基于煤層火災(zāi)治理框架的地質(zhì)災(zāi)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)

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基于煤層火災(zāi)治理框架的地質(zhì)災(zāi)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(zāi)治理為例，分析了著火區(qū)的概況及開(kāi)采范圍，介紹了著火區(qū)的探測(cè)方法及鉆探驗(yàn)證孔的布置方式，并從著火區(qū)圈定、鉆孔、注漿、注膠等方面，闡述了煤層火災(zāi)治理框架的地質(zhì)災(zāi)害治理方法，最終取得了良好的治理效果。

煤層，著火區(qū)，地質(zhì)災(zāi)害，治理方法

0 引言

煤層燃燒屬于常見(jiàn)的一種地質(zhì)災(zāi)害，煤層燃燒不僅會(huì)對(duì)環(huán)境造成較大污染，同時(shí)還會(huì)造成煤炭資源的大量浪費(fèi)，此外，煤層在燃燒過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生一氧化碳等有害氣體，這些氣體對(duì)于村民的生命安全構(gòu)成了較大威脅，煤層的長(zhǎng)期燃燒還會(huì)對(duì)煤礦企業(yè)的生產(chǎn)安全構(gòu)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(shí)的采取有效措施實(shí)施治理[1]，本文主要以山西省蒲縣高閣村煤層火災(zāi)治理為例，通過(guò)實(shí)例分析煤層火災(zāi)治理框架的地質(zhì)災(zāi)害治理方法及其效果。

1 火區(qū)概況及其開(kāi)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(hào)煤層埋藏淺，煤質(zhì)優(yōu)良，開(kāi)采簡(jiǎn)單。在有水快流的年代，該地有眾多的私開(kāi)煤礦開(kāi)采，留下了較多的廢棄井口及采空巷道。數(shù)年前在廢棄的井巷中發(fā)生了地下煤層火災(zāi)。

著火區(qū)位于蒲縣太林鄉(xiāng)高閣村周?chē)?，距蒲縣縣城約20 km，蒲縣——克城公路從火區(qū)西側(cè)通過(guò)，并有簡(jiǎn)易公路與高閣村相連，交通較為便利?；饏^(qū)地勢(shì)為北西、南東高，中間為一溝谷，地形海拔標(biāo)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?；饏^(qū)巖層總體走向北西，傾向北東，傾角5°左右，為一單斜構(gòu)造?；饏^(qū)內(nèi)無(wú)地表水體及河流?；饏^(qū)及周?chē)植加斜姸嗨介_(kāi)煤礦井口，絕大部分已被填埋，其開(kāi)采對(duì)象為2號(hào)煤層，即火災(zāi)煤層，該煤層位于二疊系下統(tǒng)山西組下部，煤層厚1.5 m左右，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤質(zhì)為主焦煤，埋藏淺，僅0 m～60 m，地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，老窯、小窯密布，且后人的小窯常開(kāi)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(qū)間接溝通，地表塌陷裂隙隨處可見(jiàn)[2]。

2 火區(qū)探測(cè)方法及其鉆探驗(yàn)證孔的布置

工程首先采用瞬變電磁法和天然電場(chǎng)選頻法探測(cè)了著火區(qū)一帶采空破壞情況，認(rèn)為著火區(qū)除了有記錄的采空區(qū)外，尚有較大面積的小窯開(kāi)采破壞區(qū)。為火區(qū)治理設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。設(shè)計(jì)勘探過(guò)程中，勘探人員采用米測(cè)溫探測(cè)技術(shù)對(duì)火區(qū)進(jìn)行了詳細(xì)的探測(cè)。米測(cè)溫是地礦部七五攻關(guān)項(xiàng)目16—01—Ⅱ—4專(zhuān)題“地下熱水調(diào)查中物探、化探方法及合理工程程序”的一個(gè)研究?jī)?nèi)容，成果鑒定認(rèn)為“米測(cè)溫方法技術(shù)有很大進(jìn)展，方法技術(shù)日趨成熟”。米測(cè)溫法認(rèn)為在正常情況下，在一定區(qū)域，一定時(shí)間內(nèi)，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(cè)溫的差異，進(jìn)而根據(jù)米測(cè)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(cè)溫異常。這是米測(cè)溫法探測(cè)火區(qū)的原理[3]。

鑒于本區(qū)著火煤層埋深0～60余米，煤的燃點(diǎn)在350 ℃左右，著火煤層溫度一般不低于200 ℃，則著火區(qū)產(chǎn)生的米溫異?？蛇_(dá)2 ℃以上。采用0.1 ℃的測(cè)溫儀器，完全可用米測(cè)溫法探明火區(qū)范圍。通過(guò)探測(cè)之后總的燃燒面積約90 600 m2。探測(cè)點(diǎn)網(wǎng)度為(10×20)m，共布設(shè)探測(cè)點(diǎn)492個(gè)，測(cè)網(wǎng)由全站儀布設(shè)。根據(jù)不同測(cè)點(diǎn)米測(cè)溫值圈出米測(cè)溫等值線(xiàn)圖。并布置了12個(gè)鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證，分別是：4101,4102,4103,4104,4105,4001,4002,4003,4004,4005,4006,4109，根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行了火區(qū)圈定。

3 具體治理采用的措施方法

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

3.1 米測(cè)溫工作

在米測(cè)溫測(cè)點(diǎn)位置，采用風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)打一深1 m的圓孔，使用ID590溫度傳感器進(jìn)行溫度測(cè)量，具體為將溫度傳感器探頭插入圓孔底7 min～10 min后開(kāi)始觀測(cè)數(shù)據(jù)，在兩次觀測(cè)結(jié)果誤差小于0.1 ℃時(shí)作為觀測(cè)結(jié)果記錄。其精度滿(mǎn)足本次治理工程要求。

3.2 火區(qū)圈定

通過(guò)米測(cè)溫繪出的米溫等值線(xiàn)圖，可看出當(dāng)時(shí)測(cè)區(qū)的米溫特征。在測(cè)區(qū)東南部，米溫值14 ℃以下為正常區(qū)，大于14 ℃為異常區(qū)。在測(cè)區(qū)中西部區(qū)米溫18 ℃以下為正常區(qū)，大于18 ℃為異常區(qū)。在高閣村北東測(cè)的溝谷兩側(cè)米溫普遍大于18 ℃，最高達(dá)60 ℃以上，呈南北向分布有6個(gè)峰值點(diǎn)。根據(jù)所測(cè)量的溫度結(jié)合滅火鉆孔情況，將16 ℃，18 ℃作為火區(qū)邊界線(xiàn)是基本準(zhǔn)確的，將火區(qū)圈定為Ⅰ～Ⅴ五個(gè)區(qū)域，其中煤層著火區(qū)主要在Ⅰ號(hào)火區(qū)范圍內(nèi)。Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ高溫異常區(qū)，范圍較小，米測(cè)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?shù)装鍘r層新鮮，無(wú)燃燒或烘烤現(xiàn)象，僅個(gè)別孔存在微弱的冒熱氣現(xiàn)象，因此認(rèn)為該幾個(gè)高溫異常區(qū)不存在煤層著火情況[4]。

3.3 鉆孔

所有鉆孔開(kāi)孔口徑確定為127 mm，鉆進(jìn)至完整基巖下3 m～5 m后，置入φ108 mm套管護(hù)壁，然后采用φ89 mm的鉆頭實(shí)施變徑處理，鉆至采空區(qū)中的塌陷冒落或煤層底板1.0 m～3.0 m終孔。驗(yàn)證孔采用全孔取芯鉆進(jìn)，注漿孔采用無(wú)芯鉆進(jìn)，所有鉆孔需要滿(mǎn)足注漿、地質(zhì)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(qū)外西南部的廢棄井筒中抽取，水泥采用蒲縣水泥廠(chǎng)的325水泥，粉煤灰采用蒲縣發(fā)電廠(chǎng)的粉煤灰。根據(jù)設(shè)計(jì)的配合比以及相關(guān)原材料完成漿液的制備工作，之后實(shí)施注漿操作，注漿操作流程示意圖如圖2所示，在施工中應(yīng)注意同一區(qū)段先施工火區(qū)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(yán)格控制漿液質(zhì)量，對(duì)于不合格漿液立即需要停止注漿，待漿液質(zhì)量調(diào)配合格后再重新開(kāi)始注漿。

3.5 注膠

注膠主要用于封堵煤柱孔，以及火區(qū)內(nèi)注不進(jìn)水泥粉煤灰漿液的采空塌陷鉆孔的煤巖層通風(fēng)裂隙。采用雙液注漿工藝。在注膠前先做孔內(nèi)注水試驗(yàn)，一是沖洗孔內(nèi)巖粉等沉淀物，二是疏通煤層裂隙，確定透水性。對(duì)于孔內(nèi)滲透性好的可加大注水量，沖洗2 h后開(kāi)始注膠；對(duì)于孔內(nèi)滲透性差，則進(jìn)行加壓注水沖洗，4 h后進(jìn)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(gè)泵輸送至孔口，孔口安裝一混合器，使兩種溶液在混合器內(nèi)混合后注入孔內(nèi)。每次注膠前，均進(jìn)行成膠試驗(yàn)，將凝固時(shí)間確定在30 s左右。凝膠注入壓力達(dá)到0.2 MPa～0.5 MPa后持續(xù)5 min～10 min，終止注膠[6]。

3.6 地溫、CO含量監(jiān)測(cè)

主要監(jiān)測(cè)每個(gè)鉆孔終孔后的孔口，孔底溫度，孔內(nèi)氣體CO的含量，每隔5 d～7 d對(duì)未注漿孔的孔口、孔底溫度，孔內(nèi)CO含量進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)。氣體監(jiān)測(cè)采用雙鏈球和采樣球膽采集孔內(nèi)氣體，用氣體檢測(cè)器抽滿(mǎn)氣樣，使檢測(cè)器中的氣樣勻速通過(guò)氣體檢測(cè)管，讀取檢測(cè)管上顯示的數(shù)據(jù)并記錄。孔內(nèi)、孔底溫度檢測(cè)采用連接線(xiàn)將溫度傳感器放入孔內(nèi)，讀取儀表上數(shù)據(jù)。觀測(cè)孔孔口溫度檢測(cè)為孔內(nèi)1 m深處的溫度。并將測(cè)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(shì)，ZK4007監(jiān)測(cè)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(zāi)治理過(guò)程中完成了較多的工程量，具體的主要有：

1)采用米測(cè)溫法測(cè)點(diǎn)712個(gè)，探測(cè)總面積122 600 m2。其中，2009年面積90 600 m2,測(cè)點(diǎn)492個(gè)；2012年面積32 000 m2，測(cè)點(diǎn)220個(gè)；

2)鉆孔178個(gè)，鉆探進(jìn)尺6 459.2 m。其中2009年鉆孔138個(gè)，鉆探進(jìn)尺5 258 m；2012年鉆孔40個(gè)，鉆探進(jìn)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(duì)各鉆孔進(jìn)行了氣體監(jiān)測(cè)和溫度測(cè)量，監(jiān)測(cè)次數(shù)共1 500余次。

通過(guò)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(gè)方面進(jìn)行介紹：

1)運(yùn)用米測(cè)溫技術(shù)結(jié)合鉆探驗(yàn)證準(zhǔn)確圈定了火區(qū)范圍，經(jīng)后來(lái)施工的注漿孔證實(shí)，圈定結(jié)果基本準(zhǔn)確；

2)通過(guò)鉆探施工，查明了火區(qū)范圍的地層結(jié)構(gòu)及構(gòu)造特征，控制了火區(qū)邊界，有效阻止了煤層火災(zāi)向外發(fā)展；

3)在2009年和2012年的二次施工中，通過(guò)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(shì)發(fā)展，并最終治理了該煤層火災(zāi)?；饏^(qū)大部分地段地溫已恢復(fù)正常，局部地段正在逐漸趨向正常。

5 結(jié)語(yǔ)

在本次煤層燃燒地質(zhì)災(zāi)害治理過(guò)程中，通過(guò)治理工程施工，完全圈閉了煤層著火范圍，并最終將火災(zāi)撲滅，消除了火災(zāi)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(xiàn)復(fù)燃，建議在火區(qū)地溫恢復(fù)正常過(guò)程中，禁止在火區(qū)內(nèi)及其周?chē)M(jìn)行采煤和一切可能導(dǎo)致通風(fēng)、漏風(fēng)工程施工，從而避免出現(xiàn)火區(qū)復(fù)燃，通過(guò)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(lèi)型工程地質(zhì)條件下出現(xiàn)的煤層燃燒治理過(guò)程中可借鑒這一工程經(jīng)驗(yàn)，在短時(shí)間內(nèi)對(duì)煤層燃燒這一地質(zhì)災(zāi)害及時(shí)處理。

[1] 李玉生.重慶市三峽庫(kù)區(qū)若干重大地質(zhì)災(zāi)害隱患[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào),2010(1)：77-78.

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[3] 趙亞軍,錢(qián) 倩,史過(guò)平,等.測(cè)氡法在探測(cè)煤層高溫異常區(qū)域的應(yīng)用[J].煤炭工程,2012(7):59-60.

[4] 李小冬.煤田火災(zāi)形成機(jī)理與滅控技術(shù)研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].科學(xué)之友,2013(11):63-64.

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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