近距離煤層開采上覆采空區火區探測及治理

馬 礪，雷燕飛，蘇耀軍，劉尚明，武瑞龍

(1.西安科技大學 西部礦井開采及災害防治教育部重點實驗室，陜西 西安 710054；2.西安科技大學 安全與科學工程學院，陜西 西安 710054； 3.陜西奧維乾元化工有限公司海則廟煤礦，陜西 榆林 719000；4.貴州發耳煤業有限公司,貴州 六盤水 553000)

近距離煤層是指煤層間距小于上下煤層最大厚度的煤層[1]。因為煤層之間距離非常小,已開采完的上部采空區內浮煤經過較長時間的沉積，其厚度大，由于蓄熱環境良好，浮煤發生氧化導致溫度逐漸升高，且采空區和下部開采煤層之間隔著的夾矸層，存在許多漏風通道。當其受到采動影響時，會向開采工作面和上覆采空區漏風供氧,則上覆采空區浮煤及開采工作面自然發火危險性增大，一旦發生火災，將會迅速蔓延，進而對整個礦井的安全開采構成嚴重威脅[2-4]。近距離煤層自然發火防治問題，一直是礦井火災的防治重點。

海則廟煤礦盤區工作面回采以來，工作面CO出現過異常涌出現象，經檢測，工作面回風流CO的體積分數最高可達1.58×10-3，初步判斷該開采工作面上部采空區存在煤自然發火現象，為了避免火災蔓延，防止威脅整個礦井的安全生產，需要盡快探明火災區域。地下煤層火源探測方法主要有:紅外熱成像法、雷達探測法、溫度探測法、同位素測氡法等[5-8]。溫度探測法對傳感器的布置方式和數量要求高；雷達探測法適用于埋藏較淺、地質簡單的煤層火源探測；紅外熱成像法探測距離短，探測成本高，適合煤層露頭等表面高溫異常區域探測[9-10]；同位素測氡法由于儀器具有簡單易操作、輕便易于攜帶，探測范圍和深度大，成本低廉、抗干擾能力強、精度高、結果可靠等優點，逐漸被推廣應用于煤礦地下煤自燃火源位置探測[11]。筆者采用同位素測氡法探測海則廟煤礦盤區工作面上覆采空區煤自然發火區域，確定高溫異常區域的位置和范圍，并結合氡遷移機理對高溫區域氡值情況進行分析，最后制訂合理有效的防滅火措施進行火區治理，并分析火區治理效果。

1 異常區域分析

1.1 工作面概況

海則廟煤礦位于陜西省榆林市府谷縣城北方向10 km處，井田東西方向長約5.2～5.8 km，南北方向寬1.9～4.1 km，面積約17.93 km2。該礦盤區工作面煤層平均厚度一般為5.00～6.31 m，煤層地質構造簡單，大部分煤層含有平均厚度為0.11～0.50 m的夾矸層，巖石結構由砂巖、泥巖等構成。

1.2 影響因素分析

1)漏風通道多：該礦現開采的8#煤和上部7#煤小井采空區屬于近距離煤層，中間只隔著平均厚度為2.0 m的夾矸層，漏風通道多，漏風量大。

2)自然發火周期短：采集7#煤小井采空區煤樣并對其進行測試分析，煤自燃等級為Ⅰ類，自然發火期僅為35 d，自然發火周期短，煤容易發生自燃。

3)遺煤量大：7#煤采空區內遺煤采出率非常低，采空區內堆積了大量的煤炭且較為分散破碎，與氧氣的接觸面積變大，煤自然發火概率增大。

4)蓄熱環境良好：7#煤采空區內浮煤持續堆積厚度大，且因為漏風因素的影響，采空區內氧氣含量高。煤和周圍巖石導熱性能差，浮煤發生自燃后，熱量散失速率慢。

7#煤和8#煤之間的復雜結構，增大了煤自然發火的概率。異常區域結構示意圖如圖1所示。

圖1 異常區域結構示意圖

1.3 監測數據分析

工作面回風流CO體積分數監測記錄如圖2 所示。

圖2 工作面CO體積分數監測記錄

由圖2可見，工作面回風流CO的體積分數從第3天開始逐漸上升，到第5天CO體積分數異常增大至1.58×10-3，初步判斷8#煤上部采空區存在煤自然發火現象，上部采空區煤自然發火產生大量CO，CO通過漏風通道涌入8#煤采煤工作面。

2 高溫異常區域探測

為了探測海則廟煤礦盤區上覆區域煤自然發火區域位置和范圍，使用CD-1α杯探測儀對上覆區域進行探測，分為3個區域：

1)探測區域Ⅰ：工作面開切眼沿走向60 m，傾向230 m區域，探測該工作面內溫度是否存在異常；

2)探測區域Ⅱ：工作面回風巷走向230 m，傾向60 m區域，探明回風巷是否存在溫度異常；

3)探測區域Ⅲ：工作面運輸巷東西各30 m，走向300 m區域，探明采空區內是否存在高溫點，以及對工作面回風巷之間的影響。

探測區域Ⅰ內布置154個測點，探測區域Ⅱ內布置175個測點，探測區域Ⅲ內布置217個測點，共計546個測點。

通過對海則廟煤礦盤區工作面上覆區域進行氡值測量，采集各個區域探測數據，結合井巷布置格局和工作面CO體積分數異常變化情況，再經過綜合分析得到了探測區域煤自燃火源探測位置的平面圖，如圖3所示。

圖3 火源探測位置平面圖

從圖3中可以看出，探測出的高溫異常區域共計4個，高溫異常區域的總面積約為2 100 m2。

將氡值測量數據導入Sufer-12,畫出高溫異常區域的等值線圖如圖4所示。由圖4可知，等值線越密集和顏色越深，表示高溫區域的氡值越大，高溫區域2整體的氡值最高。

圖4 高溫異常區域等值線圖

3 高溫區域氡值分析

根據探測區域劃分，采集各個區域探測數據，并對數據進行處理，得到探測區域的氡值測量數據如表1所示。

表1 探測區域氡值測量數據

氡值測量數據共計546個，當地的平均氡值為187.5 Bq/m3，高于平均氡值的數據為異常點，其中高溫區域1內有9個異常點，高溫區域2內有 6個異常點，高溫區域3、高溫區域4內各有3個異常點。

針對海則廟煤礦盤區工作面上覆火區內氡值出現異常的現象，結合氡的遷移機理進行分析。由于自燃火區上覆巖層構造簡單，并且煤層埋藏深度較淺，氡的遷移過程以擴散對流作用為主[12]。煤層至地表間的覆巖內具有較大的壓力差，隨著煤層自燃后采空區空氣溫度升高，能夠產生較大的氣體對流速度。其中通過氡值反映煤自然發火的原理如圖5所示。

采空區遺煤自燃后，加速了氡從煤體和周圍巖石中滲出[13-15]，氡氣隨著氣流快速向地表遷移，地表測氡儀探測到的氡值越大，采空區溫度越高，煤自燃危險性越大。

高溫區域2的探測氡值明顯高于其他3個區域，表明高溫區域2的煤自然發火范圍和程度大，需要針對具體位置進行重點防控。

從地表向探測出的4個高溫異常區域施工溫度探測鉆孔，所測溫度結果與測氡法探測出的結果一致。

4 火區治理措施

因為該礦井8#煤和7#煤上覆小井采空區之間存在著密集的漏風通道，采用注N2和液態CO2滅火時，N2和CO2將從漏風通道涌入回采工作面，會對井下生產人員造成嚴重危害。因此，結合實際情況，采取煤自燃動態監測，采空區注膠和井上井下堵漏的防滅火技術措施，以保障8#煤的安全高效回采。

4.1 煤自燃動態監測

采取束管監測法對采空區的氣體成分進行實時監測，進而掌握采空區實際條件下氧氣濃度分布、浮煤狀況分布和漏風規律，判定采空區煤自燃指標性氣體的產生和運移規律，為后續防滅火工作的開展提供支持。

4.2 鉆孔注膠隔絕堵漏

根據礦井巷道實際尺寸設計滅火鉆孔進行注膠隔離防滅火工作，注膠鉆孔布置如圖6所示。

圖6 注膠鉆孔平面布置示意圖

從8#煤向7#煤采空區探測出來的4個高溫異常區域進行鉆孔注膠，鉆孔與巷幫距離為0.5 m，鉆孔交錯布置，橫向交錯距離為1.5 m，鉆孔數量共計230個，注膠量共計690 m3。因為高溫區域2整體的氡值最高，煤自然發火危險性最大，特設為重點防控區域，適當加大注膠量。

4.3 井上井下堵漏

8#煤離地表非常近，開采煤層時，因為受采動影響，容易產生與地表溝通的裂縫，地表空氣能通過裂縫進入工作面，在8#煤上部地表區域對裂隙進行定期排查填堵。

井下采取了掛設風簾，建造破碎煤袋墻，灌注黃泥漿等堵漏措施，堵漏效果明顯。

4.4 火區治理效果分析

采取綜合防滅火技術措施后，對該盤區工作面上隅角和回風流CO體積分數進行實時監測，工作面回風流和上隅角的CO體積分數變化如圖7和圖8所示。從圖7和圖8可以看出，工作面回風流和上隅角的CO體積分數大幅降低，均降至正常水平，表明高溫區域煤自燃得到了有效控制。

圖7 工作面回風流CO體積分數變化圖

圖8 工作面上隅角CO體積分數變化圖

5 結論

1)采用同位素測氡法對海則廟煤礦盤區工作面上覆地表區域進行火區探測，共探測出4個高溫區域，其總面積約為2 100 m2，并結合氡遷移機理對高溫區域氡值進行了分析，確定重點防控的區域為高溫區域2。

2)針對探測出來的4個高溫區域，采取了煤自燃動態監測、鉆孔注膠隔絕堵漏、井上井下堵漏的防滅火技術措施。采取針對性措施治理火區后，工作面回風流和上隅角的CO體積分數大幅度下降，恢復到正常水平，說明高溫區域煤自燃火災得到了有效控制，為后續工作面的安全回采創造了有利條件。