含量,揮發(fā)分含量越高,自燃傾向性越強,而且自燃時間也會相應(yīng)縮短。井田各可采煤層平均原煤灰分在9.24%～21.69%，屬特低灰(SLA)-中灰煤(MA)。揮發(fā)分在41.67%～50.00%,屬高揮發(fā)分煤(HV)，故各煤層發(fā)生自燃的可能性大。

表1 煤圈溝井田主要可采煤層煤質(zhì)指標一覽表

3.2.2 煤層自燃外因

煤炭自燃的外在條件決定于煤層接觸到的空氣量和外界的熱交換作用，這與煤層的埋藏條件及構(gòu)造等方面有著復(fù)雜的聯(lián)系，其中外在因素有[5]：

(1)賦存條件。煤層裸露、氣候干燥、炎熱、地形崎嶇破碎，易造成煤層自燃。煤圈溝井田位于準噶爾盆地南緣平原與山區(qū)交界的低、中山區(qū)，地形陡峭，地形切割強烈，屬典型的大陸性干旱-半干旱氣候，具有高溫、干旱、少雨、相對濕度小的特征。這些因素加快了出露煤層大量吸熱和氧化自燃的速度。

(2)構(gòu)造方面。地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷層破碎帶、褶皺轉(zhuǎn)折端易自燃。煤圈溝井田總體構(gòu)造形態(tài)為一背斜和向斜構(gòu)造，區(qū)內(nèi)斷層發(fā)育，主要發(fā)育有F5、F6高角度逆斷層，走向近東西向，切割所有可采煤層，使煤層受張拉、擠壓的作用，裂隙大量發(fā)育，破碎的煤體吸氧條件好，氧化性提高，易造成煤層自燃。

(3)已廢小窯。經(jīng)調(diào)查煤圈溝井田內(nèi)已廢小窯共有6個，開采規(guī)模均在6萬t以下，開采煤層多以13#-14#煤、14#-15#煤、19#-21#煤、31#煤和32#煤為主，煤層厚度以特厚-中厚煤層為主，采煤方法為倉儲式，由于該采煤法工作面支護靠兩側(cè)煤柱支撐,特厚煤層采區(qū)回采率不足50%,中厚煤層回采率僅60%左右,由此造成采空區(qū)內(nèi)遺留大量碎煤和煤柱，加之對煤層頂?shù)装骞芾砝щy，采空區(qū)漏風大，使采空區(qū)內(nèi)遺煤接受的氧化作用時間長，煤層儲熱能力提升快，極易造成遺煤自燃，這也是煤圈溝井田煤層容易自燃的一個重要因素。

4 結(jié)語

通過對煤圈溝井田火燒區(qū)特征及煤層自燃因素探析，揭示了煤層自燃與煤的變質(zhì)程度、水分、煤巖成分和煤的灰分、揮發(fā)分及煤層賦存、地質(zhì)構(gòu)造、已廢小窯影響等內(nèi)外因素間的聯(lián)系，從而為煤層自燃發(fā)火的預(yù)防和綜合治理提供一定依據(jù)[6]。當然，內(nèi)外因素僅僅是煤層自燃的基本條件，煤層自燃是一個復(fù)雜的物理、化學和環(huán)境作用過程，是多種因素綜合作用的結(jié)果，也決定了煤層自燃發(fā)火的多樣性和復(fù)雜性，還需進一步的研究。

[1]寇宏杰,王琰章,等.新疆準南煤田阜康市煤圈溝井田煤炭勘探報告[R].烏魯木齊：新疆煤田地質(zhì)局一五六煤田地質(zhì)勘探隊編制，2011.

[2]曹代勇,時孝磊,吳查查,等.烏達煤田煤層自燃內(nèi)因分析與自燃類型劃分[J].煤炭學報，2005.

[3]白浚仁.煤質(zhì)學[M].北京：地質(zhì)出版社.1989.6.

[4]張玉貴.鏡煤和絲炭自燃傾向性研究[J].煤礦安全，1991.

[5]尉茂河.關(guān)于煤層自燃的內(nèi)外因分析及其預(yù)防對策[J].煤礦安全，1998.

[6]譚永杰.中國煤炭自燃災(zāi)害及其防治對策[J].煤田地質(zhì)與勘探,2000.

ProbeintoFukangCityMeiquangouMinefieldBurningAreaFeaturesandCoalSpontaneousCombustionFactorsinSouthernJunggarCoalfield,Xinjiang

Kou Hongjie1, Wang Yanzhang2

(1.No.133 Exploration Team, Gansu Bureau of Coal Geological Exploration, Baiyin, Gansu 730913;2.Gansu Provincial Coal Geological Research Institute, Lanzhou 730000)

The burning area in the Fukang City Meiquangou minefield, Xinjiang has multiple ignition points in broad area; mostly along coal outcrops and presents zonal distribution with clear topographic features. The coal spontaneous combustion is a complicated physical, chemical and environmental working process. Through coal hosting, geological structure, abandoned small coalmine and coal quality features analyses have pointed out that the coal spontaneous combustion is an integrated result of multiple internal factors and external conditions. The result has provided certain basis for coal spontaneous combustion prevention and comprehensive treatment, so as to improve coal resources reasonable exploitation and utilization.

Meiquangou minefield; burning area; spontaneous combustion factors

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.10.02

1674-1803(2017)10-0015-03

A

寇宏杰 (1966—),男 ,甘肅定西人 , 畢業(yè)于成都理工大學(原成都地質(zhì)學院)放射性礦產(chǎn)專業(yè)，地質(zhì)高級工程師，主要從事煤田地質(zhì)勘查工作。

2017-08-01

責任編輯：宋博輦