大同礦區典型小窯隱蔽火源探測與治理關鍵技術

李樹靜，韋昌新，高 明，于貴生，郭江明

（1.山西朔州山陰中煤順通辛安煤業有限公司，山西 朔州036900；2.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 沈陽110016；3.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順113122）

煤層自然發火、煤田火與小窯火是我國煤礦火災的主要類型[1]，其中小窯火廣泛分布在我國山西大同、內蒙烏海等礦區，因私挖濫采、礦井技術資料缺失等原因，小窯火一般具有發火位置隱蔽、綜合治理難度高等特點。現階段，隱蔽火源探測技術仍是煤炭行業的一項世界性難題之一，目前國內應用的較多的是鉆探法[2]、物探法[3]、同位素測氡法[4]、遙感法[5]等方法，各方法均有利弊，除鉆探法外，其它方法尚不能實現對小窯隱蔽火區的準確圈定，相關探測技術有待進一步發展。

大同礦區是我國8 大煤炭生產基地之一，主產優質動力煤，整合前礦區內小窯密布，且在整合后具有煤層埋藏淺、煤層群賦存、小窯開采破壞嚴重且礦井生產多被小窯隱蔽火嚴重威脅等共性特征，對礦井安全生產造成嚴重威脅。以典型整合礦井（辛安礦）為例，重點闡述多位鉆探法與紅外熱成像掃描法相結合的高溫火源綜合探測方法，及小窯火隱蔽火源專項治理工程，通過實施該治理工程，消除了隱蔽火源與毒害氣體擴散威脅，建立礦井隱蔽小窯火綜合治理技術體系，保障礦井安全生產。

1 隱蔽火源探測技術現狀與不足

礦井隱蔽火源探測是一項世界性難題[6]，現階段各項技術的發展與應用特點：

1）在鉆探法探測方面，建立了孔內不同高度測溫與成孔時孔內氣樣分析相結合的探測技術工藝。

2）在物探法探測方面，開展了磁法、高密度電法等在煤礦火災探測領域的探索性研究。

3）在同位素測氡探測方面，通過測量氡氣濃度異常變化區域，圈定地下采空區火源的位置，探測深度可達500～800 m。

4）在遙感法探測方面，通過提取煤火燃燒痕跡或現象在可見光影像和熱紅外影像中顯示出來的特征信息，結合地質、采礦等信息與野外驗證，初步實現了煤田火區勘查與煤火的早期預報。

現階段，火區探測技術與裝備在煤礦火災防治應用效果分析見表1。

2 小窯隱蔽火源專項治理措施

山西朔州山陰中煤順通辛安煤業有限公司（以下簡稱辛安煤礦）位于大同礦區東南部，礦井由多個小煤窯整合而成，主采4#、9#、11#等煤層，設計生產能力3.00 Mt/a，井田面積8.198 5 km2，礦井主采煤層生產期間，尤其是煤層露頭側區域，面臨著小窯破壞區及隱蔽小窯火的嚴重威脅。

2.1 小窯隱蔽火源探測

堅持“先探測后治理、先井下后地面”的技術原則，針對主采工作面掘進期間檢測到的高溫及高濃CO 氣體隱患區域，采取鉆探法進行了圈定，探測過程如下：

表1 火區探測技術與裝備在煤礦火災防治應用效果分析Table 1 Application effect analysis of fire detection technology and equipment in coal mine fire prevention and control

1）首先在井下沿巷道掘進方向施工扇形探測鉆孔，初步圈定高溫、高濃CO 氣體隱患區域本煤層鉆孔。巷道每掘進50 m 施工5 個檢測鉆孔，分別位于巷道掘進方向（1 個）、巷道左幫（2 個）、巷道右幫（2個），井下探測鉆孔施工參數見表2。

表2 井下探測鉆孔施工參數Table 2 Borehole construction parameters for underground exploration

2）下部煤層鉆孔。根據巷道內高溫與CO 氣體顯現特點，在施工本煤層探測孔的同時，進一步施工下部煤層探測孔，以進一步進行對比分析。該層探測孔參數：方位90°；傾角-6°～10°；孔深50～65 m。根據自9#～11#層鉆孔內溫度、氣體濃度呈明顯的由低到高的梯度變化，最后判斷顯現的隱蔽火源區域位于下部煤層可能性極大（上覆4#煤層鉆孔內溫度偏低，但CO 氣體濃度較高，非同一火源）。

3）在地面進一步施工探測檢驗孔，對井下圈定的隱蔽小窯火隱患區域進行驗證進一步施工地面探測孔，驗證井下圈定的隱蔽火源范圍，本著“經濟治災、合理治災”的原則，共在地面施工7 個鉆孔，地面探火孔相對位置示意圖如圖1。圖1 中，1#～7#為施工的地面探火孔（兼做后期的措施孔），距掘進巷道水平距離90～135 m，其中3#～7#孔水平間距30 m；垂直藍色線代表掘進巷道及其走向；水平黑色線代表后期井下施工的治理措施孔。

圖1 地面探火孔相對位置示意圖Fig.1 Diagram of relative position of ground fire detection holes

通過進一步檢測，地面鉆孔內從上至下自4#、6#、9#、10#、11#號煤層，11#層層位溫度、CO 氣體濃度最高，最終驗證了井下探火孔的準確性，圈定了11#層小窯隱蔽火范圍，為下一步采取針對性的治理措施奠定了扎實基礎。

2.2 隱蔽火源專項治理

根據小窯隱蔽火賦存范圍，同時結合辛安礦生產技術條件的實際情況，最終確定在下部煤層施工1 道隔離墻，控制小窯隱蔽火對本煤層及下部煤層采掘工作面的威脅，該墻的技術參數如下：

1）隔離墻走向長度275 m。

2）墻體為無機固化速凝充填材料材質[6]，為粉狀水溶性雙組份成分，2 組分融水并充分攪拌后，初凝時間可控制在5 min 以內，2 h 后結構強度可達1.5 MPa。

3）由本煤層掘進巷道向下部煤層施工注漿鉆孔，平均每隔25 m 布置1 個鉆場，鉆場內鉆孔方位75°～102°，孔徑φ75mm，孔深45～65 m 且全程下φ50 mm 套管。后期兩鉆場間平均每隔5 m 又施工了密集注漿孔，進一步強化墻體構筑質量。

4）配套設備為1 臺ZBYSB210/9-18.5 型注漿裝置（后期又配置1 臺），理論流量12 m3/h，理論出口壓力9 MPa，配套使用4 臺大型攪拌裝置，整套系統操作簡單，適用于小窯破壞巷道的快速充填[7]。

另外，在施工完下部煤層隔離條帶后，本煤層工作面回采期間，同步采取均壓通風措施強化上覆煤層毒害氣體下泄預防措施。

3 效果分析

注漿隔離措施[8]取得預期效果。下部煤層隱蔽小窯火隔離條帶前后共施工62 個注漿鉆孔，累計壓注SWS-1 型無機固化速凝充填材料980 t，形成的注漿量約為4 410 m3，若按小窯巷道平均斷面12 m2計算，構筑墻體長度達到368 m，即使考慮到一定的備用系數[9]，也遠超設計長度，達到設計指標。治理區域內觀測鉆孔內CO 氣體濃度降至20×10-6，溫度降至25 ℃以下。均壓通風措施進一步控制了上覆煤層小窯破壞區毒害氣體的下泄威脅。本煤層工作面回采期間，及時采取了局部通風機加風門的均壓通風措施[10]，有效降低了毒害氣體下泄量，通過束管檢測，采空區CO 最大值始終控制在24×10-6以下。通過隔離與均壓措施的互相配合，保證了本煤層工作面的安全回采。

4 結 語

地面鉆探法與井下鉆探法相結合的探測方式在大同礦區東南井田典型小窯隱蔽火源的應用上效果較為理想，對于其它礦區隱蔽火源探測具有相當的借鑒意義；SWS-1 型無機固化速凝充填材料在大同礦區東南井田小窯嚴重破壞區的充填隔離應用取得成功，其大規模推廣與應用，可為小窯隱蔽火的治理提供一種新的思路。