王潤(rùn)和 付相超 周春山 鄔劍明

（1.神華準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司生產(chǎn)技術(shù)部，內(nèi)蒙古鄂爾多斯市，010300；2.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西省太原市，030024）

準(zhǔn)能露天礦井田范圍內(nèi)小煤窯自燃火區(qū)探測(cè)及綜合治理技術(shù)實(shí)踐與研究

王潤(rùn)和1付相超1周春山2鄔劍明2

（1.神華準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司生產(chǎn)技術(shù)部，內(nèi)蒙古鄂爾多斯市，010300；2.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西省太原市，030024）

針對(duì)神華準(zhǔn)能露天礦井田范圍內(nèi)多處小煤窯出現(xiàn)的自燃火區(qū)，在分析煤層自燃原因和特征的基礎(chǔ)上，通過(guò)多種手段測(cè)定了地表溫度、裂隙塌陷范圍、燒變巖范圍、露頭燃燒范圍、探測(cè)孔溫度及氣體等，確定了火源的位置、范圍及發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合火區(qū)的實(shí)際，提出以黃土分層覆蓋碾壓、火區(qū)邊界打鉆灌漿隔離、火區(qū)深部鉆孔注黃泥漿、火區(qū)淺部注膠、局部煤層露頭火剝挖為主，塌陷區(qū)平整、火區(qū)（塌陷區(qū)）內(nèi)灌注黃泥漿為輔的綜合滅火技術(shù)方案，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)施?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果表明，該方法工藝簡(jiǎn)單、針對(duì)性強(qiáng)，滅火效果明顯。

火區(qū)勘查 深孔注漿 淺孔注膠 黃土覆蓋 露頭剝挖

神華準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司現(xiàn)下屬黑岱溝和哈爾烏素兩個(gè)露天煤礦，井田范圍內(nèi)存在關(guān)閉地方小煤窯40座，其中黑岱溝礦17座、哈爾烏素礦23座，雖然均已關(guān)閉，但由于開(kāi)采的5＃、6＃煤層揮發(fā)份高、變質(zhì)程度低，加之小煤窯開(kāi)采時(shí)間較長(zhǎng)、采煤工藝落后、破壞范圍較大，其開(kāi)采區(qū)域存在大量遺煤，巷道相互貫通，采空區(qū)漏風(fēng)嚴(yán)重；同時(shí)由于該區(qū)域煤層賦存較淺、露頭廣泛、地表塌陷眾多、采空區(qū)自然發(fā)火嚴(yán)重。目前在地表一般沿裂縫、塌陷坑處均有青煙、硫磺析出，并可看到明火、大量的青煙、強(qiáng)裂的刺鼻氣味（SO2），局部見(jiàn)燒變巖?；饏^(qū)的存在直接威脅到礦井安全生產(chǎn)和當(dāng)?shù)卮迕竦纳?cái)產(chǎn)安全，造成大量的煤炭資源浪費(fèi)和自然環(huán)境的嚴(yán)重惡化，并對(duì)礦井的生產(chǎn)部署產(chǎn)生重要影響。因此，針對(duì)該火區(qū)范圍大、溫度高、火源位置不確定、地質(zhì)資料缺乏、地表?xiàng)l件復(fù)雜、火區(qū)易復(fù)燃等特點(diǎn)，研究針對(duì)性的綜合治理技術(shù)十分必要。

1 火區(qū)勘查

（1）火區(qū)勘查方法及步驟。針對(duì)井田內(nèi)明火點(diǎn)、地表溫度異常區(qū)、地面塌陷裂隙區(qū)、燒變巖、煤層露頭等不同地點(diǎn)，分別通過(guò)手持GPS定位，紅外成像儀、野外照片描述，鉆孔測(cè)溫儀、地面溫度儀測(cè)溫、CO便攜儀、氣相色譜分析儀等裝置確定火區(qū)的位置及屬性，并通過(guò)探測(cè)孔對(duì)火區(qū)范圍進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)證。

（2）火區(qū)勘查范圍確定。以地表溫度和探測(cè)孔溫度及氣體指標(biāo)為依據(jù)由高到低向外擴(kuò)展；以裂隙、塌陷的范圍和走向的縱深長(zhǎng)度以及溫度變化為依據(jù)向外擴(kuò)展；以燒變巖、煤層露頭燃燒和其他地表特征向外圍擴(kuò)展。

（3）火區(qū)邊界確定原則。探測(cè)孔孔底溫度小于40℃；地表裂隙和塌陷邊緣外推20 m；燒變巖邊緣外推20 m；煤層露頭燃燒區(qū)外放20～30 m。

（4）火區(qū)勘查結(jié)果。根據(jù)上述方法及原則，2009年2月25日－3月24日，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)井田內(nèi)永紅、席麻慶兩個(gè)治理區(qū)的火區(qū)勘查，得出火區(qū)溫度分布如圖1所示，確定火區(qū)面積為118986 m2。

圖1 永紅、席麻慶火區(qū)分布圖

2 火區(qū)治理方法選擇

由于該火區(qū)中心區(qū)域地表局部溫度達(dá)130℃，在打探測(cè)孔中鉆桿被燒化，孔口溫度達(dá)到200℃以上。

火區(qū)內(nèi)裂隙縱橫交錯(cuò)，寬窄不一，最寬處達(dá)1.5 m，走煙冒氣，裂隙口溫度達(dá)230℃，塌陷下沉明顯，施工機(jī)械根本無(wú)法進(jìn)入。針對(duì)這種情況，火區(qū)治理的總體施工方案為：以黃土分層覆蓋碾壓、火區(qū)邊界打鉆灌漿隔離、火區(qū)深部鉆孔注黃泥漿、火區(qū)淺部注膠、局部煤層露頭火剝挖為主，（塌陷區(qū)）平整、火區(qū)（塌陷區(qū)）內(nèi)灌注黃泥漿為輔。在火區(qū)形成上下兩個(gè)封堵帶，即下部采空區(qū)和裂隙黃泥漿封堵帶和淺部滅火凝膠封堵劑封堵帶，從而保證滅火效果?？傮w滅火方案如圖2所示。

圖2 滅火方案示意圖

3 滅火施工步驟及主要參數(shù)

3.1 滅火施工步驟

根據(jù)以上總體施工方案，火區(qū)具體施工步驟如圖3所示。其中剝離滅火時(shí)分臺(tái)階進(jìn)行。工作面臺(tái)階高度為10 m，臺(tái)階坡角取70°，最小平盤(pán)寬度為24 m，采掘帶寬度為8 m，采用潛孔鉆機(jī)穿孔松動(dòng)爆破法，孔間距為4 m，采用單排孔布置，裝藥長(zhǎng)度為7 m，超鉆深取1.5 m，剝離后回填覆蓋0.8 m黃土壓實(shí)。整個(gè)剝離滅火施工工藝如圖4所示。

3.2 鉆孔布置方案

（1）隔離孔沿火區(qū)邊界布置隔離鉆孔20個(gè)，雙排梅花樣布置。

（2）深部滅火注漿孔按孔距20 m、行距20 m，共布置54個(gè)（其中有探測(cè)孔11個(gè)，監(jiān)測(cè)孔5個(gè)），布置時(shí)要注意裂隙的分布情況，避開(kāi)裂隙。

（3）淺部注膠鉆孔，在平整剝離覆蓋形成臺(tái)階后，按孔距12 m、行距16 m，孔深一般在地表下15～20 m左右，在4個(gè)臺(tái)階上布置淺部鉆孔64個(gè)。

3.3 裂隙帶注漿量

調(diào)查發(fā)現(xiàn)火區(qū)裂隙分布廣泛且稠密，其中有15條非常明顯，因此對(duì)火區(qū)采取裂隙注黃泥漿，水土比為1∶0.5。其注漿量按公式（1）計(jì)算：

式中：Q裂隙漿——裂隙注漿量，m3；

K——注漿備用系數(shù)，取1.20；

L——火區(qū)沿燃燒煤層走向的長(zhǎng)度，經(jīng)測(cè)量約500 m；

S——火區(qū)內(nèi)煤層傾向上溫度異常體平均面積，經(jīng)測(cè)量約160 m2；

n——煤層上部燒變巖體孔隙率，取0.20。

通過(guò)以上計(jì)算，火區(qū)裂隙注漿量約為21600 m3。

3.4 鉆孔注漿（膠）量

火區(qū)中心采用深部鉆孔注黃泥漿滅火，水土比為1∶0.5；淺部鉆孔注凝膠滅火，水玻璃∶碳酸氫銨∶水＝10∶4∶86，其灌注量按公式（2）計(jì)算：

式中：Q——鉆孔注漿（膠）量，m3；

K——備用系數(shù)，取1.20；

R——擴(kuò)散半徑，注黃泥漿取7.5 m；注凝膠取5 m；

H——注漿時(shí)為采空高度，取8 m；注膠時(shí)為有效注膠孔深，取9 m；

n——注漿時(shí)漿液堆積空隙系數(shù)，取0.8；注膠時(shí)為煤層上部燒變巖體孔隙率，取0.1。

通過(guò)以上計(jì)算，每孔注漿量約為678 m3，注膠量為42 m3。

4 滅火效果評(píng)價(jià)

根據(jù)確定的滅火方法，2009年4月－10月，對(duì)黑岱溝火區(qū)進(jìn)行治理。在進(jìn)行施工的同時(shí)，對(duì)火區(qū)進(jìn)行了全面的監(jiān)測(cè)，主要對(duì)鉆孔火災(zāi)氣體和鉆孔溫度進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的分析，及時(shí)調(diào)整施工工藝，以確保滅火效果。其中H6J2觀測(cè)孔CO濃度和溫度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)如圖5所示。

圖5 溫度和CO濃度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)圖

從圖5中可以看出，觀察孔內(nèi)氣體溫度和CO濃度的月平均值連續(xù)6個(gè)月呈下降趨勢(shì)。氣體溫度已由治理前的584℃下降至31℃；CO濃度由0.1114%下降至0.0024%，在施工結(jié)束后，地表著火現(xiàn)象消失，火區(qū)內(nèi)氣體和溫度逐漸下降，并呈穩(wěn)定趨勢(shì)，治理效果顯著。

5 結(jié)論

（1）通過(guò)多種手段測(cè)定地表溫度、裂隙塌陷范圍、燒變巖范圍、露頭燃燒范圍、探測(cè)孔溫度及氣體等，確定了火源的位置、范圍及發(fā)展趨勢(shì)，為滅火工程提供了理論依據(jù)。

（2）準(zhǔn)能露天礦井田范圍內(nèi)小煤窯引起的火區(qū)分布廣泛并相互連通，火源溫度高，燃燒深度淺，漏風(fēng)供氧充分，采用單一的滅火方法難以徹底治理。

（3）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，建立以黃土分層覆蓋碾壓、火區(qū)邊界打鉆灌漿隔離、火區(qū)深部鉆孔注黃泥漿、火區(qū)淺部注膠、局部煤層露頭火剝挖為主，（塌陷區(qū)）平整、火區(qū)（塌陷區(qū)）內(nèi)灌注黃泥漿為輔的綜合滅火技術(shù)方案，具有工藝簡(jiǎn)單、針對(duì)性強(qiáng)、可操作性，經(jīng)過(guò)半年的施工，治理區(qū)域達(dá)到了《煤田火災(zāi)滅火規(guī)范》中的煤田火區(qū)熄滅標(biāo)準(zhǔn)。

［1］ 曹代勇，時(shí)孝磊，樊新杰等.煤田火區(qū)環(huán)境效應(yīng)分析［J］.中國(guó)礦業(yè)，2007（7）

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Coal spontaneous combustion area detection and comprehensive control of small coalmine in Zhunneng open-pit mine

Wang Runhe1，F(xiàn)u Xiangchao1，Zhou Chunshan2，Wu Jianming2
（1.Production technical department，Shenhua Junggar Energy Co.，Ltd.，e＇erduosi，Inner Mongolia，010300，China；2.College of Mining Technology，Taiyuan University of Technology，Taiyuan，Shanxi 030024，China）

Aimed at several coal spontaneous combustion areas existing in the different small coalmines in the range of coal field of Shenhua Zhunneng open-pit mine，the location and scope of fire source as well as fire development trend were determined by via a variety of measures such as the determinations of surface temperature，fracture collapse range，burnt rock zones，outcrop burning area and the detection of borehole temperature and gases，based on the analysis of causes for the spontaneous combustion of coal seam and its characteristics.According to the actual situation of fire areas，the comprehensive control measures were proposed，that is loess laminated covering and rolling，grouting isolation at the boundary of fire area，yellow mud grouting in the deep part of fire areas，gel injection in the shallow part，and peeling and digging of outcrop fire，combined with the smoothing of collapse area and yellow mud grouting in the fire area.The practice showed that these measures are simple，flexible，targeted，with good effect of fire extinguishment.

exploration of fire area，deep borehole grouting，shallow borehole gel injection，loess covering，outcrop peeling and digging

TD752

A

王潤(rùn)和（1959－），男，內(nèi)蒙古涼城縣人，高級(jí)工程師，主要從事煤礦生產(chǎn)技術(shù)研究及管理工作。

（責(zé)任編輯 張艷華）