露天礦硬地峁火區勘察及治理技術研究

吳 二 亮

（山西煤炭進出口集團河曲舊縣露天煤礦，山西 忻州 036500）

0 引 言

煤炭是我國重要的化石能源，在國家經濟發展中具有不可替代的作用，但煤炭的開采也伴隨著許多負面作用，污染環境、土地沉降、礦井火災。尤其是露天礦井在地面發生自燃現象，產生大量的有毒氣體，會導致附近的村莊村民安全受到威脅[1~3]。因此，如何解決露天礦火區自燃現象具有著重要的意義。

河曲礦硬地峁火區發火煤層主要為上部各薄煤層發生自燃現象，露頭煤氧化嚴重，熱量集聚后容易引起自燃，煤層含硫量超過2.5%，煤層燃燒后產生大量含有一氧化碳和硫化物的有害氣體，對附近村民的健康有著很大的負面影響。河曲礦于2011、2013、2015 年對硬地峁火區已經進行過3 次黃土覆蓋處理，治理效果明顯，基本控制了明火現象。但2019 年7 月區域內再次出現冒煙現象，此處緊鄰3 道深溝、地形較為復雜，且周圍可以用的表土較少，治理難度大，因此，針對硬地峁火區的治理迫在眉睫。

1 礦井概況

河曲礦率屬于山煤集團，位于河曲縣舊縣鄉范家梁村，井田南北長8.26 km，東西寬5.62 km，井田面積24.953 6 km2，初步設計生產能力為3.0 Mt/a，核定生產能力為8.0 Mt/a。批準開采煤層8-14#,煤種為長焰煤，批采標高為870～106 0 m，保有資源/儲量264.10Mt，可采儲量215.285 Mt。礦井水文地質屬中等類型，井田總體為單斜構造，地質構造簡單，煤層均具有自燃傾向性，煤塵具有爆炸性，屬低瓦斯礦井。礦井開拓方式為：多出入溝移動坑線方式，露天開采采煤采用“單斗-卡車-膠帶”半連續開采工藝，剝離采用“單斗-卡車”間斷工藝。

由于硬地峁火區內存在多處已關閉的原井工開采小窯，由于小煤窯地質和開采資料缺乏，開采范圍不明，火區基礎資料缺乏，危害性難以評估；關閉后的小窯普遍使用以局部封閉、隔離為主的防滅火方法，未能徹底根除火源，凍結了大量的煤炭資源。自燃火區產生的高溫及濃煙污染了環境，由于自燃排放的有毒有害氣體引起了礦區周圍居民生存環境的惡化，帶來了諸多社會問題。為此，有必要探明硬地峁火區火源位置探測及火區分布范圍，并根據實際情況研究符合露天生產實際的煤自燃火區綜合治理方案，為山煤集團類似開采條件的礦井及全國同類礦井的安全開采提供了可靠的技術保障，具有廣泛的應用前景。

圖1 河曲礦硬地峁火區現狀圖

2 硬地峁火區勘察

為探明硬地峁火區火源點具體位置及范圍，本次采用α 杯法測氡法、鉆孔探測、紅外測溫法相結合對火區進行探測。

2.1 地面測氡法探測

2.1.1 探測原理

地面測氡法原理是利用煤巖體中存在的氡元素隨著溫度升高逐漸析出的變化規律，通過氡元素的濃度變化經過數據處理分析后，得到火源位置、范圍。所采用的設備儀器為太原理工大學大型煤自燃及測氡試驗臺，鄔劍明[4]利用此設備已成功研究出氡元素隨著溫度的升高析出率不斷增加。

2.1.2 探測工藝

1）測量儀器。CD-1 α 杯測氡儀由空氣脈沖電離室、電源電路、計數器、放大器、控制電路、甄別器等組成。

2）測場的選擇及測點布置。根據現場實際需要選取基準點，一般選取為3 個點，垂直布置基準點，在區域內布置測點，測點采用GPS 進行定位布置，并做好編號，布置為正方形或者長方形，精度一般采取20 m×20 m，15 m×15 m，l0 m×l0 m 及 5 m×5 m。

3）探測杯埋設。設備中探測杯收集面積為12×8cm2，高吸附材料由高吸附材料制作而成，在每個測點位置挖寬30 cm、深40 cm 的小坑，杯口朝下放入，上部覆蓋塑料布。

4） 現場測量。探測杯埋置4h 后取出，放入CD-lα 杯探測儀測量3 min，記錄相應巖層性質讀數。

5）測量數據處理。將采集得到的數據錄入“測氡探火數據處理系統”（CDTH），進一步處理可以得到相應測區的等值線圖以及異常等值線圖，進而判斷火源位置及范圍。

2.1.3 探測結果及分析

將野外所測的α 杯數據應用CDTH 專用軟件包進行處理可得到測值及等值線圖（圖2-圖5），再經過綜合分析，從而得出火區分布平面圖：

圖2 探測區測值等值線圖

圖3 探測區測值立體圖

圖4 探測區異常值等值線圖

圖5 探測區異常值立體圖

1）在測場內探明溫度異常區3 個，分別為A、B，火區面積約8 560 m2。

2）A 區為高溫火區，面積約2 277 m2，發展方向為近南北方向；α 杯探測數據顯示氡異常值在300～500 CPM（α 杯測氡儀顯示的每分鐘計數），該區內有2 個冒煙點，并布置1 個鉆探孔，鉆孔溫度最高97℃。

3）B 區為高溫火區，面積約2 004 m2，發展方向為北偏東方向；α 杯探測數據顯示氡異常值在300～600 CPM（α 杯測氡儀顯示的每分鐘計數），該區有1個冒煙火點，溫度高達58 ℃。

4）溫度異常區位置、范圍及發展趨勢隨外部供氧條件的變化而變化。

2.2 火區鉆孔探測

2.2.1 鉆孔布置及鉆探過程

根據現場踏勘和前期火區治理情況，在火區中心范圍內確定了1 個鉆孔孔位，鉆探孔孔徑為94 mm，鉆孔深度為100.5 m；鉆探過程在約6.5 m 處孔口冒煙，然后對孔口的氣體進行了采集并進行色譜分析和孔口測溫，具體分析結果如下：

從提取的鉆孔巖芯情況分析，該區域共有3 層煤，分別為 10、11、13 號煤層，其中 10、11 號為風氧化煤層，10 號煤層及上部的煤線有燃燒的痕跡，13 號煤層為完整的未被小窯破壞的煤層，且未發現燃燒的痕跡；鉆探過程中未發現硫磺層和小窯采空區。

2.2.2 鉆孔溫度和氣體檢測情況

鉆探過程在約6.5 m 處孔口冒煙，然后對孔口的氣體進行了采集并進行色譜分析和孔口測溫，具體分析結果如下：

1） 通過紅外測溫儀探測鉆孔內溫度最高為97℃，東部塌陷坑內溫度為58℃，且孔口均冒煙氣。

2）通過采集鉆孔孔口、發火區域東部塌陷坑內氣樣各2 個樣品進行色譜分析，CO 氣體濃度最高為310×10-6，且檢測到煤自然發火標志氣體C2H6。

2.3 火區巖樣分析

2.3.1 巖樣采集

根據現場踏勘情況，發現在火區附近邊坡存在大量的紅色巖層，疑似巖樣中含有一定的硫鐵礦含量，因此在現場采集一些巖樣進行XRD（X 射線衍射）和XRF（X 射線熒光光譜分析）測試。

2.3.2 巖樣分析結果

1）XRD 分析結果。XRD 對材料進行衍射，分析其衍射圖譜，進而獲得材料組成成分（見圖6）。

圖6 巖樣的XRD 衍射圖

XRD 分析結果表明：巖樣中主要成分為SiO2、Al2O3。

2）XRF 分析結果。XRF 即為X 射線熒光光譜分析。利用X 射線熒光原理，理論上可以測量元素周期表中鈹以后的每一種元素。在實際應用中，有效的元素測量范圍為 9 號元素（F）到 92 號元素（U），見表 1。

表1 XRF 測試結果

測試結果表明：巖石樣品中主要含有SiO2、Al2O3、Fe2O3、SO3，Fe 元 素 含 量 占 41.70% 、S 元 素 占4.175%。

3 硬地峁火區治理技術

3.1 滅火方法選擇

根據煤（井）田內火區的特征、范圍、燃燒深度、地形條件等，可能采用的滅火方案概括起來主要有3種：①地表黃土覆蓋將火區加以隔絕；②地面鉆孔灌漿直接滅火；③剝離挖除在燃體，根除火源。見表2。

表2 滅火方法比較

根據河曲舊縣露天煤業有限公司目前的火區分布及公司生產的接續情況，火區范圍將在4～5 年后才能安排露天剝離生產，為了不影響將來露天開采布置，原則上不采用露天剝離的方式進行火區治理；根據火區探測報告，硬地峁火區為上部的10 號煤層風氧化層著火引起，鉆探結果表明火區燃燒深度較淺在50 m 以內。綜合分析火區特點及公司目前生產接續現狀，制定了“火區內地表魚鱗溝灌黃泥漿－火區邊界邊坡黃土覆蓋壓實－地表黃土分層覆蓋碾壓”的綜合滅火技術方案。

3.2 火區治理方案

火區滅火總體技術方案為火區內地表魚鱗溝灌黃泥漿－火區邊界邊坡黃土覆蓋壓實－地表黃土分層覆蓋碾壓，主要技術路線如圖7 所示。

圖7 技術路線圖

1）火區內魚鱗溝灌黃泥漿。由于在發火平臺處存在較多的塌陷坑洞成為火區的漏風通道，因此在發火平臺范圍內采用魚鱗溝灌漿滅火,魚鱗溝間距5.0 m，寬度1.20 m，深度0.8 m,漿液下滲填堵裂隙通道，水土比按1∶0.5。

2）發火平臺地表黃土覆蓋。火區內發火平臺灌黃泥漿完畢后通過施工機械將火區內地表覆蓋黃土1.0 m，并按每分層0.5 m 分層覆蓋碾壓。

3）火區邊界邊坡覆土壓實。在發火平臺的所有邊坡進行覆土并壓實，覆土厚度在1.0 m 以上；沿發火平臺邊緣構筑截水溝，并在邊坡處布置3 條排水溝，防止雨水沖刷邊坡形成裂縫通道漏風。

4 火區治理效果分析

經過對火區治理方案的實施，火區治理后地表未出現冒煙、冒氣的現象，并經過測氡法再次進行探測未發現明顯的溫度異常區。

5 結束語

針對河曲礦硬地峁火區煤層自燃等現象，進行了火區分布探測，并制定了相關火區治理方案，得到了如下結論：

1）硬地峁火區探測采用測氡法地面探測、鉆孔探測、紅外測溫、氣樣分析、巖樣分析等手段，探明了火區的分布范圍、燃燒深度和燃燒程度：采用測氡法進行了地面火區探測，探測面積約2.4 萬m2,探測測點86 個，探明火區面積8 560 m2，發現冒煙點3 處；從提取的鉆孔巖芯情況分析，該區域共有3 層煤，分別為10、11、13 號煤層；通過 XRD 和 XRF 測試出巖石樣品中含有的各種元素含量。

2）根據火區探測情況，綜合分析火區特點，制定了綜合滅火技術方案。