近距離煤層開采上覆采空區(qū)火區(qū)探測及治理

馬 礪，雷燕飛，蘇耀軍，劉尚明，武瑞龍

(1.西安科技大學(xué) 西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 安全與科學(xué)工程學(xué)院，陜西 西安 710054； 3.陜西奧維乾元化工有限公司海則廟煤礦，陜西 榆林 719000；4.貴州發(fā)耳煤業(yè)有限公司,貴州 六盤水 553000)

近距離煤層是指煤層間距小于上下煤層最大厚度的煤層[1]。因?yàn)槊簩又g距離非常小,已開采完的上部采空區(qū)內(nèi)浮煤經(jīng)過較長時(shí)間的沉積，其厚度大，由于蓄熱環(huán)境良好，浮煤發(fā)生氧化導(dǎo)致溫度逐漸升高，且采空區(qū)和下部開采煤層之間隔著的夾矸層，存在許多漏風(fēng)通道。當(dāng)其受到采動(dòng)影響時(shí)，會(huì)向開采工作面和上覆采空區(qū)漏風(fēng)供氧,則上覆采空區(qū)浮煤及開采工作面自然發(fā)火危險(xiǎn)性增大，一旦發(fā)生火災(zāi)，將會(huì)迅速蔓延，進(jìn)而對(duì)整個(gè)礦井的安全開采構(gòu)成嚴(yán)重威脅[2-4]。近距離煤層自然發(fā)火防治問題，一直是礦井火災(zāi)的防治重點(diǎn)。

海則廟煤礦盤區(qū)工作面回采以來，工作面CO出現(xiàn)過異常涌出現(xiàn)象，經(jīng)檢測，工作面回風(fēng)流CO的體積分?jǐn)?shù)最高可達(dá)1.58×10-3，初步判斷該開采工作面上部采空區(qū)存在煤自然發(fā)火現(xiàn)象，為了避免火災(zāi)蔓延，防止威脅整個(gè)礦井的安全生產(chǎn)，需要盡快探明火災(zāi)區(qū)域。地下煤層火源探測方法主要有:紅外熱成像法、雷達(dá)探測法、溫度探測法、同位素測氡法等[5-8]。溫度探測法對(duì)傳感器的布置方式和數(shù)量要求高；雷達(dá)探測法適用于埋藏較淺、地質(zhì)簡單的煤層火源探測；紅外熱成像法探測距離短，探測成本高，適合煤層露頭等表面高溫異常區(qū)域探測[9-10]；同位素測氡法由于儀器具有簡單易操作、輕便易于攜帶，探測范圍和深度大，成本低廉、抗干擾能力強(qiáng)、精度高、結(jié)果可靠等優(yōu)點(diǎn)，逐漸被推廣應(yīng)用于煤礦地下煤自燃火源位置探測[11]。筆者采用同位素測氡法探測海則廟煤礦盤區(qū)工作面上覆采空區(qū)煤自然發(fā)火區(qū)域，確定高溫異常區(qū)域的位置和范圍，并結(jié)合氡遷移機(jī)理對(duì)高溫區(qū)域氡值情況進(jìn)行分析，最后制訂合理有效的防滅火措施進(jìn)行火區(qū)治理，并分析火區(qū)治理效果。

1 異常區(qū)域分析

1.1 工作面概況

海則廟煤礦位于陜西省榆林市府谷縣城北方向10 km處，井田東西方向長約5.2～5.8 km，南北方向?qū)?.9～4.1 km，面積約17.93 km2。該礦盤區(qū)工作面煤層平均厚度一般為5.00～6.31 m，煤層地質(zhì)構(gòu)造簡單，大部分煤層含有平均厚度為0.11～0.50 m的夾矸層，巖石結(jié)構(gòu)由砂巖、泥巖等構(gòu)成。

1.2 影響因素分析

1)漏風(fēng)通道多：該礦現(xiàn)開采的8#煤和上部7#煤小井采空區(qū)屬于近距離煤層，中間只隔著平均厚度為2.0 m的夾矸層，漏風(fēng)通道多，漏風(fēng)量大。

2)自然發(fā)火周期短：采集7#煤小井采空區(qū)煤樣并對(duì)其進(jìn)行測試分析，煤自燃等級(jí)為Ⅰ類，自然發(fā)火期僅為35 d，自然發(fā)火周期短，煤容易發(fā)生自燃。

3)遺煤量大：7#煤采空區(qū)內(nèi)遺煤采出率非常低，采空區(qū)內(nèi)堆積了大量的煤炭且較為分散破碎，與氧氣的接觸面積變大，煤自然發(fā)火概率增大。

4)蓄熱環(huán)境良好：7#煤采空區(qū)內(nèi)浮煤持續(xù)堆積厚度大，且因?yàn)槁╋L(fēng)因素的影響，采空區(qū)內(nèi)氧氣含量高。煤和周圍巖石導(dǎo)熱性能差，浮煤發(fā)生自燃后，熱量散失速率慢。

7#煤和8#煤之間的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，增大了煤自然發(fā)火的概率。異常區(qū)域結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 異常區(qū)域結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

工作面回風(fēng)流CO體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測記錄如圖2 所示。

圖2 工作面CO體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測記錄

由圖2可見，工作面回風(fēng)流CO的體積分?jǐn)?shù)從第3天開始逐漸上升，到第5天CO體積分?jǐn)?shù)異常增大至1.58×10-3，初步判斷8#煤上部采空區(qū)存在煤自然發(fā)火現(xiàn)象，上部采空區(qū)煤自然發(fā)火產(chǎn)生大量CO，CO通過漏風(fēng)通道涌入8#煤采煤工作面。

2 高溫異常區(qū)域探測

為了探測海則廟煤礦盤區(qū)上覆區(qū)域煤自然發(fā)火區(qū)域位置和范圍，使用CD-1α杯探測儀對(duì)上覆區(qū)域進(jìn)行探測，分為3個(gè)區(qū)域：

1)探測區(qū)域Ⅰ：工作面開切眼沿走向60 m，傾向230 m區(qū)域，探測該工作面內(nèi)溫度是否存在異常；

2)探測區(qū)域Ⅱ：工作面回風(fēng)巷走向230 m，傾向60 m區(qū)域，探明回風(fēng)巷是否存在溫度異常；

3)探測區(qū)域Ⅲ：工作面運(yùn)輸巷東西各30 m，走向300 m區(qū)域，探明采空區(qū)內(nèi)是否存在高溫點(diǎn)，以及對(duì)工作面回風(fēng)巷之間的影響。

探測區(qū)域Ⅰ內(nèi)布置154個(gè)測點(diǎn)，探測區(qū)域Ⅱ內(nèi)布置175個(gè)測點(diǎn)，探測區(qū)域Ⅲ內(nèi)布置217個(gè)測點(diǎn)，共計(jì)546個(gè)測點(diǎn)。

通過對(duì)海則廟煤礦盤區(qū)工作面上覆區(qū)域進(jìn)行氡值測量，采集各個(gè)區(qū)域探測數(shù)據(jù)，結(jié)合井巷布置格局和工作面CO體積分?jǐn)?shù)異常變化情況，再經(jīng)過綜合分析得到了探測區(qū)域煤自燃火源探測位置的平面圖，如圖3所示。

圖3 火源探測位置平面圖

從圖3中可以看出，探測出的高溫異常區(qū)域共計(jì)4個(gè)，高溫異常區(qū)域的總面積約為2 100 m2。

將氡值測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入Sufer-12,畫出高溫異常區(qū)域的等值線圖如圖4所示。由圖4可知，等值線越密集和顏色越深，表示高溫區(qū)域的氡值越大，高溫區(qū)域2整體的氡值最高。

圖4 高溫異常區(qū)域等值線圖

3 高溫區(qū)域氡值分析

根據(jù)探測區(qū)域劃分，采集各個(gè)區(qū)域探測數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到探測區(qū)域的氡值測量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 探測區(qū)域氡值測量數(shù)據(jù)

氡值測量數(shù)據(jù)共計(jì)546個(gè)，當(dāng)?shù)氐钠骄敝禐?87.5 Bq/m3，高于平均氡值的數(shù)據(jù)為異常點(diǎn)，其中高溫區(qū)域1內(nèi)有9個(gè)異常點(diǎn)，高溫區(qū)域2內(nèi)有 6個(gè)異常點(diǎn)，高溫區(qū)域3、高溫區(qū)域4內(nèi)各有3個(gè)異常點(diǎn)。

針對(duì)海則廟煤礦盤區(qū)工作面上覆火區(qū)內(nèi)氡值出現(xiàn)異常的現(xiàn)象，結(jié)合氡的遷移機(jī)理進(jìn)行分析。由于自燃火區(qū)上覆巖層構(gòu)造簡單，并且煤層埋藏深度較淺，氡的遷移過程以擴(kuò)散對(duì)流作用為主[12]。煤層至地表間的覆巖內(nèi)具有較大的壓力差，隨著煤層自燃后采空區(qū)空氣溫度升高，能夠產(chǎn)生較大的氣體對(duì)流速度。其中通過氡值反映煤自然發(fā)火的原理如圖5所示。

采空區(qū)遺煤自燃后，加速了氡從煤體和周圍巖石中滲出[13-15]，氡氣隨著氣流快速向地表遷移，地表測氡儀探測到的氡值越大，采空區(qū)溫度越高，煤自燃危險(xiǎn)性越大。

高溫區(qū)域2的探測氡值明顯高于其他3個(gè)區(qū)域，表明高溫區(qū)域2的煤自然發(fā)火范圍和程度大，需要針對(duì)具體位置進(jìn)行重點(diǎn)防控。

從地表向探測出的4個(gè)高溫異常區(qū)域施工溫度探測鉆孔，所測溫度結(jié)果與測氡法探測出的結(jié)果一致。

4 火區(qū)治理措施

因?yàn)樵摰V井8#煤和7#煤上覆小井采空區(qū)之間存在著密集的漏風(fēng)通道，采用注N2和液態(tài)CO2滅火時(shí)，N2和CO2將從漏風(fēng)通道涌入回采工作面，會(huì)對(duì)井下生產(chǎn)人員造成嚴(yán)重危害。因此，結(jié)合實(shí)際情況，采取煤自燃動(dòng)態(tài)監(jiān)測，采空區(qū)注膠和井上井下堵漏的防滅火技術(shù)措施，以保障8#煤的安全高效回采。

4.1 煤自燃動(dòng)態(tài)監(jiān)測

采取束管監(jiān)測法對(duì)采空區(qū)的氣體成分進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，進(jìn)而掌握采空區(qū)實(shí)際條件下氧氣濃度分布、浮煤狀況分布和漏風(fēng)規(guī)律，判定采空區(qū)煤自燃指標(biāo)性氣體的產(chǎn)生和運(yùn)移規(guī)律，為后續(xù)防滅火工作的開展提供支持。

4.2 鉆孔注膠隔絕堵漏

根據(jù)礦井巷道實(shí)際尺寸設(shè)計(jì)滅火鉆孔進(jìn)行注膠隔離防滅火工作，注膠鉆孔布置如圖6所示。

圖6 注膠鉆孔平面布置示意圖

從8#煤向7#煤采空區(qū)探測出來的4個(gè)高溫異常區(qū)域進(jìn)行鉆孔注膠，鉆孔與巷幫距離為0.5 m，鉆孔交錯(cuò)布置，橫向交錯(cuò)距離為1.5 m，鉆孔數(shù)量共計(jì)230個(gè)，注膠量共計(jì)690 m3。因?yàn)楦邷貐^(qū)域2整體的氡值最高，煤自然發(fā)火危險(xiǎn)性最大，特設(shè)為重點(diǎn)防控區(qū)域，適當(dāng)加大注膠量。

4.3 井上井下堵漏

8#煤離地表非常近，開采煤層時(shí)，因?yàn)槭懿蓜?dòng)影響，容易產(chǎn)生與地表溝通的裂縫，地表空氣能通過裂縫進(jìn)入工作面，在8#煤上部地表區(qū)域?qū)α严哆M(jìn)行定期排查填堵。

井下采取了掛設(shè)風(fēng)簾，建造破碎煤袋墻，灌注黃泥漿等堵漏措施，堵漏效果明顯。

4.4 火區(qū)治理效果分析

采取綜合防滅火技術(shù)措施后，對(duì)該盤區(qū)工作面上隅角和回風(fēng)流CO體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，工作面回風(fēng)流和上隅角的CO體積分?jǐn)?shù)變化如圖7和圖8所示。從圖7和圖8可以看出，工作面回風(fēng)流和上隅角的CO體積分?jǐn)?shù)大幅降低，均降至正常水平，表明高溫區(qū)域煤自燃得到了有效控制。

圖7 工作面回風(fēng)流CO體積分?jǐn)?shù)變化圖

圖8 工作面上隅角CO體積分?jǐn)?shù)變化圖

5 結(jié)論

1)采用同位素測氡法對(duì)海則廟煤礦盤區(qū)工作面上覆地表區(qū)域進(jìn)行火區(qū)探測，共探測出4個(gè)高溫區(qū)域，其總面積約為2 100 m2，并結(jié)合氡遷移機(jī)理對(duì)高溫區(qū)域氡值進(jìn)行了分析，確定重點(diǎn)防控的區(qū)域?yàn)楦邷貐^(qū)域2。

2)針對(duì)探測出來的4個(gè)高溫區(qū)域，采取了煤自燃動(dòng)態(tài)監(jiān)測、鉆孔注膠隔絕堵漏、井上井下堵漏的防滅火技術(shù)措施。采取針對(duì)性措施治理火區(qū)后，工作面回風(fēng)流和上隅角的CO體積分?jǐn)?shù)大幅度下降，恢復(fù)到正常水平，說明高溫區(qū)域煤自燃火災(zāi)得到了有效控制，為后續(xù)工作面的安全回采創(chuàng)造了有利條件。