沙坪煤業上覆小窯隱蔽采空區探測及災害防治技術研究

黃 華，任仲久，秦 政

(1.山西省晉神能源有限公司，山西 河曲 036500；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122；3.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122)

地下火源難以精確探測依然是影響煤火區有效治理的重點難題[1，2]，礦區內歷史小窯采掘情況不明，遺留隱蔽采空區自然發火問題嚴重影響礦井的安全生產[3，4]。目前經過實際檢驗能廣泛應用于現場的探測技術主要有基于火場中煤巖物理特征變化的磁法、電阻率法，基于放射性元素運移規律的測氡法，基于直接鉆探取樣的測溫測氣法等[1，5]。磁法、電阻率法等物探方法多用于大面積煤田火區探測，礦井地質條件復雜，干擾因素多，難以達到探測條件[6]。測氡法在淺埋煤層火區探測中技術相對成熟，鄭忠亞等利用同位素測氡法探測出馬營煤礦火區位置及發展方向，但未經過施工鉆孔驗證[7]；費金彪等在劉家峁煤礦通過測氡法圈定淺埋煤層外因火災形成的火區位置及范圍[8]；張辛亥、鄧軍、馬礪等學者對測氡法進行理論研究及工程實踐，在隱蔽火區探測領域起到了可觀的效果[9-11]，但地面裂隙及礦井采動等因素易對測氡法的探測精度產生影響[12]。在上述探測方法縮小隱患區域范圍的基礎上，鉆探法可更準確地定位火源位置及探測隱蔽采空區的情況[13]，多種探測方法結合使用是煤火區探測治理工程的趨勢。

1 礦井概況

沙坪煤礦13號煤層一盤區設計四個綜放工作面，13103綜放工作面為13號煤層首采工作面，井下位于13號煤主運大巷以南，井田南部邊界距13103切眼28.6～58.6m，東高西底，煤層底板標高+806.8～+833.4m。

13103綜放工作面位于沙坪煤業井田的西南部，地形呈低山丘陵地貌，表現為東高西低，中東部的地貌發生了較大的變化，原走馬梁村的舊址現為貓兒溝露天煤礦的排土場，海拔高度1075m，最低點位于勘查區中部北正溝的溝谷內，最低點海拔高度963m，相對最大高差112m；排土場覆蓋工作面達73%以上，形成了階梯狀的陡坎。

13號煤層與上覆8號煤層間距41.13m，井田內老窯較多，原火山煤礦、原南正溝煤礦等7座小窯關閉前均開采過8號煤層，周邊小窯存在4個疑似火區，疑似火區的CO濃度曾達1‰，形成下層煤開采隱患。因此有必要系統開展沙坪煤礦13號煤層首采區上覆采空區自燃探測與分析，為煤層自然發火及有害氣體下泄的防治工作提供基礎。

2 隱蔽采空區探測

2.1 同位素測氡法探測

探測區域在平面上大致為矩形形狀，長約1739m，寬約530m，累計面積約82萬m2。根據圈定的探測范圍，與勘探線平行布置測線，在每條測線上設置測氡點進行測量，如圖1所示。

注：①、②、③和④為分界線；A、D和E為原始地貌區域；B為沙坪礦排矸場；C為貓兒溝排土場圖1 測氡完成情況

測氡點打孔(?128mm，長0.5m)安設吸附杯并在上部鋪設塑料膜，最后用土覆蓋嚴實。4h后取出置入HS04測氡儀，測量時間3min。當探測范圍內氡元素濃度值大于當地氡濃度正常值3倍以上時，可判斷隱患區域內存在氧化高溫點。本階段共設計測點1055個，裂隙周邊以及高氡值區域總共補測16個，根據現場條件實際測完902個，由于部分區域沒有探測條件而未探測的點有169個。

根據沙坪煤業13號煤層13103首采工作面和13103鄰近工作面自燃隱患區域測氡法探測數據結果，經過數據處理，確定6452Bq/m3為氡異常臨界值。通過軟件處理可得到隱蔽火源的測值平面圖，如圖2所示。由圖2可知，探測范圍內大部分區域的氡值較低；圖中的等值線較為密集的區域，為氡值異常區域，該區域的氡值已經超過了氡值異常值，有概率存在發火危險，通過對氡值數據的分析，初步確定氧化高溫點在貓兒溝排土場范圍內。

圖2 探測區域氡值

2.2 井下鉆孔探測

13103巷道掘進期間，工作面巷道內每50m左右向上覆采空區施工一個?108mm鉆孔。在孔內下入?90mm全孔段套管，順套管將束管、測溫線纜送入對孔內溫度進行觀測并對孔內氣體進行取樣分析，將套管留入孔內以便長期監測孔內溫度和氣體情況。

一氧化碳、乙烯、乙炔等特征氣體濃度是判斷采空區自然發火情況的重要指標[14]。根據13103工作面巷道掘進期間觀測結果，從13103工作面開切眼開始往外至回風巷300m范圍上覆采空區內CO濃度最高達到2.932‰(16號定向鉆孔，與8號采空區垂距57.52m，距離13103切眼157m)。

通過地面區域測氡值探測火區和井下鉆孔發火特征氣體指標分析，上覆采空區在13103工作面開切眼南側和西側原小窯采空區存在疑似高溫點，上覆采空區發火隱患治理重點范圍位于13103工作面自切眼以外400m范圍內。氣體化驗數據見表1。

表1 部分井下鉆孔氣體化驗指標

2.3 地面鉆孔探測

針對13103工作面開切眼往外400m范圍內上覆采空區探測，設計在地面向上覆采空區施工17個鉆孔，由于小窯采掘情況不明，一些鉆孔沒有探通，在鉆孔周邊繼續補打鉆孔。最終打通15個地面鉆孔分布在已探測區域中，在打通的鉆孔中下入套管并檢測孔底溫度及氣體成分，具體鉆孔施工情況見表2。

表2 地面鉆孔坐標及深度

2.4 探測結果分析

從13103工作面切眼附近井下鉆孔觀測結果來看，8號煤層采空區存在高濃度的CO氣體，O2濃度均在3%以下，13號煤層開采過程中，8號煤層采空區下沉，與13號煤層采空區溝通，改變了8號煤層采空區火災隱患區域的通風狀態，極有可能使得火災得到迅猛發展，將嚴重影響工作面安全生產。

地面鉆孔施工完畢后，同樣進行測溫及孔內取樣化驗氣體成分，結果最高溫度為在2-3號鉆孔測得的57℃，CO濃度最高為在4-1號鉆孔取樣化驗出的0.677‰，零星未超過0.01‰的乙烯出現，未出現乙炔。CO等有害氣體濃度呈現出由工作面向切眼外方向遞增的趨勢。

13103工作面切眼外方向有兩處歷史火區，將探測區域內鉆孔的氣體檢測數據與鉆孔距歷史火區的距離關聯，如圖3所示，由圖3可以發現，距歷史火區越近則CO濃度越高，兩者呈現線性相關。從數據反應的情況分析，13103工作面上覆采空區范圍內存在高溫氧化點，但不存在火源點，采空區內高濃度的CO等有害氣體主要來源于礦界外的歷史火區。

圖3 取樣氣體CO濃度與鉆孔距歷史火點距離關系

13103工作面采煤工藝為綜采放頂煤，機采高度4.3m，采放比1∶2.92，回采率為80%，同時上部9、10、11、12號煤層未開采，故現采空區遺煤較多。13號煤為長焰煤，自然發火期為64d，在采空區漏風量大、回采速度等影響因素作用下，易造成13號煤層采空區遺煤自燃。且長焰煤低溫氧化現象非常明顯，且采空區遺煤較多，在通風負壓作用的影響下，易造成工作面上隅角低氧現象。為防治煤層自然發火及有害氣體下泄，需對沙坪煤業13煤層上覆采空區進行隱患治理。

3 隱患治理

3.1 地表裂隙封堵

13103工作面底板高程808～835m，地面高程963～1078m，覆蓋厚度114～242m，平均178m，工作面距離地表較淺，通過勘查貓兒溝煤礦外排土場及南、北正溝原始山體存在多處裂縫，該山體對應井下13號煤層一盤區布置的首采工作面13103和13102工作面。13103工作面上覆8號煤層采空區鉆孔大多數處于排風狀態、個別處于進風狀態，表明8號煤層采空區與地表存在裂隙漏風，加速采空區遺煤氧化。針對受沙坪煤礦井下采動影響貓兒溝煤礦外排土場及南、北正溝原始山體出現的裂縫、沉降問題，制定方案對貓兒溝山體進行了黃土填埋封堵措施。

將南正溝北側原始山體平整形成950m水平面，于南正溝兩側修筑形成的950m水平面進行覆土作業，利用黃土重力沿山體坡面自由滾落，盡量覆蓋原始山體最大面積，對13103、13102面原始地表連續進行黃土覆蓋，排土1166600m3，覆土厚度為2m；貓兒溝北正溝外排土場北側與沙坪煤礦排矸場交界處原始山體裂縫治理，將黃土運往960m排土臺階，利用裝載機對原始山體進行覆蓋、平整，盡量覆蓋原始山體最大面積，對1817、1818地表裂隙和13103原始地貌裂隙全部回填，覆土厚度為2m。

13103工作面回采后，地表沉陷產生新的裂隙，增大上覆采空區漏風。因此在13103工作面回采后，隨時觀測地表變化，對產生裂隙區域繼續填埋。對大空洞裂隙在填埋同時作澆水、夯實處理。

3.2地面注液氮治理

8號煤層采空區火災隱患區域具有隱蔽性，一般灌漿手段難以直接接觸到隱患區域，液氮擴散流動性極佳，汽化吸熱作用明顯，可有效使目標區域降溫并大面積惰化充填空間，適用于易自然發火的隱蔽采空區。注液氮技術是預防及治理地下煤火區的重要方法[15]。

根據13103工作面上覆采空區面積大，全部注液氮成本高，時間長，短期難以取得效果，地面及13103工作面巷道內可施工貫通采空區的鉆孔，選擇目標式、直注式注液氮方式。

由于8號煤層為老窯房柱式開采的采空區，遺留煤柱多，鉆孔穿透8號煤層采空區困難，測量井上下對應位置，選擇地表平整、適合施工、并靠近采空區舊巷的位置作為鉆孔施工注液氮場地。初期每日選取兩個鉆孔注液氮，后根據各鉆孔內探測的溫度及有害氣體濃度調整注氮量，治理60d后各鉆孔累計注液氮量見表3。

表3 地面鉆孔注液氮情況

3.3 井下注氮氣治理

注入的高濃度的氮氣后，氮氣部分驅替氧氣進入到煤體裂隙表面，降低煤表面對氧氣的吸附量，從而抑制遺煤的氧化。此外氮氣具有良好的擴散性，快速注入大量氮氣有效稀釋采空區的氧氣及可燃氣體的濃度，使發火區域進入窒息狀態，消除發火隱患。

根據13103上覆采空區漏風情況，井下注氮氣可以形成氮氣隔離墻，阻斷采空區氧氣來源。利用輔運巷內鉆孔進行注氮，注氮孔為定向13號孔、普鉆10-1號孔、定向16號孔、普鉆9-1號孔、4-2號孔、6號孔。附近其余鉆孔作為觀測孔。累計注氮氣約251.2911萬m3。

4 治理效果分析

在進行隱患治理前，采用補償式熱偶電阻對地面鉆孔底部進行了溫度觀測，最大值出現在2-3號鉆孔，溫度值為57℃，3-3號鉆孔溫度值為49℃，其它鉆孔探測溫度均未超過25℃。地面鉆孔溫度、CO濃度與治理時間的變化曲線分別如圖4、圖5所示，從圖4、圖5中可以看出，經過13103工作面注氮氣及地面施工鉆孔注液氮治理30d后，2-3號鉆孔溫度降到25℃，3-3號鉆孔溫度降到15℃；除4-1號鉆孔所取氣樣中CO濃度為0.247‰外，其余上覆采空區鉆孔內CO濃度均降低到0.1‰以下，并仍在持續下降；治理工程進行至60d后，所有探測鉆孔底部溫度低于20℃，且孔內氣體CO濃度低于0.1‰，此時起所有鉆孔停注液氮及氮氣；治理措施停止30d后，觀測鉆孔內的溫度略有回升，有害氣體濃度保持在較低水平，兩類指標均在控制范圍內，說明探測范圍內消除了高溫點，裂隙填埋、注氮隔離等措施有效阻斷了礦界外的有害氣體侵入。

圖4 鉆孔2-3#、3-3#孔底溫度與治理時間的變化曲線

圖5 鉆孔2-3#、4-1#孔內CO濃度與治理時間的變化曲線

5 結 論

1)對礦井上覆小窯8號煤層隱蔽采空區進行探測，通過測氡法將隱患范圍縮小至貓兒溝排土場區域，結合井下觀測孔分析進一步將發火隱患區域圈定在13103工作面開切眼外400m范圍上覆采空區，在此基礎上進行地面鉆孔探測，三種探測方法結合遞進，數據分析排除了探測區域存在火源的可能，將有害氣體來源點推定在礦界外小火山、南正溝兩處歷史火區。

2)上覆采空區有害氣體主要來源為礦界外的歷史火區，但探測區域內存在的氧化高溫點及高濃度的CO氣體仍威脅著13號煤層工作面的安全生產。經過封堵地表裂隙、地面灌注液氮及井下注氮氣等針對性治理措施，有效阻斷了CO等有害氣體的涌入，消除了氧化高溫點。