路天煤礦火區(qū)物探及治理關(guān)鍵技術(shù)研究

楊志和

（烏海市路天礦業(yè)有限責(zé)任公司）

我國(guó)內(nèi)蒙古烏海市烏達(dá)地區(qū)賦存煤層具有埋深較淺且易自然發(fā)火的特點(diǎn)，烏達(dá)礦物局在進(jìn)行煤礦重組期間，將該地區(qū)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(chǎn)安全方面投入資金有限，采煤方法過(guò)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(fā)生遺煤自燃，一般采用封閉采空區(qū)的方式進(jìn)行處理。重組后的大型國(guó)有煤礦回采至原有小煤礦的封閉火區(qū)，對(duì)原有封閉環(huán)境造成破壞，極易引發(fā)小煤窯遺煤復(fù)燃［1-5］。上述小煤窯火災(zāi)普遍存在2種治理難點(diǎn)：①由于被合并重組的小煤礦地質(zhì)資料匱乏，很難對(duì)火源位置進(jìn)行有效判斷；②小煤窯火勢(shì)發(fā)展迅猛，范圍覆蓋普遍較廣，使用單一小流量滅火技術(shù)很難對(duì)該類火災(zāi)進(jìn)行有效抑制。在以上背景下，以烏海能源路天煤礦采空區(qū)地表火災(zāi)治理為背景，開(kāi)展小煤窯隱蔽火區(qū)快速治理技術(shù)研究。

1 火區(qū)概況

烏海能源路天煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市東南45 km，處于桌子山煤田公烏素精查區(qū)3～17號(hào)勘探線，行政區(qū)劃隸屬烏海市海南區(qū)公烏素鎮(zhèn)管轄。其地理 坐標(biāo)：東經(jīng)106°53′45″～106°55′37″，北 緯39°17′55″～39°20′37″。四采區(qū)2#火區(qū)2號(hào)火點(diǎn)位于四采區(qū)井筒南翼北部，東部為041601采空區(qū)，北部為四采區(qū)副井井筒，南部為采空區(qū)未回填區(qū)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查情況看，火區(qū)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(fā)生自燃現(xiàn)象，且從以往火區(qū)小窯巷道揭露情況看，小窯巷道分布凌亂交錯(cuò)，相互貫通，導(dǎo)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(shè)，17#煤層與16#煤層間距平均4.5 m，隨著火勢(shì)蔓延產(chǎn)生的裂縫及影響，對(duì)安全生產(chǎn)構(gòu)成威脅。

2 火區(qū)探測(cè)

2.1 探測(cè)原理與方法

欲實(shí)現(xiàn)小煤窯火區(qū)的快速治理，準(zhǔn)確判定火區(qū)燃燒位置及其發(fā)展態(tài)勢(shì)是必要前提。路天煤礦所在礦區(qū)內(nèi)部的小煤窯火區(qū)雖然埋藏較淺，但由于煤層上覆煤巖具有較高的熱容，且導(dǎo)熱性較差，地表溫度異常不明顯，使用遙感法無(wú)法有效對(duì)地表無(wú)溫度異常區(qū)域進(jìn)行探明［6-7］。前期對(duì)2#火區(qū)2 號(hào)火點(diǎn)進(jìn)行了注水等治理方法，在2#火區(qū)高溫區(qū)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(dǎo)介質(zhì)所構(gòu)成的環(huán)境系統(tǒng)不適用電法探測(cè)高溫區(qū)［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(qū)探測(cè)的需求。

火區(qū)范圍內(nèi)煤層埋藏深度較小，老窯分布較多，區(qū)內(nèi)可見(jiàn)到塌陷區(qū)、采坑及煤層露頭，局部地表可見(jiàn)到明火點(diǎn)、青煙、燒變巖，并在明火點(diǎn)處可聞到刺鼻氣味。依據(jù)先期對(duì)火區(qū)地形及地質(zhì)特征的研究工作，并參考目前煤田火區(qū)傳統(tǒng)探測(cè)方法，火區(qū)地面物探采用磁法、同位素測(cè)氡法和熱紅外測(cè)溫法進(jìn)行綜合勘查?，F(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)資料，通過(guò)對(duì)獲得的數(shù)據(jù)資料分析研究，確定火區(qū)的范圍及深度，并對(duì)火區(qū)進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，根據(jù)驗(yàn)證成果修改物探所圈定火區(qū)邊界。

2.2 高溫區(qū)辨識(shí)

2.2.1 測(cè)網(wǎng)布置

廣泛收集前期地質(zhì)勘探資料和生產(chǎn)礦井情況，初步掌握火區(qū)和地質(zhì)概況；了解含煤地層時(shí)代、地層層序、地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)和主要構(gòu)造；了解煤質(zhì)特征與煤種；了解自然地理?xiàng)l件，地貌特征情況。根據(jù)踏勘資料初步確定勘探范圍，垂直煤層露頭走向布設(shè)物探測(cè)線，物探測(cè)網(wǎng)基本網(wǎng)度為40 m×10 m，即線距40 m，點(diǎn)距10 m?？辈閰^(qū)共布置測(cè)線47 條，共布置測(cè)點(diǎn)1 800個(gè)，測(cè)線總長(zhǎng)度18 km。

2.2.2 磁法探測(cè)

依據(jù)本區(qū)磁法資料解釋，地表磁干擾主要為民房、高壓線、通訊線等。實(shí)測(cè)ΔT曲線上表現(xiàn)為單點(diǎn)或很窄的尖峰高頻異常，結(jié)合野外露頭點(diǎn)的調(diào)查，易與煤層自燃區(qū)磁異常區(qū)分。

由實(shí)測(cè)ΔT磁異常剖面圖分析，在燒變巖區(qū)磁異常形態(tài)各異，無(wú)一定規(guī)律，僅在煤層自燃邊界附近，磁異常相對(duì)穩(wěn)定，幅值減小，異常走向有一定規(guī)律。圖1 為勘查區(qū)物探測(cè)線磁異常ΔT曲線圖，磁異常明顯，異常幅值相對(duì)較大，推測(cè)其火區(qū)燒變巖有一定的埋深。推測(cè)火區(qū)范圍為測(cè)線70～370號(hào)。

磁法資料解釋遵循的原則：從點(diǎn)到線，從線到面，把每條磁法剖面利用專業(yè)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(jìn)行煤層燃燒邊界的劃定。

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

2.2.3 同位素測(cè)氡法探測(cè)

圖3 為勘查區(qū)物探測(cè)線同位素測(cè)氡法計(jì)數(shù)值曲線圖，數(shù)據(jù)曲線異常明顯，幅值相對(duì)較大，最大可達(dá)到15 N/min。根據(jù)上述解釋原則，同位素測(cè)氡法解釋的火區(qū)范圍為80～350號(hào)點(diǎn)。

圖4 為Ⅱ區(qū)塊同位素測(cè)氡法解釋煤層燃燒邊界示意圖。從圖4可以看出，氡值計(jì)數(shù)值高值異常呈條帶狀高值連續(xù)分布，根據(jù)上述解釋原則，用同位素測(cè)氡法圈定的火區(qū)范圍如圖4所示。

2.2.4 紅外線測(cè)溫法探測(cè)

地下煤層燃燒產(chǎn)生的熱量，一方面沿裂隙（裂縫）向地表逸出，一方面通過(guò)巖石的熱傳導(dǎo)作用在地表形成熱異常區(qū)。圖5 為勘查區(qū)探測(cè)線紅外線測(cè)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(dá)到140 ℃，氣溫在15 ℃左右。地表的高溫異常區(qū)說(shuō)明該區(qū)域有煤層燃燒區(qū)存在，范圍為70～360號(hào)點(diǎn)。

圖6 為Ⅱ區(qū)塊局部紅外線測(cè)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(xù)的條帶狀異常，說(shuō)明高溫異常下有燃燒煤層存在，驗(yàn)證了其他物探方法圈定火區(qū)的準(zhǔn)確性。

3 火區(qū)滅火降溫技術(shù)

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

路天煤礦周邊大范圍火區(qū)中較為密實(shí)的煤與巖石混合區(qū)域具有熱交換困難并且孔隙率低的特點(diǎn)，大空間松散及帶有空洞的高溫區(qū)域是火區(qū)治理的難點(diǎn)。對(duì)于鉆孔注水及注入三相泡沫聯(lián)合治理火區(qū)這項(xiàng)技術(shù)而言，確定合理的綜孔位置及鉆孔布距是高溫區(qū)治理過(guò)程中的重中之重。在火區(qū)鉆孔施工前需要分析火區(qū)治理范圍內(nèi)的縱向溫度分布及三相泡沫的擴(kuò)散特性。路天煤礦運(yùn)用高精度溫度測(cè)定儀測(cè)定溫度與鉆孔深度之間的變化規(guī)律，測(cè)定結(jié)果表明，高溫區(qū)集中分布于煤層頂板下部4 m 區(qū)域，通過(guò)相似模擬實(shí)驗(yàn)得出泡沫滅火材料在松散煤巖介質(zhì)中的擴(kuò)散及流動(dòng)規(guī)律，進(jìn)而確定路天煤礦最佳施工鉆孔間距為8 m，在實(shí)際施工鉆孔時(shí)會(huì)遇到提鉆塌孔問(wèn)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(qū)域注水，若效果不明顯，則令水漿發(fā)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(qū)復(fù)燃，仍然需要運(yùn)用隔氧封堵的方法對(duì)漏風(fēng)通道進(jìn)行封堵，路天煤礦運(yùn)用具有黏結(jié)性的稠化泥漿對(duì)地表裂隙進(jìn)行封堵，并利用黃泥加碎石對(duì)經(jīng)過(guò)剝挖治理后的區(qū)域進(jìn)行回填，用以阻斷采空區(qū)與外界的漏風(fēng)，以上措施在現(xiàn)場(chǎng)達(dá)到了理想的效果。

治理后原火區(qū)范圍內(nèi)未檢測(cè)出溫度異常，實(shí)現(xiàn)了淺埋深大范圍火區(qū)治理。滅火鉆孔溫度數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖7所示。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)踏勘資料初步確定勘探范圍，垂直煤層露頭走向布設(shè)物探測(cè)線，勘查區(qū)共布置測(cè)線47條，共布置測(cè)點(diǎn)1 800 個(gè)。應(yīng)用磁法、同位素測(cè)氡法和熱紅外測(cè)溫法對(duì)火區(qū)進(jìn)行綜合勘查。分別推測(cè)火區(qū)范圍依次為測(cè)線點(diǎn)號(hào)70～370、80～350、70～360。3 種探測(cè)方法彼此相互驗(yàn)證，依此測(cè)試結(jié)果，繪制出3 種比較可靠的煤層燃燒邊界示意圖。

（2）對(duì)火區(qū)進(jìn)行三相泡沫與水聯(lián)合治理，并應(yīng)用地表隔氧封堵技術(shù)對(duì)地表裂隙進(jìn)行封堵，高溫區(qū)治理起到了明顯的效果，治理后原火區(qū)范圍內(nèi)未檢測(cè)出溫度異常。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)踐，上述技術(shù)手段具有治理速度快、效率高、效果好的特點(diǎn)，可以為兼并重組后小煤礦引發(fā)火區(qū)的快速治理提供借鑒。針對(duì)其他埋藏深度較大的火區(qū)，火區(qū)治理過(guò)程必然面臨更為復(fù)雜的環(huán)境和條件，需要進(jìn)一步研究。