路天煤礦火區物探及治理關鍵技術研究

楊志和

（烏海市路天礦業有限責任公司）

我國內蒙古烏海市烏達地區賦存煤層具有埋深較淺且易自然發火的特點，烏達礦物局在進行煤礦重組期間，將該地區大量原有小型煤礦合并重組。這些星落棋布的小煤礦在生產安全方面投入資金有限，采煤方法過于陳舊，一般使用普采與炮采，煤炭回采率較低。此類小型煤礦一旦發生遺煤自燃，一般采用封閉采空區的方式進行處理。重組后的大型國有煤礦回采至原有小煤礦的封閉火區，對原有封閉環境造成破壞，極易引發小煤窯遺煤復燃［1-5］。上述小煤窯火災普遍存在2種治理難點：①由于被合并重組的小煤礦地質資料匱乏，很難對火源位置進行有效判斷；②小煤窯火勢發展迅猛，范圍覆蓋普遍較廣，使用單一小流量滅火技術很難對該類火災進行有效抑制。在以上背景下，以烏海能源路天煤礦采空區地表火災治理為背景，開展小煤窯隱蔽火區快速治理技術研究。

1 火區概況

烏海能源路天煤礦位于內蒙古自治區烏海市東南45 km，處于桌子山煤田公烏素精查區3～17號勘探線，行政區劃隸屬烏海市海南區公烏素鎮管轄。其地理 坐標：東經106°53′45″～106°55′37″，北 緯39°17′55″～39°20′37″。四采區2#火區2號火點位于四采區井筒南翼北部，東部為041601采空區，北部為四采區副井井筒，南部為采空區未回填區。根據現場勘查情況看，火區北部非工作幫沿15#、16#煤層走向方向分布有5 條不明方向的小空巷向井筒方向延伸。15#、16#煤層已發生自燃現象，且從以往火區小窯巷道揭露情況看，小窯巷道分布凌亂交錯，相互貫通，導致小窯巷道延伸深度難以探查清楚。副井井筒沿17#煤層布設，17#煤層與16#煤層間距平均4.5 m，隨著火勢蔓延產生的裂縫及影響，對安全生產構成威脅。

2 火區探測

2.1 探測原理與方法

欲實現小煤窯火區的快速治理，準確判定火區燃燒位置及其發展態勢是必要前提。路天煤礦所在礦區內部的小煤窯火區雖然埋藏較淺，但由于煤層上覆煤巖具有較高的熱容，且導熱性較差，地表溫度異常不明顯，使用遙感法無法有效對地表無溫度異常區域進行探明［6-7］。前期對2#火區2 號火點進行了注水等治理方法，在2#火區高溫區域的底部存在大量積水，并且伴隨著上覆巖層的垮落，水、空氣及巖石這3 種傳導介質所構成的環境系統不適用電法探測高溫區［8-10］。綜上所述，上述提到的遙感法、電法不能很好地滿足路天煤礦火區探測的需求。

火區范圍內煤層埋藏深度較小，老窯分布較多，區內可見到塌陷區、采坑及煤層露頭，局部地表可見到明火點、青煙、燒變巖，并在明火點處可聞到刺鼻氣味。依據先期對火區地形及地質特征的研究工作，并參考目前煤田火區傳統探測方法，火區地面物探采用磁法、同位素測氡法和熱紅外測溫法進行綜合勘查。現場采集數據資料，通過對獲得的數據資料分析研究，確定火區的范圍及深度，并對火區進行鉆探驗證，根據驗證成果修改物探所圈定火區邊界。

2.2 高溫區辨識

2.2.1 測網布置

廣泛收集前期地質勘探資料和生產礦井情況，初步掌握火區和地質概況；了解含煤地層時代、地層層序、地質構造形態和主要構造；了解煤質特征與煤種；了解自然地理條件，地貌特征情況。根據踏勘資料初步確定勘探范圍，垂直煤層露頭走向布設物探測線，物探測網基本網度為40 m×10 m，即線距40 m，點距10 m。勘查區共布置測線47 條，共布置測點1 800個，測線總長度18 km。

2.2.2 磁法探測

依據本區磁法資料解釋，地表磁干擾主要為民房、高壓線、通訊線等。實測ΔT曲線上表現為單點或很窄的尖峰高頻異常，結合野外露頭點的調查，易與煤層自燃區磁異常區分。

由實測ΔT磁異常剖面圖分析，在燒變巖區磁異常形態各異，無一定規律，僅在煤層自燃邊界附近，磁異常相對穩定，幅值減小，異常走向有一定規律。圖1 為勘查區物探測線磁異常ΔT曲線圖，磁異常明顯，異常幅值相對較大，推測其火區燒變巖有一定的埋深。推測火區范圍為測線70～370號。

磁法資料解釋遵循的原則：從點到線，從線到面，把每條磁法剖面利用專業軟件按一定比例尺投影到工程布置圖上。利用上述解釋原則進行煤層燃燒邊界的劃定。

圖2為Ⅱ區塊磁法解釋煤層燃燒邊界示意圖，從圖上可以看出，各測線上曲線異常形態基本一致，其異常呈條帶狀分布。根據上述剖面解釋原則，用磁法圈定了火區邊界。

2.2.3 同位素測氡法探測

圖3 為勘查區物探測線同位素測氡法計數值曲線圖，數據曲線異常明顯，幅值相對較大，最大可達到15 N/min。根據上述解釋原則，同位素測氡法解釋的火區范圍為80～350號點。

圖4 為Ⅱ區塊同位素測氡法解釋煤層燃燒邊界示意圖。從圖4可以看出，氡值計數值高值異常呈條帶狀高值連續分布，根據上述解釋原則，用同位素測氡法圈定的火區范圍如圖4所示。

2.2.4 紅外線測溫法探測

地下煤層燃燒產生的熱量，一方面沿裂隙（裂縫）向地表逸出，一方面通過巖石的熱傳導作用在地表形成熱異常區。圖5 為勘查區探測線紅外線測溫法溫度曲線圖，可以看出地表具有明顯的溫度異常，最高溫度達到140 ℃，氣溫在15 ℃左右。地表的高溫異常區說明該區域有煤層燃燒區存在，范圍為70～360號點。

圖6 為Ⅱ區塊局部紅外線測溫法解釋煤層燃燒邊界示意圖。從圖上可看出，高溫異常呈高值連續的條帶狀異常，說明高溫異常下有燃燒煤層存在，驗證了其他物探方法圈定火區的準確性。

3 火區滅火降溫技術

烏海能源路天煤礦煤層較厚，受火區地表剝離及原有小煤礦開采影響，采空區與外部環境形成大量裂隙通道。在前期火區治理實踐過程中，采用單一注水的方法，雖然成本較低，但此方法僅對低洼區域及水流經過地進行局部降溫，對于地處中高位的火區降溫效果不明顯，并且治理火區的效率較低，耗水量較大。泡沫滅火技術是利用水漿發泡，發泡后的水漿具有擴散范圍廣且堆積性能良好的特點，可用于在煤巖裂隙中或松散空洞區擴散，有效提高水分與煤巖中高溫區域的接觸面積，減少火區治理過程中的用水量。綜上所述，烏海能源路天煤礦火區高溫區域治理流程如下：①應用灌澆水方法對地表高溫區域進行有效降溫；②通過地面鉆孔將制備好的兩相泡沫注入高溫區域；③應用注三相泡沫與鉆孔注水聯合降溫的方法對煤巖較為密實的高溫區域進行降溫；④對地表的裂隙及空洞進行隔氧封堵。

路天煤礦周邊大范圍火區中較為密實的煤與巖石混合區域具有熱交換困難并且孔隙率低的特點，大空間松散及帶有空洞的高溫區域是火區治理的難點。對于鉆孔注水及注入三相泡沫聯合治理火區這項技術而言，確定合理的綜孔位置及鉆孔布距是高溫區治理過程中的重中之重。在火區鉆孔施工前需要分析火區治理范圍內的縱向溫度分布及三相泡沫的擴散特性。路天煤礦運用高精度溫度測定儀測定溫度與鉆孔深度之間的變化規律，測定結果表明，高溫區集中分布于煤層頂板下部4 m 區域，通過相似模擬實驗得出泡沫滅火材料在松散煤巖介質中的擴散及流動規律，進而確定路天煤礦最佳施工鉆孔間距為8 m，在實際施工鉆孔時會遇到提鉆塌孔問題，將滅火鉆孔的綜孔位置定位到煤體深度5 m。成孔后首先向高溫區域注水，若效果不明顯，則令水漿發泡并形成三相泡沫充填降溫。

4 治理效果

為有效避免降溫后的火區復燃，仍然需要運用隔氧封堵的方法對漏風通道進行封堵，路天煤礦運用具有黏結性的稠化泥漿對地表裂隙進行封堵，并利用黃泥加碎石對經過剝挖治理后的區域進行回填，用以阻斷采空區與外界的漏風，以上措施在現場達到了理想的效果。

治理后原火區范圍內未檢測出溫度異常，實現了淺埋深大范圍火區治理。滅火鉆孔溫度數據監測結果如圖7所示。

5 結論

（1）根據踏勘資料初步確定勘探范圍，垂直煤層露頭走向布設物探測線，勘查區共布置測線47條，共布置測點1 800 個。應用磁法、同位素測氡法和熱紅外測溫法對火區進行綜合勘查。分別推測火區范圍依次為測線點號70～370、80～350、70～360。3 種探測方法彼此相互驗證，依此測試結果，繪制出3 種比較可靠的煤層燃燒邊界示意圖。

（2）對火區進行三相泡沫與水聯合治理，并應用地表隔氧封堵技術對地表裂隙進行封堵，高溫區治理起到了明顯的效果，治理后原火區范圍內未檢測出溫度異常。通過現場應用實踐，上述技術手段具有治理速度快、效率高、效果好的特點，可以為兼并重組后小煤礦引發火區的快速治理提供借鑒。針對其他埋藏深度較大的火區，火區治理過程必然面臨更為復雜的環境和條件，需要進一步研究。