礦井自燃火災(zāi)超前協(xié)同防控技術(shù)

梁運(yùn)濤，王 偉，3

（1.煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順113122；3.煤炭科學(xué)研究總院，北京100013）

煤炭是我國主體能源，2018 年，我國煤炭產(chǎn)量36.8 億t，煤炭消費(fèi)占一次能源消費(fèi)總量的59.0%，預(yù)計(jì)到2050 年，煤炭消費(fèi)量仍占一次能源消費(fèi)總量的50%以上[1]。2018 年，全國共有煤礦5 821 處，50%以上開采自燃及容易自燃煤層。由于煤炭資源分布廣泛、煤層賦存及開采條件復(fù)雜，礦井自燃火災(zāi)事故時(shí)有發(fā)生[2]。近年來，我國煤炭生產(chǎn)重心向晉陜蒙新等資源稟賦好、競爭能力強(qiáng)的地區(qū)集中，2018年，晉陜蒙新四?。▍^(qū)）原煤產(chǎn)量占全國的74.3%[3]。晉陜蒙新地區(qū)部分礦井具有淺埋深近距離煤層群賦存特征，開采初期，堅(jiān)持“快掘、快安、快采、快撤、快閉”的“五快”原則，實(shí)現(xiàn)了以快治火。隨著開采煤層向深部延伸，地表漏風(fēng)、層間漏風(fēng)和本層漏風(fēng)等多層復(fù)合采空區(qū)的漏風(fēng)過程趨于復(fù)雜化，各層采空區(qū)遺煤均存在自然發(fā)火可能性，礦井防滅火工作的重要性和難度逐漸凸顯出來[4]。

目前，我國各類型防滅火技術(shù)針對(duì)性還不夠強(qiáng)，隱蔽火源探測缺乏有效的技術(shù)手段，尚難以實(shí)現(xiàn)對(duì)火源的精確定位和監(jiān)測預(yù)警，不能有效指導(dǎo)礦井火災(zāi)防治。傳統(tǒng)火災(zāi)防治理念以被動(dòng)防治為主，往往是火災(zāi)已經(jīng)發(fā)生后才進(jìn)行治理，造成巨大的能源浪費(fèi)和設(shè)備資源損失，災(zāi)害治理和事故處理費(fèi)用高昂，威脅著煤礦工人的生命安全，往往給礦井生產(chǎn)造成毀滅性打擊[5]。

為此以淺埋深近距離煤層群自燃火災(zāi)發(fā)生發(fā)展一般規(guī)律為指導(dǎo)，采用理論分析、數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)測試和現(xiàn)場試驗(yàn)等多種技術(shù)手段，提出“超前采礦工程控氧化、超前綜合預(yù)防控自燃、準(zhǔn)確多元探測易治理”的自燃火災(zāi)協(xié)同防治技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)煤礦火災(zāi)防治超前主動(dòng)預(yù)防、超前預(yù)警、早期發(fā)現(xiàn)、精確定位和有效治理奠定基礎(chǔ)。協(xié)同防控技術(shù)從優(yōu)化采掘布局、開采技術(shù)、通風(fēng)系統(tǒng)等基礎(chǔ)影響因素入手，完善火災(zāi)預(yù)測預(yù)報(bào)及監(jiān)測預(yù)警體系，實(shí)施火災(zāi)危險(xiǎn)評(píng)估，不斷創(chuàng)新提高防火技術(shù)的有效性、適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性，實(shí)現(xiàn)超前預(yù)測預(yù)報(bào)和超前主動(dòng)預(yù)防，指導(dǎo)礦井火災(zāi)防治，最終實(shí)現(xiàn)煤礦安全高產(chǎn)高效生產(chǎn)。

1 淺埋深近距離煤層群自燃火災(zāi)防治面臨的難題

隨著礦井開采深度的增加、開拓水平的延伸，采礦工程擾動(dòng)更為明顯，地溫梯度顯著增加，在熱風(fēng)壓變化影響下深部煤體自燃耦合效應(yīng)、煤層群開采周邊小窯及上覆采空區(qū)自燃影響、環(huán)境氣體本底含量異常等特殊生產(chǎn)技術(shù)條件下的預(yù)測預(yù)報(bào)指標(biāo)、水浸及二次氧化煤自燃特性等方面提出了更高的要求[6-9]，表現(xiàn)在：

1）首層煤開采過程中采空區(qū)大量遺煤存在自然發(fā)火危險(xiǎn)。開采初期受采煤裝備及地質(zhì)條件限制，部分淺部薄煤層未采，厚煤層回采率低，工作面初采和末采期間遺煤較多，許多礦井上層煤開采時(shí)，基本未采取注漿等預(yù)防性措施，由于工作面推進(jìn)速度快，本層煤開采時(shí)未出現(xiàn)采空區(qū)自然發(fā)火跡象，但在下煤層開采過程中，由于上下采空區(qū)存在裂隙溝通，上覆煤層采空區(qū)遺煤在采空區(qū)漏風(fēng)條件下受到二次氧化，自然發(fā)火危險(xiǎn)性增加。

2）淺埋深近距離煤層賦存條件下，受礦井回采過程重復(fù)采動(dòng)影響，本層漏風(fēng)、層間漏風(fēng)和地表漏風(fēng)等多層復(fù)合采空區(qū)漏風(fēng)過程趨于復(fù)雜化，各層均具有自然發(fā)火可能性，增大上覆采空區(qū)有害氣體下泄的可能性，加大被動(dòng)均壓防滅火措施的不可控性。

3）礦井巷道設(shè)計(jì)方式及頂板垮落的管理方法形成了大面積的采空區(qū)，客觀上增大了下層煤開采期間的防滅火壓力。以神東礦區(qū)為例，各礦井多采用無盤區(qū)布置，雙巷掘進(jìn)，聯(lián)巷較多，密閉質(zhì)量較差，造成大面積采空區(qū)連通，給采空區(qū)漏風(fēng)控制、自然發(fā)火監(jiān)測及火區(qū)治理帶來更大的難度。

4）神東、寧煤、烏海及新疆礦區(qū)受歷史遺留小煤窯無序開采影響，上覆火區(qū)及老空隱蔽火災(zāi)嚴(yán)重，淺部小煤窯數(shù)量眾多，開采狀況不清，存在尚未發(fā)現(xiàn)的隱蔽火區(qū)，也直接威脅礦井的安全生產(chǎn)。

5）現(xiàn)有火災(zāi)監(jiān)測技術(shù)手段不完善，傳統(tǒng)色譜束管火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)的適用性不強(qiáng)。目前各礦井均采用傳統(tǒng)色譜束管監(jiān)測系統(tǒng)，存在分析周期長、操作維護(hù)復(fù)雜、實(shí)時(shí)性差等缺陷，由于有效采集氣體距離較短，不能適應(yīng)超大規(guī)模井田長距離采集氣體的需要，導(dǎo)致分析結(jié)果易出現(xiàn)較大偏差，從而喪失火災(zāi)治理的最佳時(shí)機(jī)。

6）神東、寧煤、大雁、平莊、新疆等礦區(qū)部分開采低變質(zhì)煤的礦井存在正常生產(chǎn)期間CO 濃度不同程度超限難題，其來源、規(guī)律與煤層自然發(fā)火之間的關(guān)聯(lián)性不清，加之無軌膠輪車尾氣排放等方面的困擾，導(dǎo)致防滅火基礎(chǔ)工作特別是自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性較差，客觀上制約了煤礦安全生產(chǎn)。

7）煤礦隱蔽火源探測一直是一項(xiàng)困擾煤炭行業(yè)的世界性難題，現(xiàn)有火區(qū)探測技術(shù)總體上依然不能實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦隱蔽火源的精確定位需要。鉆探法工程量較大，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、成本高，性價(jià)比低；物探法易受大地雜散電流、磁場強(qiáng)度變化因素影響，準(zhǔn)確性需進(jìn)一步提升；同位素測氡法探測精度易受采動(dòng)影響以及圍巖裂隙漏風(fēng)干擾，適用性低、探測經(jīng)度差；遙感法受地表輻射背景、上覆巖層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等因素影響較大，成本高、操作復(fù)雜。

2 超前協(xié)同防控技術(shù)內(nèi)涵

基于上述問題，構(gòu)建了以“基礎(chǔ)條件調(diào)研-采礦工程優(yōu)化-超前預(yù)測預(yù)報(bào)-超前監(jiān)測預(yù)警-火災(zāi)危險(xiǎn)評(píng)估-超前主動(dòng)預(yù)防-隱蔽火源探測-高溫有效治理”為一體的火災(zāi)防控框架技術(shù)體系，突出了火災(zāi)防治的“以防為主、防治結(jié)合、因地制宜、綜合實(shí)施”原則，突破了以往煤礦火災(zāi)被動(dòng)防治的觀念，逐步建立了自燃火災(zāi)超前協(xié)同防控技術(shù)體系，為煤炭企業(yè)安全、高效持續(xù)發(fā)展提供了可靠保障。自燃火災(zāi)超前協(xié)同防控技術(shù)體系如圖1。

圖1 自燃火災(zāi)超前協(xié)同防控技術(shù)體系Fig.1 Advanced cooperative prevention and control technology system of spontaneous combustion fire disaster

其主要技術(shù)內(nèi)涵包括：

1）制定有利于煤自燃防治的采礦工程技術(shù)方案，分析煤層層位關(guān)系、工作面布置方向、工作面參數(shù)對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)的影響規(guī)律，從預(yù)防煤礦自燃火災(zāi)的角度，分別提出在礦區(qū)、礦井、工作面尺度下最優(yōu)采掘部署方案的設(shè)計(jì)原則、防控條件與控制參數(shù)，建立超前采礦工程控氧化技術(shù)體系[10-16]。

2）確定各主采煤層自然發(fā)火標(biāo)志氣體及臨界值，開發(fā)井下原位光譜在線檢測技術(shù)，提出復(fù)雜災(zāi)變地質(zhì)體影響下自燃火災(zāi)威脅程度評(píng)估方法，集成創(chuàng)新了氣體流場動(dòng)態(tài)平衡多點(diǎn)調(diào)控技術(shù)，提出井上下聯(lián)合區(qū)域性注漿技術(shù)，建立超前綜合預(yù)防控自燃技術(shù)體系[17-22]。

3）研究隱蔽火源的燃燒特征與蔓延規(guī)律、高溫狀態(tài)下燒變煤巖體視電阻率、介電常數(shù)、剩余磁化強(qiáng)度及磁化率隨溫度的變化規(guī)律，確定隱蔽火源范圍及深度定量描述指標(biāo)，研制隱蔽火區(qū)電磁探測專用裝備，開發(fā)電磁探測數(shù)據(jù)解釋系統(tǒng)，建立電磁探火技術(shù)方法[23-26]。

3 超前協(xié)同防控關(guān)鍵技術(shù)

3.1 超前采礦工程控氧化

3.1.1 礦區(qū)尺度

在礦區(qū)尺度下，根據(jù)煤層自燃傾向性、自然發(fā)火期、層間距、埋深、周邊小窯狀況等將礦井分為3 類火災(zāi)危險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行管控，礦井自燃火災(zāi)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)如圖2。確定神東公司大柳塔活雞兔井等5 個(gè)煤礦為Ⅰ類自燃火災(zāi)危險(xiǎn)礦井，保德等4 個(gè)煤礦為Ⅱ類自燃火災(zāi)危險(xiǎn)礦井，錦界等5 個(gè)煤礦為Ⅲ類自燃火災(zāi)危險(xiǎn)礦井，神東礦區(qū)礦井自燃火災(zāi)劃分見表1。

圖2 礦井自燃火災(zāi)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)Fig.2 Classification standard of mine spontaneous combustion fire disaster

3.1.2 礦井尺度

在礦井尺度下，得出有利于礦井防滅火的采掘部署優(yōu)化原則。指出了寸草塔等5 個(gè)煤礦在生產(chǎn)后期應(yīng)采用分區(qū)式或?qū)鞘酵L(fēng)方式，同一盤區(qū)的工作面應(yīng)按煤層走向（或傾向）統(tǒng)一布置，連續(xù)推進(jìn)長度盡量一致，回采時(shí)應(yīng)選擇順序開采，避免間隔跳采形成孤島工作面。工作面在回采過程中漏風(fēng)量大（如榆家梁煤礦52211 和52402 工作面）、受上覆采空區(qū)有毒有害氣體侵入影響（如石圪臺(tái)煤礦31204工作面）或工作面出現(xiàn)大范圍低氧情況（如補(bǔ)連塔煤礦22308 工作面、上灣煤礦22102 工作面）時(shí)，可使用調(diào)節(jié)風(fēng)窗與調(diào)壓風(fēng)機(jī)均壓技術(shù)措施。

3.1.3 工作面尺度

在工作面尺度下，分析了工作面采高、長度、隔離煤柱的影響因素，研究了煤層厚度、采高、推進(jìn)速度、采空區(qū)氧化帶寬度、自然發(fā)火期等參數(shù)與工作面長度之間的函數(shù)關(guān)系，建立工作面長度計(jì)算模型：

表1 神東礦區(qū)礦井自燃火災(zāi)劃分Table 1 Division of spontaneous combustion fire disaster in Shendong Mining Area

從預(yù)防自燃的角度得出頂煤留設(shè)厚度應(yīng)小于30 cm，首層煤開采時(shí)煤柱理論留設(shè)理論寬度為16 m 左右，下層煤開采時(shí)回采巷道應(yīng)采用相錯(cuò)布置，煤柱留設(shè)寬度為18～21 m，相錯(cuò)布置塑性區(qū)范圍和垂直應(yīng)力分布如圖3。

3.2 超前綜合預(yù)防控自燃

3.2.1 自燃火災(zāi)超前預(yù)警技術(shù)

采集神東礦區(qū)典型礦井煤層煤樣，采用程序升溫實(shí)驗(yàn)對(duì)煤樣氧化特性進(jìn)行測定，采用人工取氣、束管監(jiān)測方法對(duì)工作面進(jìn)風(fēng)、回風(fēng)、架間、采空區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場觀測，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析建立的神東礦區(qū)煤層自燃預(yù)警分級(jí)指標(biāo)體系見表2。

圖3 相錯(cuò)布置塑性區(qū)范圍和垂直應(yīng)力分布（21 m 煤柱）Fig.3 Plastic zone range and vertical stress distribution under phase mismatch arrangement（21 m pillar）

表2 神東礦區(qū)煤層自燃預(yù)警分級(jí)指標(biāo)體系Table 2 Coal seam spontaneous combustion early warning grading index system in Shendong Mining Area

發(fā)明了本安型、寬量程（相對(duì)于分辨率的104級(jí)）、高精度（檢測線達(dá)1×10-7）的井下原位在線光譜束管監(jiān)測成套技術(shù)（圖4）?？朔藗鹘y(tǒng)色譜束管系統(tǒng)無法下井的缺陷，創(chuàng)新性的將氣體分析儀移入井下近工作面端待監(jiān)測點(diǎn)，大大縮短了束管采氣距離，集成了光纖環(huán)網(wǎng)傳輸技術(shù)，成套系統(tǒng)具備了原位在線監(jiān)測（分析周期≤5 s）、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳（上傳周期≤2 s）、井上下設(shè)備無人值守、自動(dòng)控制及報(bào)警功能。配套發(fā)明了煤礦井下束管管路監(jiān)測系統(tǒng)及監(jiān)測方法，開發(fā)了樣品預(yù)處理裝置，實(shí)現(xiàn)了管路內(nèi)氣體壓力、流量的實(shí)時(shí)監(jiān)測和異常點(diǎn)快速定位。

3.2.2 自燃火災(zāi)超前預(yù)防技術(shù)

提出了神東礦區(qū)復(fù)雜災(zāi)變地質(zhì)體影響下工作面受自燃火災(zāi)威脅程度評(píng)估方法。通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測相結(jié)合的方法，分析近距離煤層群開采上覆巖層破壞程度及采動(dòng)裂隙分布，研究周邊采空區(qū)與工作面之間復(fù)合裂隙的氣體流動(dòng)規(guī)律，推導(dǎo)了火區(qū)下采煤工作面不受火區(qū)影響的最小相對(duì)靜壓計(jì)算式。

式中：pmin為最小安全相對(duì)靜壓，Pa；Hr為火火風(fēng)壓，Pa；ρ 為空氣密度，kg/m3；g 為重力加速度，m/s2；Zw0為工作面埋深，m。

圖4 井下原位在線光譜束管監(jiān)測成套技術(shù)Fig.4 Downhole in-situ on-line spectral beam tube monitoring technology

建立了煤田火區(qū)、小窯火區(qū)、多層采空區(qū)、隱蔽高溫區(qū)域等分類評(píng)估量化指標(biāo)，對(duì)于工作面受上覆火區(qū)威脅程度主要以火區(qū)與工作面之間的安全層間距、斷裂帶發(fā)育高度及垮落帶高度作為評(píng)估指標(biāo)；對(duì)于上部煤層采空區(qū)，以上部采空區(qū)氧氣濃度、上覆采空區(qū)遺煤厚度、CO 等自然發(fā)火標(biāo)志氣體濃度、安全層間距、斷裂帶發(fā)育高度及垮落帶高度作為評(píng)估指標(biāo)，建立受限流場條件下上覆火區(qū)氣體對(duì)工作面安全開采影響程度評(píng)估方法，將工作面安全開采威脅程度劃分為安全、威脅和危險(xiǎn)3 個(gè)等級(jí)，為工作面安全開采提供科學(xué)依據(jù)，評(píng)估流程如圖5。

圖5 評(píng)估流程Fig.5 Evaluation process

集成創(chuàng)新氣體流場動(dòng)態(tài)平衡多點(diǎn)調(diào)控技術(shù)體系。以礦井通風(fēng)角聯(lián)漏風(fēng)理論為基礎(chǔ)，以漏風(fēng)匯為調(diào)控基點(diǎn)，采用關(guān)鍵層注氮增壓、風(fēng)窗-風(fēng)機(jī)基點(diǎn)調(diào)壓、漏風(fēng)通道封堵等技術(shù)，通過觀測多層采空區(qū)的壓能動(dòng)態(tài)分布變化規(guī)律實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡多點(diǎn)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)漏風(fēng)流場與工作面間的多點(diǎn)平衡，減少了多層采空區(qū)漏風(fēng)量，抑制了上覆火區(qū)有害氣體侵入。

針對(duì)神東礦區(qū)煤層近水平賦存及超大采空區(qū)特點(diǎn)，發(fā)明了井上下聯(lián)合區(qū)域性注漿技術(shù)，確定了注漿范圍、注漿方式、水土比等關(guān)鍵參數(shù)，引入煤體碎脹系數(shù)、孔隙率等參數(shù)，建立了近水平超大采空區(qū)區(qū)域注漿量計(jì)算公式。

式中：Q 為注漿量，m3；Ks為沖刷管路防止堵塞涌水量的備用系數(shù)，一般取1.10～1.25；δ為土水比的倒數(shù)；H 為頂煤厚度，m；Kp為碎漲系數(shù)，一般取1.3；Lt為注漿區(qū)走向長度，m；Ls為注漿區(qū)傾斜長度，m；n為孔隙率；p 為泥漿制成率系數(shù)，一般取0.88。

具體工藝為：在地面每隔50 m 向上覆采空區(qū)采動(dòng)裂隙“O 形圈”區(qū)域施工鉆孔進(jìn)行井上補(bǔ)充注漿，在井下采用插管或埋管方式向本層采空區(qū)注漿，注漿范圍為工作面初采段和末采段300 m，注漿管路示意圖如圖6。

圖6 注漿管路示意圖Fig.6 Schematic diagram of grouting line

3.3 準(zhǔn)確多元探測易治理

鉆孔測溫受人員經(jīng)驗(yàn)限制較大；鉆孔測氣只能定性判定是否存在火區(qū)，不能圈定火區(qū)范圍和燃燒層位；同位素測氡只能給出火源平面范圍。針對(duì)以上缺陷，研究隱蔽火區(qū)多元電磁探測技術(shù)。

研究圓回線源在水平層狀地表形成的頻域及瞬變電磁場，建立了瞬變電磁一維正演模型，開展煤巖3 層及4 層模型燃燒前、燃燒中及燃燒后電磁響應(yīng)數(shù)值計(jì)算，得到煤自燃作用對(duì)煤巖層電阻率和瞬變電磁響應(yīng)頻率變化的影響規(guī)律，3 層及4 層模型瞬變電磁響應(yīng)對(duì)比如圖7。煤巖層電阻率ρ 變小后，瞬變電磁響應(yīng)晚期頻率衰減變慢；煤巖層電阻率變大后，瞬變電磁響應(yīng)晚期頻率衰減變快，瞬變電磁響應(yīng)差異特征△Hz可作為識(shí)別煤巖層自燃的標(biāo)志。

圖7 3 層及4 層模型瞬變電磁響應(yīng)對(duì)比Fig.7 Comparison of transient electromagnetic responses between three-layer and four layer models

在3 層及4 層模型的正演響應(yīng)中引入高斯隨機(jī)誤差，采用Occam 一維反演算法分別對(duì)模型自燃前、自燃初期、自燃后的響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，識(shí)別出了煤巖層中的高阻區(qū)，反映了自燃前后的電阻率變化。3 層及4 層模型Occam 一維反演結(jié)果如圖8。

圖8 3 層及4 層模型Occam 一維反演結(jié)果Fig.8 Three-layer and four-layer Occam one-dimensional inversion results

先后對(duì)神東礦區(qū)石圪臺(tái)煤礦等6 個(gè)疑似火區(qū)對(duì)應(yīng)地表開展了中心回線方式瞬變電磁和總地磁現(xiàn)場測試，采用interpex ix1dv3 軟件進(jìn)行了5 層模型反演計(jì)算，在近地表50 m 范圍內(nèi)存在低阻區(qū)，50 m 以下為高阻區(qū)，并一直延伸至100 m 左右，表明該區(qū)域存在高溫異常，并通過施工地面鉆孔得到了驗(yàn)證。

4 結(jié) 語

“以快治火”防治理念在神東礦區(qū)開采初期效果顯著，但隨著采掘的不斷深入，火災(zāi)防控難度逐漸加大。如不改變“頭痛醫(yī)頭腳痛醫(yī)腳”的火災(zāi)防治現(xiàn)狀，改被動(dòng)治理為主動(dòng)預(yù)防，近距離煤層群開采上覆采空區(qū)將出現(xiàn)“一片火?！?。提出以“超前采礦工程控氧化、超前綜合預(yù)防控自燃、準(zhǔn)確多元探測易治理”為內(nèi)涵的自燃火災(zāi)超前協(xié)同防控技術(shù)，構(gòu)建“基礎(chǔ)條件調(diào)研-采礦工程優(yōu)化-超前預(yù)測預(yù)報(bào)-超前監(jiān)測預(yù)警-火災(zāi)危險(xiǎn)評(píng)估-超前主動(dòng)預(yù)防-隱蔽火源探測-高溫有效治理”的技術(shù)體系，期待能為近距離煤層群開采自燃火災(zāi)防治提供一定的參考。針對(duì)隱蔽火源精確探測進(jìn)行了嘗試，但仍面臨探測技術(shù)相對(duì)薄弱，探測精度差的局面，基于紅外遙感、磁法和電法的煤田火災(zāi)多元信息探測技術(shù)及裝備是今后煤田火災(zāi)探測的發(fā)展趨勢，仍需在研究煤田火區(qū)熱輻射、熱磁及熱電地球物理參數(shù)耦合特征，開發(fā)火區(qū)溫度分布特征正演與反演解釋系統(tǒng)，研制高精度、高靈敏度、高分辨率和高頻率的多元信息專用探測裝備，建立基于紅外遙感、磁法和電磁法的煤田火災(zāi)多元信息探測技術(shù)等方面進(jìn)行探索。