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，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。重組后的大型國有煤礦回采至原有小煤礦的封閉火區(qū)，對原有封閉環(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：①由于被合并重組的小煤礦地質(zhì)資料匱乏，很難對火源位置進(jìn)行有效判斷；②小煤窯火勢發(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號火點位于四采區(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，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，隨著火勢蔓延產(chǎn)生的裂縫及影響，對安全生產(chǎn)構(gòu)成威脅。

2 火區(qū)探測

2.1 探測原理與方法

欲實現(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，使用遙感法無法有效對地表無溫度異常區(qū)域進(jìn)行探明［6-7］。前期對2#火區(qū)2 號火點進(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)可見到塌陷區(qū)、采坑及煤層露頭，局部地表可見到明火點、青煙、燒變巖，并在明火點處可聞到刺鼻氣味。依據(jù)先期對火區(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)探測方法，火區(qū)地面物探采用磁法、同位素測氡法和熱紅外測溫法進(jìn)行綜合勘查?，F(xiàn)場采集數(shù)據(jù)資料，通過對獲得的數(shù)據(jù)資料分析研究，確定火區(qū)的范圍及深度，并對火區(qū)進(jìn)行鉆探驗證，根據(jù)驗證成果修改物探所圈定火區(qū)邊界。

2.2 高溫區(qū)辨識

2.2.1 測網(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；了解自然地理條件，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)物探測線，物探測網(wǎng)基本網(wǎng)度為40 m×10 m，即線距40 m，點距10 m。勘查區(qū)共布置測線47 條，共布置測點1 800個，測線總長度18 km。

2.2.2 磁法探測

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。實測ΔT曲線上表現(xiàn)為單點或很窄的尖峰高頻異常，結(jié)合野外露頭點的調(diào)查，易與煤層自燃區(qū)磁異常區(qū)分。

由實測ΔT磁異常剖面圖分析，在燒變巖區(qū)磁異常形態(tài)各異，無一定規(guī)律，僅在煤層自燃邊界附近，磁異常相對穩(wěn)定，幅值減小，異常走向有一定規(guī)律。圖1 為勘查區(qū)物探測線磁異常ΔT曲線圖，磁異常明顯，異常幅值相對較大，推測其火區(qū)燒變巖有一定的埋深。推測火區(qū)范圍為測線70～370號。

磁法資料解釋遵循的原則：從點到線，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 同位素測氡法探測

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

圖4 為Ⅱ區(qū)塊同位素測氡法解釋煤層燃燒邊界示意圖。從圖4可以看出，氡值計數(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，用同位素測氡法圈定的火區(qū)范圍如圖4所示。

2.2.4 紅外線測溫法探測

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)探測線紅外線測溫法溫度曲線圖，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)說明該區(qū)域有煤層燃燒區(qū)存在，范圍為70～360號點。

圖6 為Ⅱ區(qū)塊局部紅外線測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，說明高溫異常下有燃燒煤層存在，驗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)治理實踐過程中，采用單一注水的方法，雖然成本較低，但此方法僅對低洼區(qū)域及水流經(jīng)過地進(jìn)行局部降溫，對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，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)用灌澆水方法對地表高溫區(qū)域進(jìn)行有效降溫；②通過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)合降溫的方法對煤巖較為密實的高溫區(qū)域進(jìn)行降溫；④對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，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。對于鉆孔注水及注入三相泡沫聯(lián)合治理火區(qū)這項技術(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。路天煤礦運用高精度溫度測定儀測定溫度與鉆孔深度之間的變化規(guī)律，測定結(jié)果表明，高溫區(qū)集中分布于煤層頂板下部4 m 區(qū)域，通過相似模擬實驗得出泡沫滅火材料在松散煤巖介質(zhì)中的擴(kuò)散及流動規(guī)律，進(jìn)而確定路天煤礦最佳施工鉆孔間距為8 m，在實際施工鉆孔時會遇到提鉆塌孔問題，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，仍然需要運用隔氧封堵的方法對漏風(fēng)通道進(jìn)行封堵，路天煤礦運用具有黏結(jié)性的稠化泥漿對地表裂隙進(jìn)行封堵，并利用黃泥加碎石對經(jīng)過剝挖治理后的區(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)場達(dá)到了理想的效果。

治理后原火區(qū)范圍內(nèi)未檢測出溫度異常，實現(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)物探測線，勘查區(qū)共布置測線47條，共布置測點1 800 個。應(yīng)用磁法、同位素測氡法和熱紅外測溫法對火區(qū)進(jìn)行綜合勘查。分別推測火區(qū)范圍依次為測線點號70～370、80～350、70～360。3 種探測方法彼此相互驗證，依此測試結(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)未檢測出溫度異常。通過現(xiàn)場應(yīng)用實踐，上述技術(shù)手段具有治理速度快、效率高、效果好的特點，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。針對其他埋藏深度較大的火區(qū)，火區(qū)治理過程必然面臨更為復(fù)雜的環(huán)境和條件，需要進(jìn)一步研究。