大同礦區(qū)典型小窯隱蔽火源探測(cè)與治理關(guān)鍵技術(shù)

李樹靜，韋昌新，高 明，于貴生，郭江明

（1.山西朔州山陰中煤順通辛安煤業(yè)有限公司，山西 朔州036900；2.煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng)110016；3.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順113122）

煤層自然發(fā)火、煤田火與小窯火是我國(guó)煤礦火災(zāi)的主要類型[1]，其中小窯火廣泛分布在我國(guó)山西大同、內(nèi)蒙烏海等礦區(qū)，因私挖濫采、礦井技術(shù)資料缺失等原因，小窯火一般具有發(fā)火位置隱蔽、綜合治理難度高等特點(diǎn)。現(xiàn)階段，隱蔽火源探測(cè)技術(shù)仍是煤炭行業(yè)的一項(xiàng)世界性難題之一，目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用的較多的是鉆探法[2]、物探法[3]、同位素測(cè)氡法[4]、遙感法[5]等方法，各方法均有利弊，除鉆探法外，其它方法尚不能實(shí)現(xiàn)對(duì)小窯隱蔽火區(qū)的準(zhǔn)確圈定，相關(guān)探測(cè)技術(shù)有待進(jìn)一步發(fā)展。

大同礦區(qū)是我國(guó)8 大煤炭生產(chǎn)基地之一，主產(chǎn)優(yōu)質(zhì)動(dòng)力煤，整合前礦區(qū)內(nèi)小窯密布，且在整合后具有煤層埋藏淺、煤層群賦存、小窯開采破壞嚴(yán)重且礦井生產(chǎn)多被小窯隱蔽火嚴(yán)重威脅等共性特征，對(duì)礦井安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅。以典型整合礦井（辛安礦）為例，重點(diǎn)闡述多位鉆探法與紅外熱成像掃描法相結(jié)合的高溫火源綜合探測(cè)方法，及小窯火隱蔽火源專項(xiàng)治理工程，通過(guò)實(shí)施該治理工程，消除了隱蔽火源與毒害氣體擴(kuò)散威脅，建立礦井隱蔽小窯火綜合治理技術(shù)體系，保障礦井安全生產(chǎn)。

1 隱蔽火源探測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀與不足

礦井隱蔽火源探測(cè)是一項(xiàng)世界性難題[6]，現(xiàn)階段各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用特點(diǎn)：

1）在鉆探法探測(cè)方面，建立了孔內(nèi)不同高度測(cè)溫與成孔時(shí)孔內(nèi)氣樣分析相結(jié)合的探測(cè)技術(shù)工藝。

2）在物探法探測(cè)方面，開展了磁法、高密度電法等在煤礦火災(zāi)探測(cè)領(lǐng)域的探索性研究。

3）在同位素測(cè)氡探測(cè)方面，通過(guò)測(cè)量氡氣濃度異常變化區(qū)域，圈定地下采空區(qū)火源的位置，探測(cè)深度可達(dá)500～800 m。

4）在遙感法探測(cè)方面，通過(guò)提取煤火燃燒痕跡或現(xiàn)象在可見光影像和熱紅外影像中顯示出來(lái)的特征信息，結(jié)合地質(zhì)、采礦等信息與野外驗(yàn)證，初步實(shí)現(xiàn)了煤田火區(qū)勘查與煤火的早期預(yù)報(bào)。

現(xiàn)階段，火區(qū)探測(cè)技術(shù)與裝備在煤礦火災(zāi)防治應(yīng)用效果分析見表1。

2 小窯隱蔽火源專項(xiàng)治理措施

山西朔州山陰中煤順通辛安煤業(yè)有限公司（以下簡(jiǎn)稱辛安煤礦）位于大同礦區(qū)東南部，礦井由多個(gè)小煤窯整合而成，主采4#、9#、11#等煤層，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力3.00 Mt/a，井田面積8.198 5 km2，礦井主采煤層生產(chǎn)期間，尤其是煤層露頭側(cè)區(qū)域，面臨著小窯破壞區(qū)及隱蔽小窯火的嚴(yán)重威脅。

2.1 小窯隱蔽火源探測(cè)

堅(jiān)持“先探測(cè)后治理、先井下后地面”的技術(shù)原則，針對(duì)主采工作面掘進(jìn)期間檢測(cè)到的高溫及高濃CO 氣體隱患區(qū)域，采取鉆探法進(jìn)行了圈定，探測(cè)過(guò)程如下：

表1 火區(qū)探測(cè)技術(shù)與裝備在煤礦火災(zāi)防治應(yīng)用效果分析Table 1 Application effect analysis of fire detection technology and equipment in coal mine fire prevention and control

1）首先在井下沿巷道掘進(jìn)方向施工扇形探測(cè)鉆孔，初步圈定高溫、高濃CO 氣體隱患區(qū)域本煤層鉆孔。巷道每掘進(jìn)50 m 施工5 個(gè)檢測(cè)鉆孔，分別位于巷道掘進(jìn)方向（1 個(gè)）、巷道左幫（2 個(gè)）、巷道右?guī)停?個(gè)），井下探測(cè)鉆孔施工參數(shù)見表2。

表2 井下探測(cè)鉆孔施工參數(shù)Table 2 Borehole construction parameters for underground exploration

2）下部煤層鉆孔。根據(jù)巷道內(nèi)高溫與CO 氣體顯現(xiàn)特點(diǎn)，在施工本煤層探測(cè)孔的同時(shí)，進(jìn)一步施工下部煤層探測(cè)孔，以進(jìn)一步進(jìn)行對(duì)比分析。該層探測(cè)孔參數(shù)：方位90°；傾角-6°～10°；孔深50～65 m。根據(jù)自9#～11#層鉆孔內(nèi)溫度、氣體濃度呈明顯的由低到高的梯度變化，最后判斷顯現(xiàn)的隱蔽火源區(qū)域位于下部煤層可能性極大（上覆4#煤層鉆孔內(nèi)溫度偏低，但CO 氣體濃度較高，非同一火源）。

3）在地面進(jìn)一步施工探測(cè)檢驗(yàn)孔，對(duì)井下圈定的隱蔽小窯火隱患區(qū)域進(jìn)行驗(yàn)證進(jìn)一步施工地面探測(cè)孔，驗(yàn)證井下圈定的隱蔽火源范圍，本著“經(jīng)濟(jì)治災(zāi)、合理治災(zāi)”的原則，共在地面施工7 個(gè)鉆孔，地面探火孔相對(duì)位置示意圖如圖1。圖1 中，1#～7#為施工的地面探火孔（兼做后期的措施孔），距掘進(jìn)巷道水平距離90～135 m，其中3#～7#孔水平間距30 m；垂直藍(lán)色線代表掘進(jìn)巷道及其走向；水平黑色線代表后期井下施工的治理措施孔。

圖1 地面探火孔相對(duì)位置示意圖Fig.1 Diagram of relative position of ground fire detection holes

通過(guò)進(jìn)一步檢測(cè)，地面鉆孔內(nèi)從上至下自4#、6#、9#、10#、11#號(hào)煤層，11#層層位溫度、CO 氣體濃度最高，最終驗(yàn)證了井下探火孔的準(zhǔn)確性，圈定了11#層小窯隱蔽火范圍，為下一步采取針對(duì)性的治理措施奠定了扎實(shí)基礎(chǔ)。

2.2 隱蔽火源專項(xiàng)治理

根據(jù)小窯隱蔽火賦存范圍，同時(shí)結(jié)合辛安礦生產(chǎn)技術(shù)條件的實(shí)際情況，最終確定在下部煤層施工1 道隔離墻，控制小窯隱蔽火對(duì)本煤層及下部煤層采掘工作面的威脅，該墻的技術(shù)參數(shù)如下：

1）隔離墻走向長(zhǎng)度275 m。

2）墻體為無(wú)機(jī)固化速凝充填材料材質(zhì)[6]，為粉狀水溶性雙組份成分，2 組分融水并充分?jǐn)嚢韬螅跄龝r(shí)間可控制在5 min 以內(nèi)，2 h 后結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可達(dá)1.5 MPa。

3）由本煤層掘進(jìn)巷道向下部煤層施工注漿鉆孔，平均每隔25 m 布置1 個(gè)鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)內(nèi)鉆孔方位75°～102°，孔徑φ75mm，孔深45～65 m 且全程下φ50 mm 套管。后期兩鉆場(chǎng)間平均每隔5 m 又施工了密集注漿孔，進(jìn)一步強(qiáng)化墻體構(gòu)筑質(zhì)量。

4）配套設(shè)備為1 臺(tái)ZBYSB210/9-18.5 型注漿裝置（后期又配置1 臺(tái)），理論流量12 m3/h，理論出口壓力9 MPa，配套使用4 臺(tái)大型攪拌裝置，整套系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，適用于小窯破壞巷道的快速充填[7]。

另外，在施工完下部煤層隔離條帶后，本煤層工作面回采期間，同步采取均壓通風(fēng)措施強(qiáng)化上覆煤層毒害氣體下泄預(yù)防措施。

3 效果分析

注漿隔離措施[8]取得預(yù)期效果。下部煤層隱蔽小窯火隔離條帶前后共施工62 個(gè)注漿鉆孔，累計(jì)壓注SWS-1 型無(wú)機(jī)固化速凝充填材料980 t，形成的注漿量約為4 410 m3，若按小窯巷道平均斷面12 m2計(jì)算，構(gòu)筑墻體長(zhǎng)度達(dá)到368 m，即使考慮到一定的備用系數(shù)[9]，也遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。治理區(qū)域內(nèi)觀測(cè)鉆孔內(nèi)CO 氣體濃度降至20×10-6，溫度降至25 ℃以下。均壓通風(fēng)措施進(jìn)一步控制了上覆煤層小窯破壞區(qū)毒害氣體的下泄威脅。本煤層工作面回采期間，及時(shí)采取了局部通風(fēng)機(jī)加風(fēng)門的均壓通風(fēng)措施[10]，有效降低了毒害氣體下泄量，通過(guò)束管檢測(cè)，采空區(qū)CO 最大值始終控制在24×10-6以下。通過(guò)隔離與均壓措施的互相配合，保證了本煤層工作面的安全回采。

4 結(jié) 語(yǔ)

地面鉆探法與井下鉆探法相結(jié)合的探測(cè)方式在大同礦區(qū)東南井田典型小窯隱蔽火源的應(yīng)用上效果較為理想，對(duì)于其它礦區(qū)隱蔽火源探測(cè)具有相當(dāng)?shù)慕梃b意義；SWS-1 型無(wú)機(jī)固化速凝充填材料在大同礦區(qū)東南井田小窯嚴(yán)重破壞區(qū)的充填隔離應(yīng)用取得成功，其大規(guī)模推廣與應(yīng)用，可為小窯隱蔽火的治理提供一種新的思路。