梁運濤，王 偉，3

（1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順113122；3.煤炭科學研究總院，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，煤炭消費占一次能源消費總量的59.0%，預計到2050 年，煤炭消費量仍占一次能源消費總量的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雜，礦井自燃火災事故時有發(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，堅持“快掘、快安、快采、快撤、快閉”的“五快”原則，實現(xiàn)了以快治火。隨著開采煤層向深部延伸，地表漏風、層間漏風和本層漏風等多層復合采空區(qū)的漏風過程趨于復雜化，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針對性還不夠強，隱蔽火源探測缺乏有效的技術手段，尚難以實現(xiàn)對火源的精確定位和監(jiān)測預警，不能有效指導礦井火災防治。傳統(tǒng)火災防治理念以被動防治為主，往往是火災已經(jīng)發(fā)生后才進行治理，造成巨大的能源浪費和設備資源損失，災害治理和事故處理費用高昂，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發(fā)生發(fā)展一般規(guī)律為指導，采用理論分析、數(shù)值模擬、實驗測試和現(xiàn)場試驗等多種技術手段，提出“超前采礦工程控氧化、超前綜合預防控自燃、準確多元探測易治理”的自燃火災協(xié)同防治技術，為實現(xiàn)煤礦火災防治超前主動預防、超前預警、早期發(fā)現(xiàn)、精確定位和有效治理奠定基礎。協(xié)同防控技術從優(yōu)化采掘布局、開采技術、通風系統(tǒng)等基礎影響因素入手，完善火災預測預報及監(jiān)測預警體系，實施火災危險評估，不斷創(chuàng)新提高防火技術的有效性、適應性和經(jīng)濟性，實現(xiàn)超前預測預報和超前主動預防，指導礦井火災防治，最終實現(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，采礦工程擾動更為明顯，地溫梯度顯著增加，在熱風壓變化影響下深部煤體自燃耦合效應、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)技術條件下的預測預報指標、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。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，基本未采取注漿等預防性措施，由于工作面推進速度快，本層煤開采時未出現(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)漏風條件下受到二次氧化，自然發(fā)火危險性增加。

2）淺埋深近距離煤層賦存條件下，受礦井回采過程重復采動影響，本層漏風、層間漏風和地表漏風等多層復合采空區(qū)漏風過程趨于復雜化，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，加大被動均壓防滅火措施的不可控性。

3）礦井巷道設計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，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)及老空隱蔽火災嚴重，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)有火災監(jiān)測技術手段不完善，傳統(tǒng)色譜束管火災監(jiān)測系統(tǒng)的適用性不強。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、操作維護復雜、實時性差等缺陷，由于有效采集氣體距離較短，不能適應超大規(guī)模井田長距離采集氣體的需要，導致分析結果易出現(xiàn)較大偏差，從而喪失火災治理的最佳時機。

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)火之間的關聯(lián)性不清，加之無軌膠輪車尾氣排放等方面的困擾，導致防滅火基礎工作特別是自然發(fā)火預測預報的準確性較差，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困擾煤炭行業(yè)的世界性難題，現(xiàn)有火區(qū)探測技術總體上依然不能實現(xiàn)對煤礦隱蔽火源的精確定位需要。鉆探法工程量較大，費時、費力、成本高，性價比低；物探法易受大地雜散電流、磁場強度變化因素影響，準確性需進一步提升；同位素測氡法探測精度易受采動影響以及圍巖裂隙漏風干擾，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)構造等因素影響較大，成本高、操作復雜。

2 超前協(xié)同防控技術內(nèi)涵

基于上述問題，構建了以“基礎條件調(diào)研-采礦工程優(yōu)化-超前預測預報-超前監(jiān)測預警-火災危險評估-超前主動預防-隱蔽火源探測-高溫有效治理”為一體的火災防控框架技術體系，突出了火災防治的“以防為主、防治結合、因地制宜、綜合實施”原則，突破了以往煤礦火災被動防治的觀念，逐步建立了自燃火災超前協(xié)同防控技術體系，為煤炭企業(yè)安全、高效持續(xù)發(fā)展提供了可靠保障。自燃火災超前協(xié)同防控技術體系如圖1。

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

其主要技術內(nèi)涵包括：

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

2）確定各主采煤層自然發(fā)火標志氣體及臨界值，開發(fā)井下原位光譜在線檢測技術，提出復雜災變地質(zhì)體影響下自燃火災威脅程度評估方法，集成創(chuàng)新了氣體流場動態(tài)平衡多點調(diào)控技術，提出井上下聯(lián)合區(qū)域性注漿技術，建立超前綜合預防控自燃技術體系[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，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)，建立電磁探火技術方法[23-26]。

3 超前協(xié)同防控關鍵技術

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 類火災危險等級進行管控，礦井自燃火災等級劃分標準如圖2。確定神東公司大柳塔活雞兔井等5 個煤礦為Ⅰ類自燃火災危險礦井，保德等4 個煤礦為Ⅱ類自燃火災危險礦井，錦界等5 個煤礦為Ⅲ類自燃火災危險礦井，神東礦區(qū)礦井自燃火災劃分見表1。

圖2 礦井自燃火災等級劃分標準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 個煤礦在生產(chǎn)后期應采用分區(qū)式或?qū)鞘酵L方式，同一盤區(qū)的工作面應按煤層走向（或傾向）統(tǒng)一布置，連續(xù)推進長度盡量一致，回采時應選擇順序開采，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（如石圪臺煤礦31204工作面）或工作面出現(xiàn)大范圍低氧情況（如補連塔煤礦22308 工作面、上灣煤礦22102 工作面）時，可使用調(diào)節(jié)風窗與調(diào)壓風機均壓技術措施。

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)關系，建立工作面長度計算模型：

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

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

3.2 超前綜合預防控自燃

3.2.1 自燃火災超前預警技術

采集神東礦區(qū)典型礦井煤層煤樣，采用程序升溫實驗對煤樣氧化特性進行測定，采用人工取氣、束管監(jiān)測方法對工作面進風、回風、架間、采空區(qū)進行現(xiàn)場觀測，經(jīng)過統(tǒng)計對比分析建立的神東礦區(qū)煤層自燃預警分級指標體系見表2。

圖3 相錯布置塑性區(qū)范圍和垂直應力分布（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)煤層自燃預警分級指標體系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（相對于分辨率的104級）、高精度（檢測線達1×10-7）的井下原位在線光譜束管監(jiān)測成套技術（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，大大縮短了束管采氣距離，集成了光纖環(huán)網(wǎng)傳輸技術，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)實時上傳（上傳周期≤2 s）、井上下設備無人值守、自動控制及報警功能。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)了樣品預處理裝置，實現(xiàn)了管路內(nèi)氣體壓力、流量的實時監(jiān)測和異常點快速定位。

3.2.2 自燃火災超前預防技術

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

式中：pmin為最小安全相對靜壓，Pa；Hr為火火風壓，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)域等分類評估量化指標，對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估指標；對于上部煤層采空區(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估指標，建立受限流場條件下上覆火區(qū)氣體對工作面安全開采影響程度評估方法，將工作面安全開采威脅程度劃分為安全、威脅和危險3 個等級，為工作面安全開采提供科學依據(jù)，評估流程如圖5。

圖5 評估流程Fig.5 Evaluation process

集成創(chuàng)新氣體流場動態(tài)平衡多點調(diào)控技術體系。以礦井通風角聯(lián)漏風理論為基礎，以漏風匯為調(diào)控基點，采用關鍵層注氮增壓、風窗-風機基點調(diào)壓、漏風通道封堵等技術，通過觀測多層采空區(qū)的壓能動態(tài)分布變化規(guī)律實現(xiàn)動態(tài)平衡多點調(diào)控，實現(xiàn)漏風流場與工作面間的多點平衡，減少了多層采空區(qū)漏風量，抑制了上覆火區(qū)有害氣體侵入。

針對神東礦區(qū)煤層近水平賦存及超大采空區(qū)特點，發(fā)明了井上下聯(lián)合區(qū)域性注漿技術，確定了注漿范圍、注漿方式、水土比等關鍵參數(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)采動裂隙“O 形圈”區(qū)域施工鉆孔進行井上補充注漿，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 準確多元探測易治理

鉆孔測溫受人員經(jīng)驗限制較大；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。針對以上缺陷，研究隱蔽火區(qū)多元電磁探測技術。

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數(shù)值計算，得到煤自燃作用對煤巖層電阻率和瞬變電磁響應頻率變化的影響規(guī)律，3 層及4 層模型瞬變電磁響應對比如圖7。煤巖層電阻率ρ 變小后，瞬變電磁響應晚期頻率衰減變慢；煤巖層電阻率變大后，瞬變電磁響應晚期頻率衰減變快，瞬變電磁響應差異特征△Hz可作為識別煤巖層自燃的標志。

圖7 3 層及4 層模型瞬變電磁響應對比Fig.7 Comparison of transient electromagnetic responses between three-layer and four layer models

在3 層及4 層模型的正演響應中引入高斯隨機誤差，采用Occam 一維反演算法分別對模型自燃前、自燃初期、自燃后的響應數(shù)據(jù)進行反演，識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 一維反演結果如圖8。

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

先后對神東礦區(qū)石圪臺煤礦等6 個疑似火區(qū)對應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 軟件進行了5 層模型反演計算，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證。

4 結 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”的火災防治現(xiàn)狀，改被動治理為主動預防，近距離煤層群開采上覆采空區(qū)將出現(xiàn)“一片火海”。提出以“超前采礦工程控氧化、超前綜合預防控自燃、準確多元探測易治理”為內(nèi)涵的自燃火災超前協(xié)同防控技術，構建“基礎條件調(diào)研-采礦工程優(yōu)化-超前預測預報-超前監(jiān)測預警-火災危險評估-超前主動預防-隱蔽火源探測-高溫有效治理”的技術體系，期待能為近距離煤層群開采自燃火災防治提供一定的參考。針對隱蔽火源精確探測進行了嘗試，但仍面臨探測技術相對薄弱，探測精度差的局面，基于紅外遙感、磁法和電法的煤田火災多元信息探測技術及裝備是今后煤田火災探測的發(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多元信息探測技術等方面進行探索。