汝箕溝礦區(qū)火區(qū)治理及監(jiān)測(cè)方法的選擇與應(yīng)用

王建華，陳冰凌

(1.寧夏煤炭勘察工程有限公司，銀川 750011； 2.中煤航測(cè)遙感集團(tuán)有限公司，西安 710199)

0 引言

踐行習(xí)近平總書(shū)記生態(tài)文明思想，貫徹綠色發(fā)展理念，必須堅(jiān)持人與自然和諧共生。保護(hù)好賀蘭山自然生態(tài)，是踐行綠色發(fā)展理念的重要舉措，是構(gòu)筑西部生態(tài)安全屏障、建設(shè)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展先行區(qū)的必然要求。

煤在原生狀態(tài)下很難自燃，煤層自燃往往是伴隨著人類(lèi)對(duì)煤炭的開(kāi)采而產(chǎn)生的。煤礦開(kāi)采留下采空區(qū)，煤變成了碎煤，隨著時(shí)間的推移，采空區(qū)殘留的煤柱和頂板開(kāi)始風(fēng)化，引發(fā)采空區(qū)上部巖土覆蓋層大面積垮塌，地面出現(xiàn)裂縫，形成供氧通道，在低溫條件下很容易氧化、生熱、聚熱，最后自燃，造成煤田火災(zāi)[1]。寧夏汝箕溝礦區(qū)是最嚴(yán)重的煤田火災(zāi)區(qū)域之一，煤田地下大火在該區(qū)連續(xù)燃燒了百余年[2-3]。汝箕溝火區(qū)燃燒顆粒物年排放總量約1.5萬(wàn)t，二氧化硫年排放量總量約6 000t，嚴(yán)重危害周邊環(huán)境及居民健康，是周邊的重要污染源之一。礦區(qū)煤炭自燃不僅浪費(fèi)大量的煤炭資源，還會(huì)嚴(yán)重破壞自然環(huán)境，引發(fā)空氣污染，威脅人類(lèi)的生命財(cái)產(chǎn)安全。遏制煤炭自燃，減少碳排放刻不容緩。因此，我國(guó)在煤田火區(qū)治理方面，開(kāi)展了深入研究，并取得了一定的進(jìn)展[4]。相關(guān)防滅火技術(shù)研究與應(yīng)用也取得了突破，提出了基于衛(wèi)星遙感、無(wú)人機(jī)遙感、地面調(diào)查等手段，依靠熱紅外、光學(xué)遙感、無(wú)人機(jī)Lidar、三維傾斜攝影、監(jiān)測(cè)儀器安裝、地面調(diào)查、鉆探工程、GIS定量計(jì)算等火區(qū)綜合調(diào)查、治理及監(jiān)測(cè)技術(shù)體系。這些技術(shù)的應(yīng)用為煤田火區(qū)治理及監(jiān)測(cè)等提供了科學(xué)支持。

本文依據(jù)寧夏賀蘭山煤田汝箕溝礦區(qū)自燃火區(qū)現(xiàn)狀，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)火區(qū)實(shí)地調(diào)查，根據(jù)礦區(qū)內(nèi)不同區(qū)域火區(qū)特點(diǎn)，對(duì)比了不同的滅火方法優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)相關(guān)治理方法適用性進(jìn)行了綜合分析。

1 汝箕溝礦區(qū)火區(qū)概況

汝箕溝礦區(qū)地處寧夏回族自治區(qū)北部，該礦開(kāi)采歷史比較久遠(yuǎn)，距今已有190多年的開(kāi)采歷史。新中國(guó)成立之前礦區(qū)主要是以小煤窯開(kāi)采的方式為主，新中國(guó)成立以后轉(zhuǎn)為以露天開(kāi)采為主。1938年民國(guó)政府頒發(fā)采礦證，1950年由人民政府接管，1960年開(kāi)始建設(shè)西溝平硐，1964年建成投產(chǎn)，正式命名為汝箕溝煤礦，生產(chǎn)能力30萬(wàn)t/a[5]。

現(xiàn)礦區(qū)內(nèi)共有6處火區(qū)，火區(qū)影響總面積約332萬(wàn)m2(圖1)[6]，根據(jù)火區(qū)發(fā)展現(xiàn)狀，將火區(qū)分為三類(lèi)。

圖1 汝箕溝礦區(qū)火區(qū)分布Figure 1 Rujigou coalmine area fire zone distribution

1)基本熄滅火區(qū)。以往火區(qū)通過(guò)治理已基本熄滅火區(qū)8處，分別是新生火區(qū)、黑頭寨火區(qū)、紅灣新火區(qū)、紅灣火區(qū)、紅梁東火區(qū)、北卡拉溝火區(qū)、坑木場(chǎng)火區(qū)、孤島火區(qū)。

2)未熄滅火區(qū)?，F(xiàn)存高溫火區(qū)、溫度異常區(qū)及低溫疑似火區(qū)尚未熄滅的火區(qū)17處，分別是：北一火區(qū)、北三火區(qū)、南一火區(qū)、南二火區(qū)、南三火區(qū)、南四火區(qū)、紅梁火區(qū)、紅梁西火區(qū)、西溝-大石頭火區(qū)、中槽火區(qū)、羊齒火區(qū)、上一火區(qū)、上二火區(qū)、水巷火區(qū)、陰坡火區(qū)、大嶺灣火區(qū)、二道嶺火區(qū)。

3)新增火區(qū)。卡拉溝新火區(qū)。

2 礦區(qū)火災(zāi)產(chǎn)生的原因

汝箕溝礦區(qū)火災(zāi)起始于明清時(shí)期，多因小窯開(kāi)采過(guò)程中，工人在井下取暖或地面火未熄所致；也有部分因開(kāi)采時(shí)空氣流通引起的煤層自燃。煤火沿露頭向深部蔓延燃燒，小煤窯坑口越多、采空區(qū)范圍越大的地段，則火區(qū)燃燒面積也越大(圖2)。20世紀(jì)90年代，地方小煤窯亂采更加劇烈，不僅使國(guó)家的寶貴資源遭受損失，而且導(dǎo)致老火區(qū)加劇發(fā)展，迅速蔓延，新火區(qū)不斷產(chǎn)生[7-9]?；饏^(qū)產(chǎn)生的另一個(gè)原因與汝箕溝礦區(qū)煤質(zhì)有關(guān)，屬易自燃或極易自燃煤[10]。

圖2 未封閉的小窯巷道Figure 2 Unsealed small coalmine roadway

3 煤田火區(qū)治理

在對(duì)火區(qū)進(jìn)行治理前，必須對(duì)礦區(qū)采空區(qū)進(jìn)行全面調(diào)查了解，對(duì)采空區(qū)情況進(jìn)行了分類(lèi)、分區(qū)，從保護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境、減少不良地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生、提高資源利用率等方面綜合考慮，具體勘查實(shí)施、治理，還需要考慮剝挖過(guò)程中回收殘留的煤炭資源收益、滅火工程投入等因素，根據(jù)不同情況制定詳細(xì)、完善的勘查治理方案，綜合治理。一般按照火區(qū)勘查、施工組織設(shè)計(jì)、工程施工、竣工驗(yàn)收及后續(xù)監(jiān)測(cè)等工作步驟有序開(kāi)展。

3.1 煤田火區(qū)勘查

火燒區(qū)勘查通常采用多源高分辨率遙感探測(cè)、綜合物探測(cè)量、鉆探工程、地面測(cè)溫、氡氣測(cè)量，加上綜合地質(zhì)分析等多種手段綜合勘查，詳細(xì)查明發(fā)火原因、位置、范圍、埋深及自燃發(fā)展趨勢(shì)等，為滅火工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3.2 煤田火區(qū)治理具體方法

火區(qū)治理的方法很多種，包括地表黃土覆蓋法，打鉆注水、注漿法，剝離挖除火源法，綜合滅火法(剝離+注水+灌漿+黃土覆蓋)等。

(1)地表黃土覆蓋法

本方法系利用黃土充填覆蓋火區(qū)的地表裂縫、塌陷坑，使火區(qū)封閉，進(jìn)而斷絕火區(qū)通風(fēng)供氧通道，使火熄滅[11-12]。本方法可以緩煤火燃燒速度，達(dá)到控制煤火蔓延發(fā)展的目的，但無(wú)法徹底消除火源(圖3)。

圖3 地表黃土覆蓋滅火示意圖Figure 3 Schematic diagram of surface loess coverfire extinguishing

(2)打鉆注水、注漿法

本方法按照一定的距離間隔向火區(qū)煤層打鉆，再通過(guò)鉆孔向火區(qū)深部灌注專(zhuān)用泥漿，阻斷火區(qū)供氧通路，進(jìn)而阻止燃燒，降低火區(qū)溫度，使煤火逐步熄滅。其原理是通過(guò)注漿吸收掉熱量，滅火降溫，同時(shí)泥漿沉淀到燃燒煤層或巖石裂隙中也能起到隔絕空氣的作用。該方法優(yōu)點(diǎn)在于不受火區(qū)面積、火源深度等條件限制，施工靈活，缺點(diǎn)在于因地下裂隙發(fā)育，灌入火區(qū)的泥漿流向無(wú)法控制，難以根除火源。

(3)剝離挖除火源法

本方法是在火區(qū)內(nèi)自上而下分臺(tái)階剝離，超前注水，降低燃體溫度，挖除著火體[13-14]。本方法可以徹底熄滅煤田火區(qū)，但只有在燃燒煤層淺、地表?xiàng)l件允許的情況下才能夠使用。剝離滅火的實(shí)施取決于火區(qū)地表、地下燃燒范圍及燃燒深度、煤火燃燒強(qiáng)度與高溫點(diǎn)(帶)的分布位置、面積、地面、地下巖石破碎程度。通常根據(jù)地形條件，以注水降溫結(jié)合剝離滅火方法，將剝離巖石就近填入洼地，防止泥石流發(fā)生，通過(guò)土地平整以達(dá)到環(huán)境整治目的。僅針對(duì)滅火效果，剝離滅火對(duì)汝箕溝煤田火區(qū)是比較合適的(圖4)。但考慮到賀蘭山生態(tài)環(huán)境脆弱的原因，該方法能否采用仍需進(jìn)一步論證。

圖4 機(jī)械剝離平面圖Figure 4 Mechanical stripping planar graph

(4)綜合滅火法

綜合滅火法是根據(jù)火區(qū)實(shí)際情況充分結(jié)合以上三種方法實(shí)施滅火。此種方法適用于火區(qū)地形條件復(fù)雜、地形高差較大、水量匱乏、黃土稀缺、剝離費(fèi)用較高的火區(qū)。一般在施工初期對(duì)淺部火區(qū)進(jìn)行剝離，挖除淺部火源，深部則采用鉆孔注漿、裂縫注漿，阻斷火區(qū)供氧通路，進(jìn)而阻止燃燒，降低火區(qū)溫度，使煤火逐步熄滅，最后用黃土覆蓋[14]。

3.3 治理方法適用性分析

汝箕溝礦區(qū)火區(qū)治理主要采取地表黃土覆蓋、打鉆灌漿、剝離和灌漿相結(jié)合的滅火技術(shù)措施。對(duì)于不同類(lèi)型火區(qū)，這些措施有不同的適用性，根據(jù)火區(qū)類(lèi)型選用合理的治理措施才能事半功倍。

3.3.1 注水降溫滅火

對(duì)于空洞火區(qū)，注水能迅速帶走水流流經(jīng)路線上的熱量，但是注水措施作用范圍有限，對(duì)水資源的浪費(fèi)也較為嚴(yán)重。采用鉆孔注水措施時(shí)，水流將沿著孔隙和裂隙流走，難以作用到火源，利用率低。而在煤層空洞火區(qū)內(nèi)，水流只能對(duì)流動(dòng)路線周?chē)拿后w進(jìn)行降溫，大部分的水流會(huì)沿著煤層底板流走，水流無(wú)法接觸到煤層空洞內(nèi)的高位火源，無(wú)法滿(mǎn)足對(duì)高位火源治理的需求。

對(duì)于松散介質(zhì)火區(qū)，注水能迅速降低孔壁高溫，但是水流同樣難以作用到火源，而且停止注水后鉆孔會(huì)出現(xiàn)溫度反彈現(xiàn)象。

3.3.2 注漿封堵滅火

注漿能封堵部分空區(qū)孔隙和裂隙，但效果十分有限。漿液在流動(dòng)過(guò)程中存在“拉溝”現(xiàn)象，并且不能向高處堆積，因此在巖層空洞火區(qū)內(nèi)，注漿不能完全對(duì)孔隙和裂隙進(jìn)行封堵，降溫效果不明顯，可以撲滅一部分低位火源，但無(wú)法充填整個(gè)空間，對(duì)高位火源沒(méi)有治理效果。

對(duì)于松散介質(zhì)火區(qū)，注漿能封堵鉆孔底部的裂隙，具有一定的效果。但注漿只能對(duì)鉆孔底部進(jìn)行降溫堵漏，不能向高處堆積，若鉆孔中、上部也存在漏風(fēng)裂隙，單純的注漿技術(shù)很難對(duì)這些裂隙做很好的封堵。

3.3.3 地表黃土覆蓋窒息滅火

對(duì)于暫不治理的空洞和松散介質(zhì)火區(qū)，地表黃土覆蓋是防止火勢(shì)迅速發(fā)展最有效的措施?；饏^(qū)覆蓋能有效隔斷漏風(fēng)通道，阻斷火區(qū)內(nèi)的氧氣供應(yīng)，不僅可以防止火勢(shì)的進(jìn)一步發(fā)展，也可以為后期的火區(qū)治理工作贏得先機(jī)，同時(shí)減少有毒有害氣體的排放，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

3.3.4 剝離著火煤層滅火

由火區(qū)特性分析可知，露天礦火區(qū)具有快速動(dòng)態(tài)變化的特性，火區(qū)熄滅后容易出現(xiàn)復(fù)燃。為防止火區(qū)復(fù)燃，應(yīng)及時(shí)采取剝離措施，從根源上消除火區(qū)復(fù)燃的可能性。

綜上所述，各種火區(qū)治理技術(shù)都有其優(yōu)越性和局限性，在火區(qū)治理過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)火區(qū)特點(diǎn)選擇合適的火區(qū)治理技術(shù)，充分發(fā)揮各種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，采用綜合的治理方法，徹底將火區(qū)熄滅[14-16]。

3.4 滅火工程選擇

3.4.1 汝箕溝煤火特點(diǎn)

通過(guò)對(duì)汝箕溝礦區(qū)火區(qū)現(xiàn)場(chǎng)踏勘、多源遙感勘查、地球物理勘查和對(duì)已有資料的分析和總結(jié)，火燒區(qū)主要燃燒原因主要有以下三個(gè)方面。

1)煤層露頭煤火。第一，煤層露頭在自然條件下因風(fēng)氧化自燃并向深部蔓延(圖5)。第二，露天開(kāi)采、剝挖改變了煤層的賦存條件，使煤層暴露在空氣中，加速了煤層的風(fēng)氧化速度，導(dǎo)致煤層自燃。第三，在火區(qū)治理過(guò)程中未將著火煤層徹底剝挖，煤火沿煤層露頭蔓延，覆蓋不徹底，未達(dá)到隔絕空氣的標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致煤火復(fù)燃。

圖5 煤層露頭自燃Table 5 Spontaneous combustion of coal seam outcrop

2)采空區(qū)煤火。井工開(kāi)采形成采空區(qū)，采空區(qū)塌陷或山體崩裂，導(dǎo)致裂縫直通地表，部分井口、巷道緊鄰火區(qū)或已與火區(qū)連通，為煤層的自燃創(chuàng)造了良好的通風(fēng)條件，導(dǎo)致煤層自燃。局部地區(qū)加上礦井內(nèi)瓦斯參與燃燒等原因引起的火區(qū)蔓延(圖6)。

圖6 采空區(qū)煤層自燃Table 6 Spontaneous combustion of coal seam in Goaf

3)已控制火區(qū)復(fù)燃，以往已經(jīng)得到控制的火區(qū)由于緊鄰周邊高溫火區(qū)或處于煤層露頭處或處于巷道、采空區(qū)上，井下瓦斯著火導(dǎo)致煤火復(fù)燃，進(jìn)而向四周蔓延?；饏^(qū)長(zhǎng)期燃燒導(dǎo)致塌陷區(qū)、裂隙不斷增大，高溫又加速了煤層的風(fēng)氧化速度，煤層機(jī)理發(fā)生改變，高溫加上良好的通風(fēng)條件為煤層自燃創(chuàng)造了條件，陷入“燃燒-塌陷-燃燒”的往復(fù)循環(huán)。

3.4.2 滅火方法的選擇

針對(duì)汝箕溝煤火特點(diǎn)，火區(qū)治理方法采用地表黃土覆蓋、打鉆灌漿、剝離和灌漿相結(jié)合的滅火方法，針對(duì)火區(qū)不同塊段靈活采用不同滅火方法的具體組合，并取得了較好的效果(表1)。

表1 汝箕溝礦區(qū)已治理火區(qū)治理效果

4 結(jié)語(yǔ)

煤炭自燃既燒損大量煤炭資源，又嚴(yán)重破壞自然環(huán)境。為避免煤層自燃對(duì)生態(tài)環(huán)境造成進(jìn)一步的污染，保障地方煤炭資源安全，在當(dāng)前綠色發(fā)展理念指導(dǎo)下，實(shí)施火區(qū)勘查、治理、監(jiān)測(cè)工作刻不容緩。

對(duì)煤田火區(qū)調(diào)查和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)是滅火與綜合治理的先期工作，也是對(duì)治理效果檢查的必要手段。針對(duì)煤田火區(qū)治理的方法，應(yīng)在充分掌握、了解火區(qū)已有地質(zhì)資料、火區(qū)勘查資料的前提下，堅(jiān)持因地制宜、分類(lèi)施策、標(biāo)本兼治、綜合治理、經(jīng)濟(jì)合理、環(huán)境友好的原則，采取綜合治理的方法。按照火區(qū)分區(qū)，采取“一區(qū)一策”治理方案與保障措施，綜合滅火[16]。

汝箕溝煤田火區(qū)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期治理，火區(qū)面積有所減小，但缺乏定期的勘察監(jiān)測(cè)手段，火區(qū)的影響范圍、深度時(shí)刻都在發(fā)生變化，因此后續(xù)滅火工作，必須建立煤田火區(qū)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，依托傳統(tǒng)地質(zhì)調(diào)查和多源高分辨率遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)，建立煤田火區(qū)監(jiān)測(cè)信息平臺(tái)和預(yù)警會(huì)商指揮中心，為煤田火區(qū)監(jiān)測(cè)及治理等提供科學(xué)的技術(shù)支持與決策依據(jù)[17-18]。對(duì)易發(fā)煤火風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域要形成制度化、常態(tài)化的監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)有煤層自燃現(xiàn)象，立即啟動(dòng)防治預(yù)案，及早進(jìn)行治理與防控，從源頭上控制新火區(qū)的產(chǎn)生和未治理火區(qū)快速蔓延的勢(shì)頭，在消除火區(qū)存量的同時(shí)防控增量，以徹底解決汝箕溝礦區(qū)火災(zāi)頻發(fā)的現(xiàn)象。從而保護(hù)好賀蘭山自然生態(tài)，構(gòu)筑好祖國(guó)西部生態(tài)安全屏障，實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展。