路天煤矿火区物探及治理关键技术研究

杨志和

（乌海市路天矿业有限责任公司）

我国内蒙古乌海市乌达地区赋存煤层具有埋深较浅且易自然发火的特点，乌达矿物局在进行煤矿重组期间，将该地区大量原有小型煤矿合并重组。这些星落棋布的小煤矿在生产安全方面投入资金有限，采煤方法过于陈旧，一般使用普采与炮采，煤炭回采率较低。此类小型煤矿一旦发生遗煤自燃，一般采用封闭采空区的方式进行处理。重组后的大型国有煤矿回采至原有小煤矿的封闭火区，对原有封闭环境造成破坏，极易引发小煤窑遗煤复燃［1-5］。上述小煤窑火灾普遍存在2种治理难点：①由于被合并重组的小煤矿地质资料匮乏，很难对火源位置进行有效判断；②小煤窑火势发展迅猛，范围覆盖普遍较广，使用单一小流量灭火技术很难对该类火灾进行有效抑制。在以上背景下，以乌海能源路天煤矿采空区地表火灾治理为背景，开展小煤窑隐蔽火区快速治理技术研究。

1 火区概况

乌海能源路天煤矿位于内蒙古自治区乌海市东南45 km，处于桌子山煤田公乌素精查区3～17号勘探线，行政区划隶属乌海市海南区公乌素镇管辖。其地理 坐标：东经106°53′45″～106°55′37″，北 纬39°17′55″～39°20′37″。四采区2#火区2号火点位于四采区井筒南翼北部，东部为041601采空区，北部为四采区副井井筒，南部为采空区未回填区。根据现场勘查情况看，火区北部非工作帮沿15#、16#煤层走向方向分布有5 条不明方向的小空巷向井筒方向延伸。15#、16#煤层已发生自燃现象，且从以往火区小窑巷道揭露情况看，小窑巷道分布凌乱交错，相互贯通，导致小窑巷道延伸深度难以探查清楚。副井井筒沿17#煤层布设，17#煤层与16#煤层间距平均4.5 m，随着火势蔓延产生的裂缝及影响，对安全生产构成威胁。

2 火区探测

2.1 探测原理与方法

欲实现小煤窑火区的快速治理，准确判定火区燃烧位置及其发展态势是必要前提。路天煤矿所在矿区内部的小煤窑火区虽然埋藏较浅，但由于煤层上覆煤岩具有较高的热容，且导热性较差，地表温度异常不明显，使用遥感法无法有效对地表无温度异常区域进行探明［6-7］。前期对2#火区2 号火点进行了注水等治理方法，在2#火区高温区域的底部存在大量积水，并且伴随着上覆岩层的垮落，水、空气及岩石这3 种传导介质所构成的环境系统不适用电法探测高温区［8-10］。综上所述，上述提到的遥感法、电法不能很好地满足路天煤矿火区探测的需求。

火区范围内煤层埋藏深度较小，老窑分布较多，区内可见到塌陷区、采坑及煤层露头，局部地表可见到明火点、青烟、烧变岩，并在明火点处可闻到刺鼻气味。依据先期对火区地形及地质特征的研究工作，并参考目前煤田火区传统探测方法，火区地面物探采用磁法、同位素测氡法和热红外测温法进行综合勘查。现场采集数据资料，通过对获得的数据资料分析研究，确定火区的范围及深度，并对火区进行钻探验证，根据验证成果修改物探所圈定火区边界。

2.2 高温区辨识

2.2.1 测网布置

广泛收集前期地质勘探资料和生产矿井情况，初步掌握火区和地质概况；了解含煤地层时代、地层层序、地质构造形态和主要构造；了解煤质特征与煤种；了解自然地理条件，地貌特征情况。根据踏勘资料初步确定勘探范围，垂直煤层露头走向布设物探测线，物探测网基本网度为40 m×10 m，即线距40 m，点距10 m。勘查区共布置测线47 条，共布置测点1 800个，测线总长度18 km。

2.2.2 磁法探测

依据本区磁法资料解释，地表磁干扰主要为民房、高压线、通讯线等。实测ΔT曲线上表现为单点或很窄的尖峰高频异常，结合野外露头点的调查，易与煤层自燃区磁异常区分。

由实测ΔT磁异常剖面图分析，在烧变岩区磁异常形态各异，无一定规律，仅在煤层自燃边界附近，磁异常相对稳定，幅值减小，异常走向有一定规律。图1 为勘查区物探测线磁异常ΔT曲线图，磁异常明显，异常幅值相对较大，推测其火区烧变岩有一定的埋深。推测火区范围为测线70～370号。

磁法资料解释遵循的原则：从点到线，从线到面，把每条磁法剖面利用专业软件按一定比例尺投影到工程布置图上。利用上述解释原则进行煤层燃烧边界的划定。

图2为Ⅱ区块磁法解释煤层燃烧边界示意图，从图上可以看出，各测线上曲线异常形态基本一致，其异常呈条带状分布。根据上述剖面解释原则，用磁法圈定了火区边界。

2.2.3 同位素测氡法探测

图3 为勘查区物探测线同位素测氡法计数值曲线图，数据曲线异常明显，幅值相对较大，最大可达到15 N/min。根据上述解释原则，同位素测氡法解释的火区范围为80～350号点。

图4 为Ⅱ区块同位素测氡法解释煤层燃烧边界示意图。从图4可以看出，氡值计数值高值异常呈条带状高值连续分布，根据上述解释原则，用同位素测氡法圈定的火区范围如图4所示。

2.2.4 红外线测温法探测

地下煤层燃烧产生的热量，一方面沿裂隙（裂缝）向地表逸出，一方面通过岩石的热传导作用在地表形成热异常区。图5 为勘查区探测线红外线测温法温度曲线图，可以看出地表具有明显的温度异常，最高温度达到140 ℃，气温在15 ℃左右。地表的高温异常区说明该区域有煤层燃烧区存在，范围为70～360号点。

图6 为Ⅱ区块局部红外线测温法解释煤层燃烧边界示意图。从图上可看出，高温异常呈高值连续的条带状异常，说明高温异常下有燃烧煤层存在，验证了其他物探方法圈定火区的准确性。

3 火区灭火降温技术

乌海能源路天煤矿煤层较厚，受火区地表剥离及原有小煤矿开采影响，采空区与外部环境形成大量裂隙通道。在前期火区治理实践过程中，采用单一注水的方法，虽然成本较低，但此方法仅对低洼区域及水流经过地进行局部降温，对于地处中高位的火区降温效果不明显，并且治理火区的效率较低，耗水量较大。泡沫灭火技术是利用水浆发泡，发泡后的水浆具有扩散范围广且堆积性能良好的特点，可用于在煤岩裂隙中或松散空洞区扩散，有效提高水分与煤岩中高温区域的接触面积，减少火区治理过程中的用水量。综上所述，乌海能源路天煤矿火区高温区域治理流程如下：①应用灌浇水方法对地表高温区域进行有效降温；②通过地面钻孔将制备好的两相泡沫注入高温区域；③应用注三相泡沫与钻孔注水联合降温的方法对煤岩较为密实的高温区域进行降温；④对地表的裂隙及空洞进行隔氧封堵。

路天煤矿周边大范围火区中较为密实的煤与岩石混合区域具有热交换困难并且孔隙率低的特点，大空间松散及带有空洞的高温区域是火区治理的难点。对于钻孔注水及注入三相泡沫联合治理火区这项技术而言，确定合理的综孔位置及钻孔布距是高温区治理过程中的重中之重。在火区钻孔施工前需要分析火区治理范围内的纵向温度分布及三相泡沫的扩散特性。路天煤矿运用高精度温度测定仪测定温度与钻孔深度之间的变化规律，测定结果表明，高温区集中分布于煤层顶板下部4 m 区域，通过相似模拟实验得出泡沫灭火材料在松散煤岩介质中的扩散及流动规律，进而确定路天煤矿最佳施工钻孔间距为8 m，在实际施工钻孔时会遇到提钻塌孔问题，将灭火钻孔的综孔位置定位到煤体深度5 m。成孔后首先向高温区域注水，若效果不明显，则令水浆发泡并形成三相泡沫充填降温。

4 治理效果

为有效避免降温后的火区复燃，仍然需要运用隔氧封堵的方法对漏风通道进行封堵，路天煤矿运用具有黏结性的稠化泥浆对地表裂隙进行封堵，并利用黄泥加碎石对经过剥挖治理后的区域进行回填，用以阻断采空区与外界的漏风，以上措施在现场达到了理想的效果。

治理后原火区范围内未检测出温度异常，实现了浅埋深大范围火区治理。灭火钻孔温度数据监测结果如图7所示。

5 结论

（1）根据踏勘资料初步确定勘探范围，垂直煤层露头走向布设物探测线，勘查区共布置测线47条，共布置测点1 800 个。应用磁法、同位素测氡法和热红外测温法对火区进行综合勘查。分别推测火区范围依次为测线点号70～370、80～350、70～360。3 种探测方法彼此相互验证，依此测试结果，绘制出3 种比较可靠的煤层燃烧边界示意图。

（2）对火区进行三相泡沫与水联合治理，并应用地表隔氧封堵技术对地表裂隙进行封堵，高温区治理起到了明显的效果，治理后原火区范围内未检测出温度异常。通过现场应用实践，上述技术手段具有治理速度快、效率高、效果好的特点，可以为兼并重组后小煤矿引发火区的快速治理提供借鉴。针对其他埋藏深度较大的火区，火区治理过程必然面临更为复杂的环境和条件，需要进一步研究。