城市規劃區內毗鄰高層建筑的煤田火區鉆探及注漿設計

閆 軍

（新疆煤田滅火工程局煤火監測與滅火技術中心，新疆烏魯木齊830063）

烏魯木齊大泉湖火區東距烏魯木齊市13km，為國家列入《新疆煤田火區治理規劃（2016～2025年）》中的8處重點火區之一。2015年4月初，該火區地表發生高溫塌陷，形成一直徑約1m的明火塌陷坑，由于火區地處烏魯木齊市城市規劃圈內，距火區最近的居民小區只有260m，該事件經新聞媒體報道后，引起了周邊群眾及社會各界的廣泛關注，自治區和烏魯木齊市政府均要求加快治理該火區。

圖1 烏魯木齊大泉湖火區位置示意圖

1 火區特征及治理方案

1.1 地質特征

經過勘查，該火區東西長2.6km，南北寬123m,燃燒煤層為B7、B8和B14煤層，平均厚度分別為6.79m、4.69m和2.79m，火區面積為312977m2，燃燒深度為7～134m，受威脅的煤炭儲量為1128×104t。發火原因主要為早期眾多小煤窯開采后，形成大量采空區，未及時做密封及防滅火措施而引發的火災。

1.2 燃燒特征

大泉湖火區位于山腰處，根據火區東西走向長度和地標高溫區大致可分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區3塊。

Ⅰ區地表火燒痕跡最明顯，沿煤層露頭頂底板圍巖普遍呈磚紅色，在個別遭受剝挖的區段可以看見煤層燃燒后的灰燼，高溫區位于物探勘探線10～15線之間，是3塊中面積最大的1塊。高溫區地表圍巖大部分已燒變破碎，部分圍巖已沉降錯位；傾向裂隙非常發育且間距大，最寬達30cm；裂隙最高溫度為684℃。裂隙周圍有大量煤焦油、硫磺和白色硫酸鹽析出，裂隙和塌陷中有青煙冒出，氣味非常刺鼻。媒體報道到的“火山口”位于高溫區的中部13～14線之間，為一直徑約1m的高溫塌陷坑，坑幫可見明火。在火區勘查時，該塌陷坑西部5m處新產生了1處高溫塌陷坑。

Ⅱ區煤層頂底板相對完整，受高溫烘烤的圍巖較破碎，裂隙發育，部分受人為采鑿的圍巖破碎成塊狀堆積在坡腳。有2塊地表高溫區，分別位于物探勘探線20～21線和25～29線之間，面積較大。高溫區內燃燒劇烈，地表普遍被火燒呈磚紅色，有大量青煙冒出，非常刺鼻；煤焦油、白色硫酸鹽沿裂隙析出地表，分布非常廣；地表裂隙最高溫度498℃。33、34勘查線中間以南約50m有1處廢棄井口。

Ⅲ區地表坡度較陡，煤層頂板非常完整，大部分為厚砂巖，部分地表被火燒呈磚紅色，溫度相對中、西部較低，最高為285℃。圍巖裂隙中有水蒸氣冒出，析出的煤焦油、硫磺沿走向分布，較分散，物探勘探線51線附近有一直徑約3m、深約2m的塌陷坑，坑內未見溫度異常。

根據火區燃燒特征，高溫區主要分布在塌陷坑及廢棄礦井采空區內，其他區域溫度較低，因此判斷火區內主要火源位于3個高溫區，其他區域受高溫區燃燒體影響導致煤層自燃，巖體溫度升高。

1.3 火區治理方案

由于該火區下部采空區分布廣泛、距居民區非常近、高溫區不連片等特征，制定以鉆探注漿封堵空區為主，剝離為輔的治理方案，重點治理高溫區，以節省工期，減少對下部居民區的影響。

2 鉆探設計

根據大泉湖火區特征，該火區主要以鉆探封堵下部空區為主，重點治理高溫區，減少以往火區治理中大量的剝離量，并且高溫區不連片，因此鉆孔的布置要有針對性。高溫區內鉆孔線間距、孔間距要加密，以保證有效控制下部采空區和高溫區；常溫區內鉆孔線間距、孔間距布置要相應加寬，以減少工程量、節約投資。按照該項原則，結合《煤田火災滅火規范》要求，設計高溫區內鉆孔線間距為15m，孔間距為10m；其他區域鉆孔線間距為30m，孔間距為25m，各滅火鉆孔垂直煤層布置，為有效控制煤層燃燒體，終孔位置布在燃燒煤層頂板上部5m處（圖2）。

圖2 烏魯木齊大泉湖火區鉆孔示意圖

根據上述設計統計，火區內沿煤層走向共布置102條孔線，其中物探勘探線10～15線、20～21線及25～29線間的高溫區鉆孔線間距為15m，孔間距為10m，其他區域鉆孔線間距均為30m，孔間距為25m，共計布設鉆孔342個，鉆探工程量合計17629m。

3 注漿材料

目前在煤田火區治理中常用的注漿材料有2種，分別為普通黃土泥漿和復核泥漿。普通黃土泥漿一般采用黃土，必要時可采用其他材料，泥漿水土比一般為（8∶1）～（3∶1）；復合泥漿是在普通黃土泥漿中加入適當比例的高分子添加劑形成復合泥漿，該漿液可實現水的固液轉化，具有較好的封堵煤巖裂隙、包裹高溫煤巖體、隔絕氧氣、降低溫度的效果。

3.1 普通黃土泥漿

優點：成本低、材料豐富、可就地取材、注漿設備簡單。

缺點：（1）由于黃土泥漿的粘度小、流動性大，注漿范圍無法掌控，往往實際注漿量遠遠大于設計注漿量。并且由于地層裂隙的存在，導致漿液大量流失到周圍空區和設計區域外，造成注漿材料的浪費。

（2）黃土泥漿液中的水在高溫區氣化，產生大量蒸汽，與其它氣體混合易形成水煤汽爆炸，對滅火施工造成極大的安全隱患。

（3）黃土泥漿擴散性較差，漿液一般沿著鉆孔垂直流到孔底后堆積，向周圍的擴散半徑較小，導致鉆孔周圍因漿液無法到達而難以熄滅；且漿液中水、土易分離，水流沖刷粉煤，使漏風通道更暢通，供氧更充分，滅火更困難。

（4）黃土泥漿漿液中砂石等雜質含量多，容易堵塞鉆孔，導致填充效果差。

3.2 復合泥漿

根據現場試驗及應用，復合泥漿有以下優點：

（1）可遠距離輸送，不堵管，在一定階段加入添加劑材料后，可使易于流動的液體泥漿在指定時間或指定部位凝結成固體，并將易流動的水固結起來，實現液固轉化，充分發揮水的滅火作用。

（2）復合泥漿成膠過程是吸熱反應，煤溫上升使膠體中的水汽化，吸收大量熱，并同時發泡材料快速形成2～5mm惰性氣泡（二氧化碳），使復合膠體快速膨脹充填燃燒的空間，提高充填效率和滅火效果。

（3）漿液在一定時間內是易于流動的液體，滲透到煤層縫隙中后形成膠體，堵住漏風通道。

（4）復合泥漿可長期保存在煤層中（現場實測13個月仍完好），防止煤層自然發火或火區復燃。

（5）復合泥漿成漿時間可以控制，便于針對不同發火情況和現場對其進行適當調節，最短成膠時間25s，慢的可控制在數小時，成漿速度根據火區條件和輸送距離及鉆孔滲透范圍進行調節。

（6）復合泥漿中，由于漿液有束水作用，在用于撲滅煤火時，不會急劇產生大量的水煤汽而惡化工作環境或發生水煤氣爆炸傷人安全事故。

（7）添加劑對于低濃度黃土泥漿液（土水比小于1∶1）的作用是使土水迅速分離（分離時間小于1min），脫出的液體僅是清水，而不是渾濁的漿液，不會污染工作區域，且脫出的水份吸熱后易于排出。所以大量灌注采空區火區可保證不潰漿不淹井，停留在指定地點的粘稠泥漿仍能起到復合泥漿的作用，采空區下部的工作區域基本不受影響。

（8）復合泥漿具有一定的粘彈性，通過對添加劑的配方進行調整，可以使復合泥漿具有一定的粘彈性，且漿液在煤層間隙受力時，僅發生蠕變，而不會破裂能緊密充填于煤層間隙，即使煤層壓裂破碎也不會產生漏風裂隙，可對施工、礦壓等造成的新裂隙進行二次封堵。

（9）添加劑也具有一定的堆積性，通過對復合泥漿的配方和工藝參數進行調整，復合泥漿可以具備一定的堆積性，其極限強度可以達到0.5MPa。黃土固化技術是由黃土、水、粘結劑、懸浮劑等制成漿液，黃土泥漿自地面經注漿管路輸入到采空區火區，然后加入少量膠凝劑，使之固化。材料有一定的初凝強度，能堆砌一定高度，能用于堵漏風和直接滅火和采空區填充。

（10）傳統黃土泥注漿造成有近1/2～1/3的注漿漿液流失到采空區裂隙、破碎帶等無效注漿部位，造成注漿液的大量流失。而添加劑泥漿所具備的功能，可以封堵裂隙減小注漿量，減少滅火注漿成本。

缺點是注漿工藝較黃土泥漿復雜，成本較高。

4 注漿材料的選擇及注漿設計

4.1 注漿材料的選擇

綜合考慮滅火效果、注漿成本等因素，為能夠控制住火勢、封堵火區下部空區、減少工期、降低成本、減少對南部居民區的影響，根據鉆探設計，在火區南部靠近居民區一側布置的2排鉆孔中注入滅火效果較好的復合泥漿，以便在火區南部形成注漿帷幕，隔離火區向南部發展，從而對居民區造成不良影響；其余鉆孔注普通黃土泥漿，以降低滅火成本。

4.2 注漿設計

根據火區特征及《煤田火災滅火規范》要求，黃土泥漿的水土比設計為3∶1，以充分填充、密實下部空區。根據現場試驗及應用，當復合泥漿水土比為1∶1時，漿液堆積性強、穩定、強度高，且充填裂隙、封堵空區效果較好，添加劑比例為每立方米泥漿中添加1.1kg添加劑。因此復合泥漿水土比設計為1∶1，且每立方米泥漿中添加1.1kg添加劑，以對火區南部2排鉆孔進行帷幕注漿，形成隔離幕墻。

4.3 注漿工藝

復合泥漿由泥漿攪拌機進行攪拌制備，通過管路輸送。一般在火區高點建立制漿站，每個制漿站由2臺泥漿攪拌機和1個泥漿池組成，攪拌機配制好的泥漿通過篩網排入泥漿池中，然后由泥漿池下部的排漿口通過膠管或淌槽利用自然高差輸送到滅火孔及魚鱗坑內，泥漿到達滅火孔的孔口時要再次過濾，以確保泥漿無雜物。

5 結論

通過對高溫區鉆孔加密布設，可以有效控制下部采空區和高溫區，保證注漿效果，提高注漿質量；而常溫區加大孔間距可以減少工程量、節約投資。對火區南部選用復合泥漿的注漿工藝，可以形成更加密實的注漿帷幕，以隔離火區向南部發展，消除火區對附近居民和建筑物的影響，保證安全；北部區域采用傳統的黃土泥漿可以降低滅火成本。該火區是新疆煤田火區治理歷史上遇到的一種特殊情況，火區治理難度大，周邊環境較復雜，但火區治理的意義十分重大。通過設計該火區鉆探及注漿工藝，進而安全、有效地治理該火區，對今后這一類火區的設計可提供借鑒作用。

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