準能露天礦井田范圍內(nèi)小煤窯自燃火區(qū)探測及綜合治理技術(shù)實踐與研究

王潤和 付相超 周春山 鄔劍明

（1.神華準格爾能源有限責任公司生產(chǎn)技術(shù)部，內(nèi)蒙古鄂爾多斯市，010300；2.太原理工大學礦業(yè)工程學院，山西省太原市，030024）

準能露天礦井田范圍內(nèi)小煤窯自燃火區(qū)探測及綜合治理技術(shù)實踐與研究

王潤和1付相超1周春山2鄔劍明2

（1.神華準格爾能源有限責任公司生產(chǎn)技術(shù)部，內(nèi)蒙古鄂爾多斯市，010300；2.太原理工大學礦業(yè)工程學院，山西省太原市，030024）

針對神華準能露天礦井田范圍內(nèi)多處小煤窯出現(xiàn)的自燃火區(qū)，在分析煤層自燃原因和特征的基礎(chǔ)上，通過多種手段測定了地表溫度、裂隙塌陷范圍、燒變巖范圍、露頭燃燒范圍、探測孔溫度及氣體等，確定了火源的位置、范圍及發(fā)展趨勢，結(jié)合火區(qū)的實際，提出以黃土分層覆蓋碾壓、火區(qū)邊界打鉆灌漿隔離、火區(qū)深部鉆孔注黃泥漿、火區(qū)淺部注膠、局部煤層露頭火剝挖為主，塌陷區(qū)平整、火區(qū)（塌陷區(qū)）內(nèi)灌注黃泥漿為輔的綜合滅火技術(shù)方案，并在現(xiàn)場進行了實施。現(xiàn)場應(yīng)用效果表明，該方法工藝簡單、針對性強，滅火效果明顯。

火區(qū)勘查 深孔注漿 淺孔注膠 黃土覆蓋 露頭剝挖

神華準格爾能源有限責任公司現(xiàn)下屬黑岱溝和哈爾烏素兩個露天煤礦，井田范圍內(nèi)存在關(guān)閉地方小煤窯40座，其中黑岱溝礦17座、哈爾烏素礦23座，雖然均已關(guān)閉，但由于開采的5＃、6＃煤層揮發(fā)份高、變質(zhì)程度低，加之小煤窯開采時間較長、采煤工藝落后、破壞范圍較大，其開采區(qū)域存在大量遺煤，巷道相互貫通，采空區(qū)漏風嚴重；同時由于該區(qū)域煤層賦存較淺、露頭廣泛、地表塌陷眾多、采空區(qū)自然發(fā)火嚴重。目前在地表一般沿裂縫、塌陷坑處均有青煙、硫磺析出，并可看到明火、大量的青煙、強裂的刺鼻氣味（SO2），局部見燒變巖。火區(qū)的存在直接威脅到礦井安全生產(chǎn)和當?shù)卮迕竦纳敭a(chǎn)安全，造成大量的煤炭資源浪費和自然環(huán)境的嚴重惡化，并對礦井的生產(chǎn)部署產(chǎn)生重要影響。因此，針對該火區(qū)范圍大、溫度高、火源位置不確定、地質(zhì)資料缺乏、地表條件復(fù)雜、火區(qū)易復(fù)燃等特點，研究針對性的綜合治理技術(shù)十分必要。

1 火區(qū)勘查

（1）火區(qū)勘查方法及步驟。針對井田內(nèi)明火點、地表溫度異常區(qū)、地面塌陷裂隙區(qū)、燒變巖、煤層露頭等不同地點，分別通過手持GPS定位，紅外成像儀、野外照片描述，鉆孔測溫儀、地面溫度儀測溫、CO便攜儀、氣相色譜分析儀等裝置確定火區(qū)的位置及屬性，并通過探測孔對火區(qū)范圍進行復(fù)核驗證。

（2）火區(qū)勘查范圍確定。以地表溫度和探測孔溫度及氣體指標為依據(jù)由高到低向外擴展；以裂隙、塌陷的范圍和走向的縱深長度以及溫度變化為依據(jù)向外擴展；以燒變巖、煤層露頭燃燒和其他地表特征向外圍擴展。

（3）火區(qū)邊界確定原則。探測孔孔底溫度小于40℃；地表裂隙和塌陷邊緣外推20 m；燒變巖邊緣外推20 m；煤層露頭燃燒區(qū)外放20～30 m。

（4）火區(qū)勘查結(jié)果。根據(jù)上述方法及原則，2009年2月25日－3月24日，通過現(xiàn)場對井田內(nèi)永紅、席麻慶兩個治理區(qū)的火區(qū)勘查，得出火區(qū)溫度分布如圖1所示，確定火區(qū)面積為118986 m2。

圖1 永紅、席麻慶火區(qū)分布圖

2 火區(qū)治理方法選擇

由于該火區(qū)中心區(qū)域地表局部溫度達130℃，在打探測孔中鉆桿被燒化，孔口溫度達到200℃以上。

火區(qū)內(nèi)裂隙縱橫交錯，寬窄不一，最寬處達1.5 m，走煙冒氣，裂隙口溫度達230℃，塌陷下沉明顯，施工機械根本無法進入。針對這種情況，火區(qū)治理的總體施工方案為：以黃土分層覆蓋碾壓、火區(qū)邊界打鉆灌漿隔離、火區(qū)深部鉆孔注黃泥漿、火區(qū)淺部注膠、局部煤層露頭火剝挖為主，（塌陷區(qū)）平整、火區(qū)（塌陷區(qū)）內(nèi)灌注黃泥漿為輔。在火區(qū)形成上下兩個封堵帶，即下部采空區(qū)和裂隙黃泥漿封堵帶和淺部滅火凝膠封堵劑封堵帶，從而保證滅火效果。總體滅火方案如圖2所示。

圖2 滅火方案示意圖

3 滅火施工步驟及主要參數(shù)

3.1 滅火施工步驟

根據(jù)以上總體施工方案，火區(qū)具體施工步驟如圖3所示。其中剝離滅火時分臺階進行。工作面臺階高度為10 m，臺階坡角取70°，最小平盤寬度為24 m，采掘帶寬度為8 m，采用潛孔鉆機穿孔松動爆破法，孔間距為4 m，采用單排孔布置，裝藥長度為7 m，超鉆深取1.5 m，剝離后回填覆蓋0.8 m黃土壓實。整個剝離滅火施工工藝如圖4所示。

3.2 鉆孔布置方案

（1）隔離孔沿火區(qū)邊界布置隔離鉆孔20個，雙排梅花樣布置。

（2）深部滅火注漿孔按孔距20 m、行距20 m，共布置54個（其中有探測孔11個，監(jiān)測孔5個），布置時要注意裂隙的分布情況，避開裂隙。

（3）淺部注膠鉆孔，在平整剝離覆蓋形成臺階后，按孔距12 m、行距16 m，孔深一般在地表下15～20 m左右，在4個臺階上布置淺部鉆孔64個。

3.3 裂隙帶注漿量

調(diào)查發(fā)現(xiàn)火區(qū)裂隙分布廣泛且稠密，其中有15條非常明顯，因此對火區(qū)采取裂隙注黃泥漿，水土比為1∶0.5。其注漿量按公式（1）計算：

式中：Q裂隙漿——裂隙注漿量，m3；

K——注漿備用系數(shù)，取1.20；

L——火區(qū)沿燃燒煤層走向的長度，經(jīng)測量約500 m；

S——火區(qū)內(nèi)煤層傾向上溫度異常體平均面積，經(jīng)測量約160 m2；

n——煤層上部燒變巖體孔隙率，取0.20。

通過以上計算，火區(qū)裂隙注漿量約為21600 m3。

3.4 鉆孔注漿（膠）量

火區(qū)中心采用深部鉆孔注黃泥漿滅火，水土比為1∶0.5；淺部鉆孔注凝膠滅火，水玻璃∶碳酸氫銨∶水＝10∶4∶86，其灌注量按公式（2）計算：

式中：Q——鉆孔注漿（膠）量，m3；

K——備用系數(shù)，取1.20；

R——擴散半徑，注黃泥漿取7.5 m；注凝膠取5 m；

H——注漿時為采空高度，取8 m；注膠時為有效注膠孔深，取9 m；

n——注漿時漿液堆積空隙系數(shù)，取0.8；注膠時為煤層上部燒變巖體孔隙率，取0.1。

通過以上計算，每孔注漿量約為678 m3，注膠量為42 m3。

4 滅火效果評價

根據(jù)確定的滅火方法，2009年4月－10月，對黑岱溝火區(qū)進行治理。在進行施工的同時，對火區(qū)進行了全面的監(jiān)測，主要對鉆孔火災(zāi)氣體和鉆孔溫度進行檢測，通過對檢測結(jié)果的分析，及時調(diào)整施工工藝，以確保滅火效果。其中H6J2觀測孔CO濃度和溫度隨時間的變化曲線如圖5所示。

圖5 溫度和CO濃度隨時間變化曲線圖

從圖5中可以看出，觀察孔內(nèi)氣體溫度和CO濃度的月平均值連續(xù)6個月呈下降趨勢。氣體溫度已由治理前的584℃下降至31℃；CO濃度由0.1114%下降至0.0024%，在施工結(jié)束后，地表著火現(xiàn)象消失，火區(qū)內(nèi)氣體和溫度逐漸下降，并呈穩(wěn)定趨勢，治理效果顯著。

5 結(jié)論

（1）通過多種手段測定地表溫度、裂隙塌陷范圍、燒變巖范圍、露頭燃燒范圍、探測孔溫度及氣體等，確定了火源的位置、范圍及發(fā)展趨勢，為滅火工程提供了理論依據(jù)。

（2）準能露天礦井田范圍內(nèi)小煤窯引起的火區(qū)分布廣泛并相互連通，火源溫度高，燃燒深度淺，漏風供氧充分，采用單一的滅火方法難以徹底治理。

（3）通過現(xiàn)場實施，建立以黃土分層覆蓋碾壓、火區(qū)邊界打鉆灌漿隔離、火區(qū)深部鉆孔注黃泥漿、火區(qū)淺部注膠、局部煤層露頭火剝挖為主，（塌陷區(qū)）平整、火區(qū)（塌陷區(qū)）內(nèi)灌注黃泥漿為輔的綜合滅火技術(shù)方案，具有工藝簡單、針對性強、可操作性，經(jīng)過半年的施工，治理區(qū)域達到了《煤田火災(zāi)滅火規(guī)范》中的煤田火區(qū)熄滅標準。

［1］ 曹代勇，時孝磊，樊新杰等.煤田火區(qū)環(huán)境效應(yīng)分析［J］.中國礦業(yè)，2007（7）

［2］ 鄔劍明.煤自燃火災(zāi)防治新技術(shù)及礦用新型密閉堵漏材料的研究與應(yīng)用［D］.太原：太原理工大學，2008

［3］ 鄔劍明，張晉花，吳玉國.露天礦自燃火區(qū)探測及火區(qū)綜合治理技術(shù)研究［J］.煤炭工程，2012（2）

［4］ 王俊峰.煤地下自燃時覆巖中氡氣運移規(guī)律及應(yīng)用研究［D］.太原：太原理工大學，2010

［5］ 沈少波，吳玉國，鄔劍明.露天開挖法在治理淺埋藏采空區(qū)煤層自燃火區(qū)中的應(yīng)用［J］.山西煤炭，2010（1）

［6］ 周俊峰.大峰露天煤礦羊齒采區(qū)綜合滅火方案的研究［J］.露頭采礦技術(shù)，2012（3）

［7］ 高青松.簡述新疆煤田火災(zāi)的治理方法［J］.中國西部科技，2010（1）

［8］ 張建民.中國地下煤火研究與治理［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2008

［9］ 中國煤炭工業(yè)勞動保護科學技術(shù)學會.礦井火災(zāi)防治技術(shù)［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2007

［10］ 牛光勇，鄔劍明等.平朔礦區(qū)煤自燃宏觀特性的關(guān)聯(lián)性研究［J］.中國煤炭，2012（9）

Coal spontaneous combustion area detection and comprehensive control of small coalmine in Zhunneng open-pit mine

Wang Runhe1，F(xiàn)u Xiangchao1，Zhou Chunshan2，Wu Jianming2
（1.Production technical department，Shenhua Junggar Energy Co.，Ltd.，e＇erduosi，Inner Mongolia，010300，China；2.College of Mining Technology，Taiyuan University of Technology，Taiyuan，Shanxi 030024，China）

Aimed at several coal spontaneous combustion areas existing in the different small coalmines in the range of coal field of Shenhua Zhunneng open-pit mine，the location and scope of fire source as well as fire development trend were determined by via a variety of measures such as the determinations of surface temperature，fracture collapse range，burnt rock zones，outcrop burning area and the detection of borehole temperature and gases，based on the analysis of causes for the spontaneous combustion of coal seam and its characteristics.According to the actual situation of fire areas，the comprehensive control measures were proposed，that is loess laminated covering and rolling，grouting isolation at the boundary of fire area，yellow mud grouting in the deep part of fire areas，gel injection in the shallow part，and peeling and digging of outcrop fire，combined with the smoothing of collapse area and yellow mud grouting in the fire area.The practice showed that these measures are simple，flexible，targeted，with good effect of fire extinguishment.

exploration of fire area，deep borehole grouting，shallow borehole gel injection，loess covering，outcrop peeling and digging

TD752

A

王潤和（1959－），男，內(nèi)蒙古涼城縣人，高級工程師，主要從事煤礦生產(chǎn)技術(shù)研究及管理工作。

（責任編輯 張艷華）