平朔東露天礦不同特性火區(qū)的針對性治理方法研究

張小翌 王德明 楊雪花

(1.中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；2.中國礦業(yè)大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116)

露天礦小窯采空區(qū)火災(zāi)對露天礦的安全生產(chǎn)造成嚴重的威脅，小窯是引發(fā)煤火的罪魁禍首。大部分露天礦煤層自然火災(zāi)都是由于小窯亂采亂挖造成的。露天礦小窯火區(qū)是煤火的一種特殊表現(xiàn)形式，是露天礦生產(chǎn)過程中主要災(zāi)害之一，小窯采空區(qū)自然火災(zāi)發(fā)生、發(fā)展速度快，分布范圍廣，產(chǎn)生的高溫和有毒有害氣體不但對露天礦的設(shè)備、人員、工作環(huán)境、煤炭資源造成威脅，還影響露天礦開采過程中的重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)——爆破，從而制約露天礦生產(chǎn)進度，甚至釀成重大災(zāi)害事故。本文以平朔東露天礦為研究背景，針對東露天礦不同特性火區(qū)提出了切實可行的治理方案，并取得了顯著的效果。

1 煤礦概況

平朔礦區(qū)東露天礦位于寧武煤田北端，礦區(qū)南北長6.53～10.3 km，東西寬4.42～5.47 km，面積48.73 km2，地質(zhì)儲量18.49億t，共有三層煤，均屬易自燃煤層，煤層瓦斯含量較少。東露天礦主要可采煤層厚度大，煤層埋藏較淺，因此，礦區(qū)內(nèi)生產(chǎn)礦井和小窯較多。目前，東露天礦推進位置有溝底新井煤礦、磚井煤礦和小西窯礦3個煤礦采空區(qū)。由于小煤窯開采管理不嚴格，開采過程中形成大量氧化區(qū)域，再加上開采結(jié)束后未及時封閉處理采空區(qū)及廢棄巷道，造成了煤層內(nèi)部大量漏風(fēng)，為煤層自燃提供了供氧條件。隨著東露天礦開采工作的不斷進行，表土層不斷被剝離，小煤窯采空區(qū)漏風(fēng)不斷增多，使煤層進入快速氧化階段，因此在開采區(qū)域內(nèi)迅速出現(xiàn)大范圍火區(qū)，影響東露天礦正常爆破和生產(chǎn)，必須采取有效措施全力以赴對其進行治理。

2 火區(qū)位置確定

東露天礦4#煤層火區(qū)面積大，由于火區(qū)大部分都不是明火，而是在煤層下部隱蔽位置，因此確定火區(qū)位置，并采取針對性的措施就顯得尤為重要。根據(jù)東露天礦火區(qū)特性和生產(chǎn)工藝，決定采用打鉆孔的方法確定火區(qū)位置，為了更好地找到高溫采空區(qū)，每隔32 m施工探測鉆孔，探測鉆孔要求打到煤層底板或打穿采空區(qū)。煤層火區(qū)鉆孔即按照爆破鉆孔設(shè)計。這樣既節(jié)約了成本又提高了工作效率。布置方式如圖1所示，鉆孔參數(shù)如表1所示。

表1 火區(qū)鉆孔參數(shù)

圖1 火區(qū)鉆孔布置示意圖

在實際鉆孔布置過程中，可根據(jù)高溫火區(qū)和已探測采空區(qū)和巷道情況進行重新調(diào)整，對于已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的煤火可針對火區(qū)情況設(shè)計專用滅火鉆孔，對煤火較嚴重的火區(qū)則施工加密鉆孔，同時專用滅火鉆孔可作為爆破鉆孔使用，避免浪費。通過原有的爆破孔和現(xiàn)打的探測孔可以初步判定火區(qū)的位置，并總結(jié)為3種典型的火區(qū)類型，分別為不可見巖層空洞火區(qū)、可見明火巷道空洞火區(qū)和高溫虛量鉆孔。

3 不同特性火區(qū)針對性治理

3.1 不可見巖層空洞火區(qū)治理

不可見巖層空洞火區(qū)是其下部或周圍煤體燃燒所產(chǎn)生的高溫?zé)煔馔ㄟ^裂隙通道擴散，長期烘烤空洞內(nèi)巖體而形成，而真正的火源點并不在空洞內(nèi)部，對巖層高溫打穿鉆孔治理應(yīng)以充填降溫為主，在阻止高溫?zé)煔馔ㄟ^鉆孔冒出的同時，使鉆孔周圍巖層溫度降低，因此巖層高溫打穿鉆孔治理主要采取阻斷淹沒法，對于超大空間立體火區(qū)，則需要采用大流量灌注高倍數(shù)阻化泡沫的方法，同時在對火區(qū)治理具體實施過程中，應(yīng)采用先處理低位火源后處理高位火源的治理思路，對高溫采空區(qū)巷道進行有序治理，具體火區(qū)治理步驟如下：

(1)火區(qū)監(jiān)測與封孔。高溫鉆孔出現(xiàn)時，第一時間對鉆孔進行測溫，了解火區(qū)情況，隨后及時用裝有鉆屑的編織袋或封孔器對鉆孔進行封堵。

(2)注漿?；饏^(qū)治理時，以注漿方式預(yù)先處理下部低位高溫區(qū)域，快速降低高溫巖層采空區(qū)底部高溫，減弱后期處理高位高溫區(qū)域時高溫對三相泡沫的破壞。漿液的土水比為1∶2～1∶5，注漿時間6～8 h，流量為15～30 m3/h。

(3) 注三相泡沫或高倍數(shù)阻化泡沫。當(dāng)巖層空洞內(nèi)下部低位高溫區(qū)域基本消除后，以注三相泡沫或高倍數(shù)阻化泡沫的方式處理高位高溫區(qū)域，充分發(fā)揮泡沫處理高位火源的特性，對整個采空區(qū)進行滅火降溫。

東露天礦不可見空洞火區(qū)空洞體積較大，在對其進行治理時，注水、注漿技術(shù)難以對空洞進行填充，為了減少三相泡沫的使用量，可利用骨料對空洞進行充填。骨料填充前需在現(xiàn)火區(qū)范圍內(nèi)補打鉆孔，劃定空洞的范圍，補打的鉆孔選擇采用三花眼布置方式，孔間距隨空洞高度而定，隨后，利用骨料進行充填。施工過程中，在孔口安裝漏斗狀注料機，用前式裝載機將骨料送到注料機漏斗中，啟動注料機，將骨料源源不斷地輸送到采空區(qū)鉆孔中，并實時觀測鉆孔深度，防止出現(xiàn)堵孔現(xiàn)象，骨料充填完成后，向孔內(nèi)灌注一定量的泥漿，使鉆孔底部封堵嚴密，并保留足夠鉆孔深度以滿足爆破需要。骨料充填示意圖見圖2。

圖2 骨料充填示意圖

巖層高溫打穿鉆孔的治理要堅持“快速治理、快速爆破”的思路。因為通過鉆孔灌注的泡沫難以直接作用到火源，因此泡沫有效降溫時間只能持續(xù)數(shù)個小時，待泡沫破裂后，高溫?zé)煔飧Z入空洞，會出現(xiàn)溫度反彈現(xiàn)象，因此，巖層高溫打穿鉆孔內(nèi)的溫度降低到爆破范圍以內(nèi)時要盡快實施爆破。

最后，與同學(xué)、老師和家人等進行交流溝通也是行之有效的調(diào)節(jié)方式。語言學(xué)習(xí)充滿了目的語和母語之間的負遷移，大量的記憶任務(wù)不可避免地會帶來學(xué)習(xí)者心理上的壓力、疑惑和挫折。部分被試（27.3%）提出與他人的交流和傾訴是有效的壓力排解方式，而教師是最常選擇的交流對象。

3.2 可見明火巷道空洞火區(qū)治理

明火巷道是空洞火區(qū)的另一種表現(xiàn)形式，是指原小窯煤層巷道受露天礦開采平盤剝離的影響而揭露出來，原處于貧氧陰燃狀態(tài)的煤體，自揭露后新鮮風(fēng)流涌入而迅速進入快速氧化階段而發(fā)生自然著火現(xiàn)象，因巷道口位置供氧條件更為充足，火勢更加迅猛，明火位置多位于平盤坡面，并且隨著平盤推進，火勢逐漸向內(nèi)部延伸。由于巷道之間相互貫通，明火巷道火區(qū)影響范圍很大，為治理增加了難度。

明火巷道治理主要采用區(qū)域隔離法，并輔助以覆蓋挖除的措施。治理時應(yīng)遵循封堵巷道口和隔離巷道的思路，具體實施步驟如下：

(1)用高壓水槍將平盤邊坡巷道口處的明火撲滅，然后用黃土將巷道口完全封堵，一方面可以減少向巷道內(nèi)的漏風(fēng)，另一方面可以保證灌注三相泡沫時泡沫不從巷道口流失。

(2)在巷道上方施工滅火鉆孔探測巷道走向，然后采用巷道隔斷技術(shù)將巷道分割成較小空間。

(3)通過鉆孔向巷道內(nèi)大流量灌注空氣介質(zhì)三相泡沫或者高倍數(shù)阻化泡沫，充分發(fā)揮泡沫的堆積性和穩(wěn)定性，將整條巷道的明火撲滅。

(4)撲滅后的煤層巷道應(yīng)盡快爆破挖除，防止復(fù)燃。

通過鉆孔由上向下灌注泡沫時，泡沫由于自重總是先沿著巷道底板流動，遇到阻隔時才會由上向下堆積。然而煤層中的遺留巷道四通八達、相互連通，通過鉆孔灌注的三相泡沫存在流動自由面，很可能會流入其他巷道，難以堆積起來。因此，為了保證泡沫能夠良好地堆積，必須采取巷道隔斷技術(shù)，將巷道分隔成相對較小的空間，使得泡沫能夠更好堆積。巷道隔斷技術(shù)如圖3所示，沿著巷道走向向內(nèi)30～50 m的距離布置一排鉆孔，鉆孔間距2 m，然后向鉆孔里面填黃土，讓黃土在巷道下部逐漸堆積起來，直至把巷道隔斷成幾個治理區(qū)間，然后再通過泡沫灌注鉆孔向各個區(qū)間大流量灌注三相泡沫，這樣可以保障三相泡沫更好地發(fā)揮其在空間內(nèi)的堆積性，巷道火區(qū)的治理效果更加明顯。

圖3 巷道隔斷技術(shù)示意圖

3.3 高溫虛量鉆孔治理

3.3.1 多階段降溫法

因鉆孔內(nèi)壁裂隙發(fā)育，高溫延期可通過鉆孔上、中、下部不同位置竄出，注水與注漿措施只能對鉆孔下部進行封堵裂隙降溫，而對上部與中部高溫的治理起不到實質(zhì)性的作用，為對鉆孔上、中、下部進行全方位降溫，需采用多階段降溫法，如圖4所示，具體工藝流程如下：

(1)用鎧裝熱電偶溫度檢測儀，檢測出整個鉆孔深度區(qū)間的溫度情況，準確判斷高溫?zé)煔饬鞲Z裂隙通道。

(2)采用注水措施對鉆孔進行預(yù)降溫處理，然后對孔底裂隙進行堵漏，即直接大量注漿將孔深由20 m填至15 m(保留爆破深度)，阻止高溫?zé)煔鈴目椎琢严睹俺觥?/p>

(3)鉆孔底部高溫治理完成后，根據(jù)溫度對鉆孔中、上部高溫?zé)煔饬鞲Z通道的判斷，在其下部30 cm位置放置空氣間隔器，采用注水與注漿措施對空氣間隔器上部高溫進行治理，漿液要求黃土顆粒粒徑不大于3 mm，漿液土水比控制在1∶3～1∶7。

(4)治理完成后用釬桿將間隔器捅開，對鉆孔快速充填炸藥進行爆破。

圖4 鉆孔多階段降溫法示意圖

3.3.2 隔離帶降溫法

針對高溫虛量鉆孔的治理，有時為嚴格保證爆破鉆孔深度及正常爆破進度要求，需對高溫虛量鉆孔進行保護降溫，此時需采用隔離帶降溫法對其進行滅火降溫治理。

工藝實施流程：在被保護降溫的高溫虛量鉆孔1 m位置補打3個鉆孔，其鉆孔深度盡量比中心鉆孔要深一些，隨后，對這些隔離用鉆孔采用注水、注漿措施進行滅火降溫處理，以形成低溫隔離帶，同時封堵住了高溫?zé)煔庀蛑行目讛U散的通道。隨后，對中心孔進行注水快速降溫，達到爆破要求后迅速充填炸藥進行爆破剝離。隔離帶降溫法剖面示意圖見圖5。

圖5 隔離帶降溫法剖面示意圖

4 治理效果

上述3種露天礦特性火區(qū)是露天礦火區(qū)最具代表性的三類，也是平朔東露天礦火區(qū)治理的關(guān)鍵。對不可見巖層空洞火區(qū)治理，通過灌注三相泡沫，使空洞區(qū)域完全被三相泡沫充滿，鉆孔溫度均在40℃以下，完全符合礦方的爆破要求并成功爆破；對可見明火巷道空洞火區(qū)治理，向明火巷道內(nèi)大流量灌注三相泡沫或者高倍數(shù)阻化泡沫，并結(jié)合巷道隔斷技術(shù)，能充分發(fā)揮泡沫流量大、堆積性強的特點，經(jīng)過治理后明火消失，巷道恢復(fù)正常；對高溫虛量鉆孔治理，通過多階段降溫法和隔離帶降溫法治理高溫虛量鉆孔，能有效對虛量鉆孔內(nèi)的孔隙和裂隙進行封堵，阻止高溫?zé)煔鈴你@孔內(nèi)冒出，同時可以對鉆孔進行有效降溫，從而保證平盤安全爆破剝離。為深入了解東露天礦火區(qū)溫度演化規(guī)律，探索露天礦小窯采空區(qū)火區(qū)發(fā)展特點，在治理前期、后期分別對火區(qū)范圍內(nèi)鉆孔溫度進行了實地測量，以期利用溫度數(shù)據(jù)考察火區(qū)治理效果。根據(jù)測量的鉆孔溫度數(shù)據(jù)，基本掌握了治理區(qū)域內(nèi)部火區(qū)的分布情況，利用matlab軟件繪制了該區(qū)域的溫度分布圖，如圖6所示。礦區(qū)整體溫度變化表明，經(jīng)過對火區(qū)的治理，在治理區(qū)域內(nèi)基本上沒有高溫區(qū)域，東露天礦火區(qū)整體形勢得到了很大的改善。

圖6 治理前后火區(qū)溫度分布圖

5 結(jié)論

(1)針對東露天礦煤火的治理，確定采用以注水、注漿、注三相泡沫技術(shù)為主，以覆蓋、挖除、爆破為輔的火區(qū)治理技術(shù)手段，即通過現(xiàn)場鉆孔實測溫度，劃分出需要治理的區(qū)域，同時結(jié)合鉆孔類型和高溫火源點分布位置，對火區(qū)類型進行合理歸類，針對不同類型的火區(qū)，采用特定的治理措施對火區(qū)進行治理，治理結(jié)束后對火區(qū)進行爆破剝離。

(2)針對東露天礦煤火的治理，不同火情采用不同的防滅火技術(shù)措施。不可見空洞火區(qū)采用注水、注漿、注三相泡沫配合骨料充填的方法進行治理；可見明火巷道空洞火區(qū)的治理采用噴射高壓水、黃土覆蓋封堵端頭、注水、注漿、注三相泡沫方法；高溫虛量鉆孔采用注水的技術(shù)手段，以多階段降溫法和隔離帶降溫法進行治理。

(3)通過制定綜合防滅火方案，平朔東露天礦火區(qū)得到了明顯改善，在治理過程中，火區(qū)溫度持續(xù)下降，有害氣體濃度持續(xù)減小，表明火區(qū)在短時間內(nèi)得到了非常好的治理效果，從而有效保證了東露天礦的正常生產(chǎn)過程，保證了生產(chǎn)設(shè)備的安全和工人的身心健康。