汝箕沟矿区火区治理及监测方法的选择与应用

王建华，陈冰凌

(1.宁夏煤炭勘察工程有限公司，银川 750011； 2.中煤航测遥感集团有限公司，西安 710199)

0 引言

践行习近平总书记生态文明思想，贯彻绿色发展理念，必须坚持人与自然和谐共生。保护好贺兰山自然生态，是践行绿色发展理念的重要举措，是构筑西部生态安全屏障、建设黄河流域生态保护和高质量发展先行区的必然要求。

煤在原生状态下很难自燃，煤层自燃往往是伴随着人类对煤炭的开采而产生的。煤矿开采留下采空区，煤变成了碎煤，随着时间的推移，采空区残留的煤柱和顶板开始风化，引发采空区上部岩土覆盖层大面积垮塌，地面出现裂缝，形成供氧通道，在低温条件下很容易氧化、生热、聚热，最后自燃，造成煤田火灾[1]。宁夏汝箕沟矿区是最严重的煤田火灾区域之一，煤田地下大火在该区连续燃烧了百余年[2-3]。汝箕沟火区燃烧颗粒物年排放总量约1.5万t，二氧化硫年排放量总量约6 000t，严重危害周边环境及居民健康，是周边的重要污染源之一。矿区煤炭自燃不仅浪费大量的煤炭资源，还会严重破坏自然环境，引发空气污染，威胁人类的生命财产安全。遏制煤炭自燃，减少碳排放刻不容缓。因此，我国在煤田火区治理方面，开展了深入研究，并取得了一定的进展[4]。相关防灭火技术研究与应用也取得了突破，提出了基于卫星遥感、无人机遥感、地面调查等手段，依靠热红外、光学遥感、无人机Lidar、三维倾斜摄影、监测仪器安装、地面调查、钻探工程、GIS定量计算等火区综合调查、治理及监测技术体系。这些技术的应用为煤田火区治理及监测等提供了科学支持。

本文依据宁夏贺兰山煤田汝箕沟矿区自燃火区现状，结合现场火区实地调查，根据矿区内不同区域火区特点，对比了不同的灭火方法优缺点，并对相关治理方法适用性进行了综合分析。

1 汝箕沟矿区火区概况

汝箕沟矿区地处宁夏回族自治区北部，该矿开采历史比较久远，距今已有190多年的开采历史。新中国成立之前矿区主要是以小煤窑开采的方式为主，新中国成立以后转为以露天开采为主。1938年民国政府颁发采矿证，1950年由人民政府接管，1960年开始建设西沟平硐，1964年建成投产，正式命名为汝箕沟煤矿，生产能力30万t/a[5]。

现矿区内共有6处火区，火区影响总面积约332万m2(图1)[6]，根据火区发展现状，将火区分为三类。

图1 汝箕沟矿区火区分布Figure 1 Rujigou coalmine area fire zone distribution

1)基本熄灭火区。以往火区通过治理已基本熄灭火区8处，分别是新生火区、黑头寨火区、红湾新火区、红湾火区、红梁东火区、北卡拉沟火区、坑木场火区、孤岛火区。

2)未熄灭火区。现存高温火区、温度异常区及低温疑似火区尚未熄灭的火区17处，分别是：北一火区、北三火区、南一火区、南二火区、南三火区、南四火区、红梁火区、红梁西火区、西沟-大石头火区、中槽火区、羊齿火区、上一火区、上二火区、水巷火区、阴坡火区、大岭湾火区、二道岭火区。

3)新增火区。卡拉沟新火区。

2 矿区火灾产生的原因

汝箕沟矿区火灾起始于明清时期，多因小窑开采过程中，工人在井下取暖或地面火未熄所致；也有部分因开采时空气流通引起的煤层自燃。煤火沿露头向深部蔓延燃烧，小煤窑坑口越多、采空区范围越大的地段，则火区燃烧面积也越大(图2)。20世纪90年代，地方小煤窑乱采更加剧烈，不仅使国家的宝贵资源遭受损失，而且导致老火区加剧发展，迅速蔓延，新火区不断产生[7-9]。火区产生的另一个原因与汝箕沟矿区煤质有关，属易自燃或极易自燃煤[10]。

图2 未封闭的小窑巷道Figure 2 Unsealed small coalmine roadway

3 煤田火区治理

在对火区进行治理前，必须对矿区采空区进行全面调查了解，对采空区情况进行了分类、分区，从保护和改善生态环境、减少不良地质灾害发生、提高资源利用率等方面综合考虑，具体勘查实施、治理，还需要考虑剥挖过程中回收残留的煤炭资源收益、灭火工程投入等因素，根据不同情况制定详细、完善的勘查治理方案，综合治理。一般按照火区勘查、施工组织设计、工程施工、竣工验收及后续监测等工作步骤有序开展。

3.1 煤田火区勘查

火烧区勘查通常采用多源高分辨率遥感探测、综合物探测量、钻探工程、地面测温、氡气测量，加上综合地质分析等多种手段综合勘查，详细查明发火原因、位置、范围、埋深及自燃发展趋势等，为灭火工程设计提供依据。

3.2 煤田火区治理具体方法

火区治理的方法很多种，包括地表黄土覆盖法，打钻注水、注浆法，剥离挖除火源法，综合灭火法(剥离+注水+灌浆+黄土覆盖)等。

(1)地表黄土覆盖法

本方法系利用黄土充填覆盖火区的地表裂缝、塌陷坑，使火区封闭，进而断绝火区通风供氧通道，使火熄灭[11-12]。本方法可以缓煤火燃烧速度，达到控制煤火蔓延发展的目的，但无法彻底消除火源(图3)。

图3 地表黄土覆盖灭火示意图Figure 3 Schematic diagram of surface loess coverfire extinguishing

(2)打钻注水、注浆法

本方法按照一定的距离间隔向火区煤层打钻，再通过钻孔向火区深部灌注专用泥浆，阻断火区供氧通路，进而阻止燃烧，降低火区温度，使煤火逐步熄灭。其原理是通过注浆吸收掉热量，灭火降温，同时泥浆沉淀到燃烧煤层或岩石裂隙中也能起到隔绝空气的作用。该方法优点在于不受火区面积、火源深度等条件限制，施工灵活，缺点在于因地下裂隙发育，灌入火区的泥浆流向无法控制，难以根除火源。

(3)剥离挖除火源法

本方法是在火区内自上而下分台阶剥离，超前注水，降低燃体温度，挖除着火体[13-14]。本方法可以彻底熄灭煤田火区，但只有在燃烧煤层浅、地表条件允许的情况下才能够使用。剥离灭火的实施取决于火区地表、地下燃烧范围及燃烧深度、煤火燃烧强度与高温点(带)的分布位置、面积、地面、地下岩石破碎程度。通常根据地形条件，以注水降温结合剥离灭火方法，将剥离岩石就近填入洼地，防止泥石流发生，通过土地平整以达到环境整治目的。仅针对灭火效果，剥离灭火对汝箕沟煤田火区是比较合适的(图4)。但考虑到贺兰山生态环境脆弱的原因，该方法能否采用仍需进一步论证。

图4 机械剥离平面图Figure 4 Mechanical stripping planar graph

(4)综合灭火法

综合灭火法是根据火区实际情况充分结合以上三种方法实施灭火。此种方法适用于火区地形条件复杂、地形高差较大、水量匮乏、黄土稀缺、剥离费用较高的火区。一般在施工初期对浅部火区进行剥离，挖除浅部火源，深部则采用钻孔注浆、裂缝注浆，阻断火区供氧通路，进而阻止燃烧，降低火区温度，使煤火逐步熄灭，最后用黄土覆盖[14]。

3.3 治理方法适用性分析

汝箕沟矿区火区治理主要采取地表黄土覆盖、打钻灌浆、剥离和灌浆相结合的灭火技术措施。对于不同类型火区，这些措施有不同的适用性，根据火区类型选用合理的治理措施才能事半功倍。

3.3.1 注水降温灭火

对于空洞火区，注水能迅速带走水流流经路线上的热量，但是注水措施作用范围有限，对水资源的浪费也较为严重。采用钻孔注水措施时，水流将沿着孔隙和裂隙流走，难以作用到火源，利用率低。而在煤层空洞火区内，水流只能对流动路线周围的煤体进行降温，大部分的水流会沿着煤层底板流走，水流无法接触到煤层空洞内的高位火源，无法满足对高位火源治理的需求。

对于松散介质火区，注水能迅速降低孔壁高温，但是水流同样难以作用到火源，而且停止注水后钻孔会出现温度反弹现象。

3.3.2 注浆封堵灭火

注浆能封堵部分空区孔隙和裂隙，但效果十分有限。浆液在流动过程中存在“拉沟”现象，并且不能向高处堆积，因此在岩层空洞火区内，注浆不能完全对孔隙和裂隙进行封堵，降温效果不明显，可以扑灭一部分低位火源，但无法充填整个空间，对高位火源没有治理效果。

对于松散介质火区，注浆能封堵钻孔底部的裂隙，具有一定的效果。但注浆只能对钻孔底部进行降温堵漏，不能向高处堆积，若钻孔中、上部也存在漏风裂隙，单纯的注浆技术很难对这些裂隙做很好的封堵。

3.3.3 地表黄土覆盖窒息灭火

对于暂不治理的空洞和松散介质火区，地表黄土覆盖是防止火势迅速发展最有效的措施。火区覆盖能有效隔断漏风通道，阻断火区内的氧气供应，不仅可以防止火势的进一步发展，也可以为后期的火区治理工作赢得先机，同时减少有毒有害气体的排放，保护生态环境。

3.3.4 剥离着火煤层灭火

由火区特性分析可知，露天矿火区具有快速动态变化的特性，火区熄灭后容易出现复燃。为防止火区复燃，应及时采取剥离措施，从根源上消除火区复燃的可能性。

综上所述，各种火区治理技术都有其优越性和局限性，在火区治理过程中，应根据火区特点选择合适的火区治理技术，充分发挥各种技术的优点，采用综合的治理方法，彻底将火区熄灭[14-16]。

3.4 灭火工程选择

3.4.1 汝箕沟煤火特点

通过对汝箕沟矿区火区现场踏勘、多源遥感勘查、地球物理勘查和对已有资料的分析和总结，火烧区主要燃烧原因主要有以下三个方面。

1)煤层露头煤火。第一，煤层露头在自然条件下因风氧化自燃并向深部蔓延(图5)。第二，露天开采、剥挖改变了煤层的赋存条件，使煤层暴露在空气中，加速了煤层的风氧化速度，导致煤层自燃。第三，在火区治理过程中未将着火煤层彻底剥挖，煤火沿煤层露头蔓延，覆盖不彻底，未达到隔绝空气的标准，导致煤火复燃。

图5 煤层露头自燃Table 5 Spontaneous combustion of coal seam outcrop

2)采空区煤火。井工开采形成采空区，采空区塌陷或山体崩裂，导致裂缝直通地表，部分井口、巷道紧邻火区或已与火区连通，为煤层的自燃创造了良好的通风条件，导致煤层自燃。局部地区加上矿井内瓦斯参与燃烧等原因引起的火区蔓延(图6)。

图6 采空区煤层自燃Table 6 Spontaneous combustion of coal seam in Goaf

3)已控制火区复燃，以往已经得到控制的火区由于紧邻周边高温火区或处于煤层露头处或处于巷道、采空区上，井下瓦斯着火导致煤火复燃，进而向四周蔓延。火区长期燃烧导致塌陷区、裂隙不断增大，高温又加速了煤层的风氧化速度，煤层机理发生改变，高温加上良好的通风条件为煤层自燃创造了条件，陷入“燃烧-塌陷-燃烧”的往复循环。

3.4.2 灭火方法的选择

针对汝箕沟煤火特点，火区治理方法采用地表黄土覆盖、打钻灌浆、剥离和灌浆相结合的灭火方法，针对火区不同块段灵活采用不同灭火方法的具体组合，并取得了较好的效果(表1)。

表1 汝箕沟矿区已治理火区治理效果

4 结语

煤炭自燃既烧损大量煤炭资源，又严重破坏自然环境。为避免煤层自燃对生态环境造成进一步的污染，保障地方煤炭资源安全，在当前绿色发展理念指导下，实施火区勘查、治理、监测工作刻不容缓。

对煤田火区调查和动态监测是灭火与综合治理的先期工作，也是对治理效果检查的必要手段。针对煤田火区治理的方法，应在充分掌握、了解火区已有地质资料、火区勘查资料的前提下，坚持因地制宜、分类施策、标本兼治、综合治理、经济合理、环境友好的原则，采取综合治理的方法。按照火区分区，采取“一区一策”治理方案与保障措施，综合灭火[16]。

汝箕沟煤田火区经过长期治理，火区面积有所减小，但缺乏定期的勘察监测手段，火区的影响范围、深度时刻都在发生变化，因此后续灭火工作，必须建立煤田火区监测预警系统，依托传统地质调查和多源高分辨率遥感监测技术，建立煤田火区监测信息平台和预警会商指挥中心，为煤田火区监测及治理等提供科学的技术支持与决策依据[17-18]。对易发煤火风险区域要形成制度化、常态化的监测，一旦发现有煤层自燃现象，立即启动防治预案，及早进行治理与防控，从源头上控制新火区的产生和未治理火区快速蔓延的势头，在消除火区存量的同时防控增量，以彻底解决汝箕沟矿区火灾频发的现象。从而保护好贺兰山自然生态，构筑好祖国西部生态安全屏障，实现绿色发展。