基于煤層火災治理框架的地質災害治理案例分析

喬 文 慶

(太原理工大成工程有限公司，山西 太原 030024)

?

基于煤層火災治理框架的地質災害治理案例分析

喬 文 慶

(太原理工大成工程有限公司，山西 太原 030024)

以山西省蒲縣高閣村煤層火災治理為例，分析了著火區的概況及開采范圍，介紹了著火區的探測方法及鉆探驗證孔的布置方式，并從著火區圈定、鉆孔、注漿、注膠等方面，闡述了煤層火災治理框架的地質災害治理方法，最終取得了良好的治理效果。

煤層，著火區，地質災害，治理方法

0 引言

煤層燃燒屬于常見的一種地質災害，煤層燃燒不僅會對環境造成較大污染，同時還會造成煤炭資源的大量浪費，此外，煤層在燃燒過程中還會產生一氧化碳等有害氣體，這些氣體對于村民的生命安全構成了較大威脅，煤層的長期燃燒還會對煤礦企業的生產安全構成巨大威脅，總之，煤層燃燒存在著較多的安全隱患，因此需要及時的采取有效措施實施治理[1]，本文主要以山西省蒲縣高閣村煤層火災治理為例，通過實例分析煤層火災治理框架的地質災害治理方法及其效果。

1 火區概況及其開采范圍

蒲縣高閣村一帶賦存有豐富的煤炭資源，其中，山西組下部的2號煤層埋藏淺，煤質優良，開采簡單。在有水快流的年代，該地有眾多的私開煤礦開采，留下了較多的廢棄井口及采空巷道。數年前在廢棄的井巷中發生了地下煤層火災。

著火區位于蒲縣太林鄉高閣村周圍，距蒲縣縣城約20 km，蒲縣——克城公路從火區西側通過，并有簡易公路與高閣村相連，交通較為便利?；饏^地勢為北西、南東高，中間為一溝谷，地形海拔標高在1 415 m～1 520 m，屬低山丘陵地帶。山坡上灌木叢生，局部坡度較大。火區巖層總體走向北西，傾向北東，傾角5°左右，為一單斜構造。火區內無地表水體及河流?；饏^及周圍分布有眾多私開煤礦井口，絕大部分已被填埋，其開采對象為2號煤層，即火災煤層，該煤層位于二疊系下統山西組下部，煤層厚1.5 m左右，煤層結構簡單，煤質為主焦煤，埋藏淺，僅0 m～60 m，地質構造及水文地質條件簡單，老窯、小窯密布，且后人的小窯常開采前人小窯留下的煤柱，井下互相連通，并與如意溝煤礦采空區間接溝通，地表塌陷裂隙隨處可見[2]。

2 火區探測方法及其鉆探驗證孔的布置

工程首先采用瞬變電磁法和天然電場選頻法探測了著火區一帶采空破壞情況，認為著火區除了有記錄的采空區外，尚有較大面積的小窯開采破壞區。為火區治理設計提供了依據。設計勘探過程中，勘探人員采用米測溫探測技術對火區進行了詳細的探測。米測溫是地礦部七五攻關項目16—01—Ⅱ—4專題“地下熱水調查中物探、化探方法及合理工程程序”的一個研究內容，成果鑒定認為“米測溫方法技術有很大進展，方法技術日趨成熟”。米測溫法認為在正常情況下，在一定區域，一定時間內，地表下1 m處的地溫相同。如果地下有異常熱源，可引起米測溫的差異，進而根據米測溫異常圈定出熱源范圍。該方法研究表明，地下100 m水溫40 ℃的熱信息可在地表形成0.5 ℃的米測溫異常。這是米測溫法探測火區的原理[3]。

鑒于本區著火煤層埋深0～60余米，煤的燃點在350 ℃左右，著火煤層溫度一般不低于200 ℃，則著火區產生的米溫異?？蛇_2 ℃以上。采用0.1 ℃的測溫儀器，完全可用米測溫法探明火區范圍。通過探測之后總的燃燒面積約90 600 m2。探測點網度為(10×20)m，共布設探測點492個，測網由全站儀布設。根據不同測點米測溫值圈出米測溫等值線圖。并布置了12個鉆孔進行驗證，分別是：4101,4102,4103,4104,4105,4001,4002,4003,4004,4005,4006,4109，根據驗證結果進行了火區圈定。

3 具體治理采用的措施方法

在明確了煤層燃燒火區及其面積之后，采用了綜合性的治理方法實施滅火，具體的主要有米測溫工作、火區圈定、鉆孔、注漿、注膠以及地溫、CO含量監測等綜合措施實施治理。

3.1 米測溫工作

在米測溫測點位置，采用風動鑿巖機打一深1 m的圓孔，使用ID590溫度傳感器進行溫度測量，具體為將溫度傳感器探頭插入圓孔底7 min～10 min后開始觀測數據，在兩次觀測結果誤差小于0.1 ℃時作為觀測結果記錄。其精度滿足本次治理工程要求。

3.2 火區圈定

通過米測溫繪出的米溫等值線圖，可看出當時測區的米溫特征。在測區東南部，米溫值14 ℃以下為正常區，大于14 ℃為異常區。在測區中西部區米溫18 ℃以下為正常區，大于18 ℃為異常區。在高閣村北東測的溝谷兩側米溫普遍大于18 ℃，最高達60 ℃以上，呈南北向分布有6個峰值點。根據所測量的溫度結合滅火鉆孔情況，將16 ℃，18 ℃作為火區邊界線是基本準確的，將火區圈定為Ⅰ～Ⅴ五個區域，其中煤層著火區主要在Ⅰ號火區范圍內。Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ高溫異常區，范圍較小，米測溫值最高22 ℃，施工的鉆孔孔底孔口溫度在8 ℃～12 ℃，屬于正常，煤層及其頂底板巖層新鮮，無燃燒或烘烤現象，僅個別孔存在微弱的冒熱氣現象，因此認為該幾個高溫異常區不存在煤層著火情況[4]。

3.3 鉆孔

所有鉆孔開孔口徑確定為127 mm，鉆進至完整基巖下3 m～5 m后，置入φ108 mm套管護壁，然后采用φ89 mm的鉆頭實施變徑處理，鉆至采空區中的塌陷冒落或煤層底板1.0 m～3.0 m終孔。驗證孔采用全孔取芯鉆進，注漿孔采用無芯鉆進，所有鉆孔需要滿足注漿、地質觀察的需要。

3.4 注漿

本次制漿工藝流程圖如圖1所示，其中的水源為火區外西南部的廢棄井筒中抽取，水泥采用蒲縣水泥廠的325水泥，粉煤灰采用蒲縣發電廠的粉煤灰。根據設計的配合比以及相關原材料完成漿液的制備工作，之后實施注漿操作，注漿操作流程示意圖如圖2所示，在施工中應注意同一區段先施工火區邊部帷幕孔，再施工注漿孔。帷幕孔和注漿孔均采用間歇式或者一次性注漿方法。嚴格控制漿液質量，對于不合格漿液立即需要停止注漿，待漿液質量調配合格后再重新開始注漿。

3.5 注膠

注膠主要用于封堵煤柱孔，以及火區內注不進水泥粉煤灰漿液的采空塌陷鉆孔的煤巖層通風裂隙。采用雙液注漿工藝。在注膠前先做孔內注水試驗，一是沖洗孔內巖粉等沉淀物，二是疏通煤層裂隙，確定透水性。對于孔內滲透性好的可加大注水量，沖洗2 h后開始注膠；對于孔內滲透性差，則進行加壓注水沖洗，4 h后進行注膠。注膠材料主要是水、水玻璃、碳酸氫銨。具體為水玻璃溶液和碳酸氫銨溶液分別由兩個泵輸送至孔口，孔口安裝一混合器，使兩種溶液在混合器內混合后注入孔內。每次注膠前，均進行成膠試驗，將凝固時間確定在30 s左右。凝膠注入壓力達到0.2 MPa～0.5 MPa后持續5 min～10 min，終止注膠[6]。

3.6 地溫、CO含量監測

主要監測每個鉆孔終孔后的孔口，孔底溫度，孔內氣體CO的含量，每隔5 d～7 d對未注漿孔的孔口、孔底溫度，孔內CO含量進行跟蹤監測。氣體監測采用雙鏈球和采樣球膽采集孔內氣體，用氣體檢測器抽滿氣樣，使檢測器中的氣樣勻速通過氣體檢測管，讀取檢測管上顯示的數據并記錄。孔內、孔底溫度檢測采用連接線將溫度傳感器放入孔內，讀取儀表上數據。觀測孔孔口溫度檢測為孔內1 m深處的溫度。并將測定后的溫度以及一氧化碳含量變化制作成圖，觀察變化趨勢，ZK4007監測孔溫度、一氧化碳含量變化圖如圖3所示。

4 綜合治理效果分析

在本次煤層火災治理過程中完成了較多的工程量，具體的主要有：

1)采用米測溫法測點712個，探測總面積122 600 m2。其中，2009年面積90 600 m2,測點492個；2012年面積32 000 m2，測點220個；

2)鉆孔178個，鉆探進尺6 459.2 m。其中2009年鉆孔138個，鉆探進尺5 258 m；2012年鉆孔40個，鉆探進尺1 201.2 m；

3)注漿：47 272.48 m3，投砂439 m3，共用水泥6 854 t，粉煤灰27 418 t。其中，2009年44 745.48 m3；2012年2 527 m3；

4)注膠：2 423.75 m3，共用碳酸氫銨157 t，水玻璃105 t；

5)處理地表煤礦井口3處；

6)對各鉆孔進行了氣體監測和溫度測量，監測次數共1 500余次。

通過完成以上所有的工作量，最終取得的治理效果較好，可從三個方面進行介紹：

1)運用米測溫技術結合鉆探驗證準確圈定了火區范圍，經后來施工的注漿孔證實，圈定結果基本準確；

2)通過鉆探施工，查明了火區范圍的地層結構及構造特征，控制了火區邊界，有效阻止了煤層火災向外發展；

3)在2009年和2012年的二次施工中，通過加大滅火鉆孔施工密度，采用注漿、注膠的滅火方法控制了火勢發展，并最終治理了該煤層火災?；饏^大部分地段地溫已恢復正常，局部地段正在逐漸趨向正常。

5 結語

在本次煤層燃燒地質災害治理過程中，通過治理工程施工，完全圈閉了煤層著火范圍，并最終將火災撲滅，消除了火災危害，保證了周邊村莊、礦井的安全。但是為了保證煤層在撲滅之后不出現復燃，建議在火區地溫恢復正常過程中，禁止在火區內及其周圍進行采煤和一切可能導致通風、漏風工程施工，從而避免出現火區復燃，通過本次的煤層燃燒治理，表明了以上采用的綜合治理方法安全有效，在類型工程地質條件下出現的煤層燃燒治理過程中可借鑒這一工程經驗，在短時間內對煤層燃燒這一地質災害及時處理。

[1] 李玉生.重慶市三峽庫區若干重大地質災害隱患[J].中國地質災害與防治學報,2010(1)：77-78.

[2] 李潔瑩.煤田火災的成因、危害和治理技術[J].能源技術與管理,2011(4):10-11.

[3] 趙亞軍,錢 倩,史過平,等.測氡法在探測煤層高溫異常區域的應用[J].煤炭工程,2012(7):59-60.

[4] 李小冬.煤田火災形成機理與滅控技術研究現狀與進展[J].科學之友,2013(11):63-64.

[5] 張清宣,別小飛,龍印水,等.千秋煤礦防治煤層自燃火災體系的建立及應用[J].中州煤炭,2013(10):123-124.

[6] 劉虎生,吳玉國.補連塔煤礦12405采空區煤層自燃火災的綜合治理技術研究[J].山西煤炭,2014(12):90-91.

On case analysis of geological disaster treatment based on fire treatment framework of coal seams

Qiao Wenqing

(DachengEngineeringCo.,LtdofTaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

Taking the fire treatment of the coal seam at Gaoge Village of Pu County in Shanxi as the example, the paper analyzes the survey of the ignition zones and exploitation scopes, introduces the allocation approaches of the verifying holes in drilling and the detection methods for the ignition zones, and illustrates the geological disaster treatment of the fire treatment framework from the identification of the ignition zones, drilling, grouting, and glue injection, so as to achieve better treatment effect.

coal seam, ignition zone, geological disaster, treatment method

1009-6825(2016)26-0104-03

2016-07-06

喬文慶(1981- )，男，工程師

P694

A