平朔東露天礦不同特性火區的針對性治理方法研究

張小翌 王德明 楊雪花

(1.中國礦業大學安全工程學院，江蘇省徐州市，221116；2.中國礦業大學信息與控制工程學院，江蘇省徐州市，221116)

露天礦小窯采空區火災對露天礦的安全生產造成嚴重的威脅，小窯是引發煤火的罪魁禍首。大部分露天礦煤層自然火災都是由于小窯亂采亂挖造成的。露天礦小窯火區是煤火的一種特殊表現形式，是露天礦生產過程中主要災害之一，小窯采空區自然火災發生、發展速度快，分布范圍廣，產生的高溫和有毒有害氣體不但對露天礦的設備、人員、工作環境、煤炭資源造成威脅，還影響露天礦開采過程中的重要生產環節——爆破，從而制約露天礦生產進度，甚至釀成重大災害事故。本文以平朔東露天礦為研究背景，針對東露天礦不同特性火區提出了切實可行的治理方案，并取得了顯著的效果。

1 煤礦概況

平朔礦區東露天礦位于寧武煤田北端，礦區南北長6.53～10.3 km，東西寬4.42～5.47 km，面積48.73 km2，地質儲量18.49億t，共有三層煤，均屬易自燃煤層，煤層瓦斯含量較少。東露天礦主要可采煤層厚度大，煤層埋藏較淺，因此，礦區內生產礦井和小窯較多。目前，東露天礦推進位置有溝底新井煤礦、磚井煤礦和小西窯礦3個煤礦采空區。由于小煤窯開采管理不嚴格，開采過程中形成大量氧化區域，再加上開采結束后未及時封閉處理采空區及廢棄巷道，造成了煤層內部大量漏風，為煤層自燃提供了供氧條件。隨著東露天礦開采工作的不斷進行，表土層不斷被剝離，小煤窯采空區漏風不斷增多，使煤層進入快速氧化階段，因此在開采區域內迅速出現大范圍火區，影響東露天礦正常爆破和生產，必須采取有效措施全力以赴對其進行治理。

2 火區位置確定

東露天礦4#煤層火區面積大，由于火區大部分都不是明火，而是在煤層下部隱蔽位置，因此確定火區位置，并采取針對性的措施就顯得尤為重要。根據東露天礦火區特性和生產工藝，決定采用打鉆孔的方法確定火區位置，為了更好地找到高溫采空區，每隔32 m施工探測鉆孔，探測鉆孔要求打到煤層底板或打穿采空區。煤層火區鉆孔即按照爆破鉆孔設計。這樣既節約了成本又提高了工作效率。布置方式如圖1所示，鉆孔參數如表1所示。

表1 火區鉆孔參數

圖1 火區鉆孔布置示意圖

在實際鉆孔布置過程中，可根據高溫火區和已探測采空區和巷道情況進行重新調整，對于已經發現的煤火可針對火區情況設計專用滅火鉆孔，對煤火較嚴重的火區則施工加密鉆孔，同時專用滅火鉆孔可作為爆破鉆孔使用，避免浪費。通過原有的爆破孔和現打的探測孔可以初步判定火區的位置，并總結為3種典型的火區類型，分別為不可見巖層空洞火區、可見明火巷道空洞火區和高溫虛量鉆孔。

3 不同特性火區針對性治理

3.1 不可見巖層空洞火區治理

不可見巖層空洞火區是其下部或周圍煤體燃燒所產生的高溫煙氣通過裂隙通道擴散，長期烘烤空洞內巖體而形成，而真正的火源點并不在空洞內部，對巖層高溫打穿鉆孔治理應以充填降溫為主，在阻止高溫煙氣通過鉆孔冒出的同時，使鉆孔周圍巖層溫度降低，因此巖層高溫打穿鉆孔治理主要采取阻斷淹沒法，對于超大空間立體火區，則需要采用大流量灌注高倍數阻化泡沫的方法，同時在對火區治理具體實施過程中，應采用先處理低位火源后處理高位火源的治理思路，對高溫采空區巷道進行有序治理，具體火區治理步驟如下：

(1)火區監測與封孔。高溫鉆孔出現時，第一時間對鉆孔進行測溫，了解火區情況，隨后及時用裝有鉆屑的編織袋或封孔器對鉆孔進行封堵。

(2)注漿。火區治理時，以注漿方式預先處理下部低位高溫區域，快速降低高溫巖層采空區底部高溫，減弱后期處理高位高溫區域時高溫對三相泡沫的破壞。漿液的土水比為1∶2～1∶5，注漿時間6～8 h，流量為15～30 m3/h。

(3) 注三相泡沫或高倍數阻化泡沫。當巖層空洞內下部低位高溫區域基本消除后，以注三相泡沫或高倍數阻化泡沫的方式處理高位高溫區域，充分發揮泡沫處理高位火源的特性，對整個采空區進行滅火降溫。

東露天礦不可見空洞火區空洞體積較大，在對其進行治理時，注水、注漿技術難以對空洞進行填充，為了減少三相泡沫的使用量，可利用骨料對空洞進行充填。骨料填充前需在現火區范圍內補打鉆孔，劃定空洞的范圍，補打的鉆孔選擇采用三花眼布置方式，孔間距隨空洞高度而定，隨后，利用骨料進行充填。施工過程中，在孔口安裝漏斗狀注料機，用前式裝載機將骨料送到注料機漏斗中，啟動注料機，將骨料源源不斷地輸送到采空區鉆孔中，并實時觀測鉆孔深度，防止出現堵孔現象，骨料充填完成后，向孔內灌注一定量的泥漿，使鉆孔底部封堵嚴密，并保留足夠鉆孔深度以滿足爆破需要。骨料充填示意圖見圖2。

圖2 骨料充填示意圖

巖層高溫打穿鉆孔的治理要堅持“快速治理、快速爆破”的思路。因為通過鉆孔灌注的泡沫難以直接作用到火源，因此泡沫有效降溫時間只能持續數個小時，待泡沫破裂后，高溫煙氣竄入空洞，會出現溫度反彈現象，因此，巖層高溫打穿鉆孔內的溫度降低到爆破范圍以內時要盡快實施爆破。

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3.2 可見明火巷道空洞火區治理

明火巷道是空洞火區的另一種表現形式，是指原小窯煤層巷道受露天礦開采平盤剝離的影響而揭露出來，原處于貧氧陰燃狀態的煤體，自揭露后新鮮風流涌入而迅速進入快速氧化階段而發生自然著火現象，因巷道口位置供氧條件更為充足，火勢更加迅猛，明火位置多位于平盤坡面，并且隨著平盤推進，火勢逐漸向內部延伸。由于巷道之間相互貫通，明火巷道火區影響范圍很大，為治理增加了難度。

明火巷道治理主要采用區域隔離法，并輔助以覆蓋挖除的措施。治理時應遵循封堵巷道口和隔離巷道的思路，具體實施步驟如下：

(1)用高壓水槍將平盤邊坡巷道口處的明火撲滅，然后用黃土將巷道口完全封堵，一方面可以減少向巷道內的漏風，另一方面可以保證灌注三相泡沫時泡沫不從巷道口流失。

(2)在巷道上方施工滅火鉆孔探測巷道走向，然后采用巷道隔斷技術將巷道分割成較小空間。

(3)通過鉆孔向巷道內大流量灌注空氣介質三相泡沫或者高倍數阻化泡沫，充分發揮泡沫的堆積性和穩定性，將整條巷道的明火撲滅。

(4)撲滅后的煤層巷道應盡快爆破挖除，防止復燃。

通過鉆孔由上向下灌注泡沫時，泡沫由于自重總是先沿著巷道底板流動，遇到阻隔時才會由上向下堆積。然而煤層中的遺留巷道四通八達、相互連通，通過鉆孔灌注的三相泡沫存在流動自由面，很可能會流入其他巷道，難以堆積起來。因此，為了保證泡沫能夠良好地堆積，必須采取巷道隔斷技術，將巷道分隔成相對較小的空間，使得泡沫能夠更好堆積。巷道隔斷技術如圖3所示，沿著巷道走向向內30～50 m的距離布置一排鉆孔，鉆孔間距2 m，然后向鉆孔里面填黃土，讓黃土在巷道下部逐漸堆積起來，直至把巷道隔斷成幾個治理區間，然后再通過泡沫灌注鉆孔向各個區間大流量灌注三相泡沫，這樣可以保障三相泡沫更好地發揮其在空間內的堆積性，巷道火區的治理效果更加明顯。

圖3 巷道隔斷技術示意圖

3.3 高溫虛量鉆孔治理

3.3.1 多階段降溫法

因鉆孔內壁裂隙發育，高溫延期可通過鉆孔上、中、下部不同位置竄出，注水與注漿措施只能對鉆孔下部進行封堵裂隙降溫，而對上部與中部高溫的治理起不到實質性的作用，為對鉆孔上、中、下部進行全方位降溫，需采用多階段降溫法，如圖4所示，具體工藝流程如下：

(1)用鎧裝熱電偶溫度檢測儀，檢測出整個鉆孔深度區間的溫度情況，準確判斷高溫煙氣流竄裂隙通道。

(2)采用注水措施對鉆孔進行預降溫處理，然后對孔底裂隙進行堵漏，即直接大量注漿將孔深由20 m填至15 m(保留爆破深度)，阻止高溫煙氣從孔底裂隙冒出。

(3)鉆孔底部高溫治理完成后，根據溫度對鉆孔中、上部高溫煙氣流竄通道的判斷，在其下部30 cm位置放置空氣間隔器，采用注水與注漿措施對空氣間隔器上部高溫進行治理，漿液要求黃土顆粒粒徑不大于3 mm，漿液土水比控制在1∶3～1∶7。

(4)治理完成后用釬桿將間隔器捅開，對鉆孔快速充填炸藥進行爆破。

圖4 鉆孔多階段降溫法示意圖

3.3.2 隔離帶降溫法

針對高溫虛量鉆孔的治理，有時為嚴格保證爆破鉆孔深度及正常爆破進度要求，需對高溫虛量鉆孔進行保護降溫，此時需采用隔離帶降溫法對其進行滅火降溫治理。

工藝實施流程：在被保護降溫的高溫虛量鉆孔1 m位置補打3個鉆孔，其鉆孔深度盡量比中心鉆孔要深一些，隨后，對這些隔離用鉆孔采用注水、注漿措施進行滅火降溫處理，以形成低溫隔離帶，同時封堵住了高溫煙氣向中心孔擴散的通道。隨后，對中心孔進行注水快速降溫，達到爆破要求后迅速充填炸藥進行爆破剝離。隔離帶降溫法剖面示意圖見圖5。

圖5 隔離帶降溫法剖面示意圖

4 治理效果

上述3種露天礦特性火區是露天礦火區最具代表性的三類，也是平朔東露天礦火區治理的關鍵。對不可見巖層空洞火區治理，通過灌注三相泡沫，使空洞區域完全被三相泡沫充滿，鉆孔溫度均在40℃以下，完全符合礦方的爆破要求并成功爆破；對可見明火巷道空洞火區治理，向明火巷道內大流量灌注三相泡沫或者高倍數阻化泡沫，并結合巷道隔斷技術，能充分發揮泡沫流量大、堆積性強的特點，經過治理后明火消失，巷道恢復正常；對高溫虛量鉆孔治理，通過多階段降溫法和隔離帶降溫法治理高溫虛量鉆孔，能有效對虛量鉆孔內的孔隙和裂隙進行封堵，阻止高溫煙氣從鉆孔內冒出，同時可以對鉆孔進行有效降溫，從而保證平盤安全爆破剝離。為深入了解東露天礦火區溫度演化規律，探索露天礦小窯采空區火區發展特點，在治理前期、后期分別對火區范圍內鉆孔溫度進行了實地測量，以期利用溫度數據考察火區治理效果。根據測量的鉆孔溫度數據，基本掌握了治理區域內部火區的分布情況，利用matlab軟件繪制了該區域的溫度分布圖，如圖6所示。礦區整體溫度變化表明，經過對火區的治理，在治理區域內基本上沒有高溫區域，東露天礦火區整體形勢得到了很大的改善。

圖6 治理前后火區溫度分布圖

5 結論

(1)針對東露天礦煤火的治理，確定采用以注水、注漿、注三相泡沫技術為主，以覆蓋、挖除、爆破為輔的火區治理技術手段，即通過現場鉆孔實測溫度，劃分出需要治理的區域，同時結合鉆孔類型和高溫火源點分布位置，對火區類型進行合理歸類，針對不同類型的火區，采用特定的治理措施對火區進行治理，治理結束后對火區進行爆破剝離。

(2)針對東露天礦煤火的治理，不同火情采用不同的防滅火技術措施。不可見空洞火區采用注水、注漿、注三相泡沫配合骨料充填的方法進行治理；可見明火巷道空洞火區的治理采用噴射高壓水、黃土覆蓋封堵端頭、注水、注漿、注三相泡沫方法；高溫虛量鉆孔采用注水的技術手段，以多階段降溫法和隔離帶降溫法進行治理。

(3)通過制定綜合防滅火方案，平朔東露天礦火區得到了明顯改善，在治理過程中，火區溫度持續下降，有害氣體濃度持續減小，表明火區在短時間內得到了非常好的治理效果，從而有效保證了東露天礦的正常生產過程，保證了生產設備的安全和工人的身心健康。