冯家塔矿煤层隐蔽火源探测及防治技术研究与应用＊

文 虎 朱兴攀 金永飞 刘文永

（1.西安科技大学能源学院，陕西省西安市，710054；2.教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西省西安市，710054）

冯家塔矿煤层隐蔽火源探测及防治技术研究与应用＊

文 虎1，2朱兴攀1，2金永飞1，2刘文永1，2

（1.西安科技大学能源学院，陕西省西安市，710054；2.教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西省西安市，710054）

通过对冯家塔煤矿1401工作面煤自燃发火规律、浅埋深厚煤层开采特点及隐蔽高温区识别难度和危害的研究，采用SF6示踪气体测漏风技术及测氡法火源高温点探测技术对其煤自燃高温区域进行判定，通过CO气体分析验证，选定通过钻孔灌注粉煤灰复合胶体进行灭火，最终达到预期效果，使1401工作面顺利回采直至撤架。

隐蔽火源 火源探测 测漏风 防灭火 冯家塔矿

浅埋深厚煤层由于煤层埋藏浅，采动影响后采空区顶部裂隙会直通地表，造成地表塌陷和裂隙较多，容易造成漏风通道，导致采空区漏风严重，这为煤氧化提供了良好的供氧环境，引发煤体自燃。然而煤体导热性差，煤体通过传导散热速度很慢，往往在发现煤体暴露面处温度异常时，内部火势已形成，这给隐蔽高温区识别及探测带来了极大的困难。

此外，煤体自燃时，还会产生大量有毒有害气体，在井下封闭空间里，有害气体容易聚集起来，引起井下工作人员中毒；井下属于半封闭空间，救灾人员工作空间、回旋余地小，会给救灾人员带来很大威胁。

1 煤层隐蔽高温区概况

冯家塔煤矿1401工作面倾斜长260 m，走向长2400 m。工作面开采4＃煤层为自燃煤层且煤尘具有爆炸性危险，瓦斯含量较低，煤层埋深较浅，约70～120 m，煤厚约6 m，为长焰煤，距离邻近的上部2＃煤层约12 m。1401工作面是4＃煤层的第一个工作面，其顶部的2＃煤层工作面已经开采了3个面，但其正上方的2＃煤层没有开采。1401工作面与2＃煤层首采面1201面相邻，两工作面水平距离为35 m （净煤柱宽度约25 m）。工作面风量约1200 m3／min，存在地表漏风。

2010年7月，1401工作面推进了约300 m，刚刚超过1201工作面切眼，其回风隅角即出现CO。通过加快工作面推进速度，采空区采用间断式注氮、进风和回风隅角挂风帐减少采空区漏风及喷洒气雾阻化剂等手段防火，但CO仍存在。8月以后，由于工作面推进速度减慢，CO浓度继续增加。8月28日，经现场检测发现，工作面第137＃～141＃架架后和回风隅角CO均有增加趋势，回风隅角风帐后CO浓度达0.003%～0.005%，回风隅角CO浓度最高达0.008%。

2 工作面漏风通道检测及结果分析

由于冯家塔煤矿4＃煤层埋深较浅，工作面采过一定距离后，随着顶部岩层的塌陷会与地表形成漏风区域，故对其采用SF6示踪气体测漏风技术对1401工作面上隅角漏风通道进行探测，采用SF6检测仪进行检测，确定漏风通道的位置。

SF6示踪气体定性测定漏风的测试方法为：根据矿井通风系统图分析可能的漏风通道、漏风源、漏风汇；在漏风源中释放SF6气体，在漏风汇每隔一定时间用球胆采集气样；将采集的气样送实验室分析，由气相色谱仪测定SF6气体浓度；根据气样分析结果确定漏风通道及漏风风速。

2.1 工作面漏风通道检测

对冯家塔1201工作面和1401工作面采空区进行漏风检测。通过在工作面采空区地面裂隙释放SF6示踪气体，在井下回风隅角检测示踪气体的方法检测地面裂隙与工作面的漏风通道。检测区域位于1401工作面与1201工作面采空区上方，释放点分别为D2、D1、C1、B1、N，接收点均为井下1401工作面回风隅角。测点布置图见图1。

D2、D1位于1201工作面采空区上方，D2释放点位于1201工作面开切眼附近对应的地表裂隙处，D1释放点位于1201采空区距离1401工作面50 m处对应地表裂隙处。

C1、B1、N 3个释放点位于1401采空区上方，C1释放点位于距离1401工作面采空区沿回风巷道方向20 m处对应地表裂隙处，B1释放点位于距离1401工作面中部20 m采空区对应地表裂隙处，N释放点位于1401工作面后方170 m处对应地表裂隙处。通过GPS卫星定位系统测得各释放点具体位置及检测结果见表1。

图1 漏风检测测点布置图

表1 SF6示踪气体漏风探测结果表

2.2 检测结果分析

（1）位于1201工作面采空区上方的D2、D1两测点的检测结果表明，1201采空区上方裂隙与1401采空区贯通。

（2）位于1401工作面采空区上方的C1、B1、N 3个释放点检测结果表明，1401工作面采空区对应地面裂隙与1401工作面贯通。

（3）井下接收点均检测到地面释放的SF6示踪气体，并且间隔时间短，充分说明了地面裂隙与1401工作面漏风通道畅通。

3 冯家塔矿隐蔽火源探测及结果分析

3.1 测氡原理

实践表明，在同样的地质地层条件下，利用氡气浓度差异，对井下氡分布与自燃发火关系来确定煤矿火区的大致范围是科学有效的。当地下煤层发生氧化升温或自燃时，其周围及上覆岩层中天然放射性元素氡的析出率增大，由于氡衰变时的离子交换作用使其反应到地表而形成放射性异常现象，该异常可作为反映温度的信息被检测得到。

3.2 测氡工艺及流程

探测仪器选用CD-1α杯测氡仪，探测工艺及流程为：确定探测区域→布置测点→挖坑埋杯→取杯测量→数据分析。

在地面由井上下对照选取测场基准点，基准点一般为3个，成垂直方向布置，然后在此区域进行测点布置，形状为长方形、正方形或不规则方格网，在测量过程中根据实际测量情况进行调整延伸，每一测点预先编号。

3.3 探测区域及结果

2010年9月2日，根据冯家塔煤矿漏风检测实际情况，确定了四块高温区域探测场，探测场均为矩形，其中I号区域位于1201采空区中开切眼区域，探测区域总长290 m，总宽60 m，共布置测点210个，面积17400 m2；Ⅱ号区域位于1401工作面开始发现CO气体异常点位置附近，探测区域总长240 m，总宽80 m，共布置测点225个，面积19200 m2；Ⅲ号区域位于1201采空区右侧边界与1401回风巷道之间区域，探测区域总长160 m，总宽30 m，共布置测点36个，面积4800 m2；Ⅳ号区域位于1401开切眼附近，探测区域总长280 m，总宽30 m，共布置测点56个，面积8400 m2；以上四块区域中I、Ⅱ区点距为10 m×10 m，Ⅲ、Ⅳ区点距为20 m×10 m，理论探测总面积49800 m2，理论布置测点共计527个。火源探测范围及测点布置见图2。

图2 测点布置图

将所测结果通过专用软件包进行处理可得煤层隐蔽高温区氡值异常值立体图，见图3。图3中，突起越高说明氡值越大，即该位置对应区域温度越高。根据煤矿实际情况经过分析处理，得到高温异常区在井上下对照图中的平面图，见图4。

由测量结果及分析结果可得出以下结论：

（1）位于1201工作面老空的I、Ⅲ区测氡值部分区域较高，说明此区域存在隐蔽高温区；位于1401工作面的Ⅱ、Ⅳ区测氡值稳定且很小，说明此区域内无隐蔽高温区。

（2）经实地考察，在测氡区域内煤体破碎、地表塌陷、断裂严重、地表裂隙发达，经实地漏风检测，发现裂隙为向内进风状态，老空漏风严重；同时，在地压作用下1201开切眼附近煤柱受压破碎，在漏风供氧条件下，松散煤体氧化严重，存在隐蔽高温区域。

（3）由测氡数值分析结果得出，此次测氡范围内隐蔽高温区域共7个，初步判定是由于开切眼及其老空区间煤柱破碎，在漏风供氧的影响下，松散煤体被氧化导致。

4 防治技术研究

通过采取测漏风及测氡工作初步判定了火区位于1201采空区开切眼附近，决定采用胶体防灭火技术通过打钻对火区进行治理，钻孔根据矿井现场实际情况布置。

（1）自1402运输巷道采用打钻钻具向1201采空区高温区域钻孔，钻孔必须打透2＃煤层采空区底板。注胶钻孔位置平面图见图5，剖示图见图6。

图5 注胶钻孔位置平面图

（2）自1202回风巷道采用打钻钻具向1201采空区钻孔，钻孔必须打到1201顶板上部1～3 m处。

（3）注胶形成胶体隔离带，以提高堵漏及防灭火效果。

图6 1402注胶钻孔剖示图

1201采空区开切眼位置附近存在异常高温区域，注浆钻孔主要在1402运输巷道及1202回风巷道施工，截至2010年10月6日，共施工钻孔17个，14个钻孔打到设计位置，其中1402运输巷道施工钻孔10个，8个打到设计位置；1202回风巷道施工钻孔7个，6个打到设计位置。1201切眼注浆打钻设计图见图7。

图7 1201切眼注浆打钻设计图

在钻孔打通后，取其气体进行色谱分析，若CO浓度较高，则说明此处有隐蔽高温区，否则此处无隐蔽高温区，此分析与测氡法火源探测的位置进行相互印证，最终确定准确的隐蔽高温区。

自2010年9月12日开始，在1402运输巷道钻孔应用胶体防灭火技术，选择ZMJ-15井下移动式灌浆注胶防灭火系统与地面灌浆系统相结合，通过钻孔对火区灌注粉煤灰复合胶体，抑制并熄灭隐蔽高温区。截至2010年10月13日，共灌注粉煤灰复合胶体约5500 m3。

5 治理效果分析

通过灌注粉煤灰复合胶体封堵漏风通道、包裹高温煤体对火区进行了快速治理。开始灌注胶体后对火区进行了连续观测，期间采空区煤自燃指标气体CO浓度平稳下降，随着注胶量的增加，CO浓度迅速减小，温度随之降低，为1401工作面顺利开采消除了隐患。工作面上隅角CO气体浓度变化见图8。

由图8可知，通过灌注粉煤灰复合胶体，1401工作面上隅角CO浓度持续波动下降，说明隐蔽高温区得到了有效控制，高温煤体已经被胶体包裹，达到了隔氧降温的作用。截至2010年10月13日，1401工作面上隅角CO气体浓度降至0.00001%以下，说明高温煤体已得到完全控制，之后进一步向1201采空区高温区域通过钻孔灌注粉煤灰复合胶体并继续观测，至10月16日检测到CO浓度下降至0且趋于稳定，可以确定高温火区已熄灭，保证了1401工作面顺利回采直至撤架。

图8 1401工作面上隅角CO气体浓度变化曲线图

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Research and application of detection and prevention of hidden fire source in Fengjiata Coal Mine

Wen Hu1，2，Zhu Xingpan1，2，Jin Yongfei1，2，Liu Wenyong1，2
（1.College of Energy，Xi＇an University of Science and Technology，Xi＇an，Shannxi 710054，China；2.Key Laboratory of Western Mine and Hazard Prevention of the Ministry of Education，Xi＇an，Shannxi 710054，China）

Aimed at the law of coal spontaneous combustion，the mining characteristics of shallow thick coal seam and the difficulties and harms of hidden high-temperature zones at 1401 working face in Fengjiata Coal Mine，the high-temperature zones caused by the coal spontaneous combustion were determined via the air-leakage detection by SF6 tracer gas and the high-temperature site detection by isotope radon measuring，combined with the analysis of CO gas.The fire was extinguished by the injection of coal ash composite jel and the stoping was successfully carried out at 1401 working face until the supports were removed.

hidden fire source，detection of fire source，air-leakage measurement，fire prevention and extinguishment，Fengjiata Coal Mine

TD752

A

国家教育部新世纪优秀人才支持计划（NCET-10-0932）；973计划前期研究项目（2011CB411902）；国家自然科学基金 （51004081）；国家自然科学基金重点项目 （51134019）

文虎 （1972-），男，新疆石河子人，教授，博士后，现任西安科技大学能源学院安全工程系书记，主要从事煤自燃预测预报及矿井火灾防治理论与技术的研究。

（责任编辑 张艳华）