近距离煤层开采上覆采空区火区探测及治理

马 砺，雷燕飞，苏耀军，刘尚明，武瑞龙

(1.西安科技大学 西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室，陕西 西安 710054；2.西安科技大学 安全与科学工程学院，陕西 西安 710054； 3.陕西奥维乾元化工有限公司海则庙煤矿，陕西 榆林 719000；4.贵州发耳煤业有限公司,贵州 六盘水 553000)

近距离煤层是指煤层间距小于上下煤层最大厚度的煤层[1]。因为煤层之间距离非常小,已开采完的上部采空区内浮煤经过较长时间的沉积，其厚度大，由于蓄热环境良好，浮煤发生氧化导致温度逐渐升高，且采空区和下部开采煤层之间隔着的夹矸层，存在许多漏风通道。当其受到采动影响时，会向开采工作面和上覆采空区漏风供氧,则上覆采空区浮煤及开采工作面自然发火危险性增大，一旦发生火灾，将会迅速蔓延，进而对整个矿井的安全开采构成严重威胁[2-4]。近距离煤层自然发火防治问题，一直是矿井火灾的防治重点。

海则庙煤矿盘区工作面回采以来，工作面CO出现过异常涌出现象，经检测，工作面回风流CO的体积分数最高可达1.58×10-3，初步判断该开采工作面上部采空区存在煤自然发火现象，为了避免火灾蔓延，防止威胁整个矿井的安全生产，需要尽快探明火灾区域。地下煤层火源探测方法主要有:红外热成像法、雷达探测法、温度探测法、同位素测氡法等[5-8]。温度探测法对传感器的布置方式和数量要求高；雷达探测法适用于埋藏较浅、地质简单的煤层火源探测；红外热成像法探测距离短，探测成本高，适合煤层露头等表面高温异常区域探测[9-10]；同位素测氡法由于仪器具有简单易操作、轻便易于携带，探测范围和深度大，成本低廉、抗干扰能力强、精度高、结果可靠等优点，逐渐被推广应用于煤矿地下煤自燃火源位置探测[11]。笔者采用同位素测氡法探测海则庙煤矿盘区工作面上覆采空区煤自然发火区域，确定高温异常区域的位置和范围，并结合氡迁移机理对高温区域氡值情况进行分析，最后制订合理有效的防灭火措施进行火区治理，并分析火区治理效果。

1 异常区域分析

1.1 工作面概况

海则庙煤矿位于陕西省榆林市府谷县城北方向10 km处，井田东西方向长约5.2～5.8 km，南北方向宽1.9～4.1 km，面积约17.93 km2。该矿盘区工作面煤层平均厚度一般为5.00～6.31 m，煤层地质构造简单，大部分煤层含有平均厚度为0.11～0.50 m的夹矸层，岩石结构由砂岩、泥岩等构成。

1.2 影响因素分析

1)漏风通道多：该矿现开采的8#煤和上部7#煤小井采空区属于近距离煤层，中间只隔着平均厚度为2.0 m的夹矸层，漏风通道多，漏风量大。

2)自然发火周期短：采集7#煤小井采空区煤样并对其进行测试分析，煤自燃等级为Ⅰ类，自然发火期仅为35 d，自然发火周期短，煤容易发生自燃。

3)遗煤量大：7#煤采空区内遗煤采出率非常低，采空区内堆积了大量的煤炭且较为分散破碎，与氧气的接触面积变大，煤自然发火概率增大。

4)蓄热环境良好：7#煤采空区内浮煤持续堆积厚度大，且因为漏风因素的影响，采空区内氧气含量高。煤和周围岩石导热性能差，浮煤发生自燃后，热量散失速率慢。

7#煤和8#煤之间的复杂结构，增大了煤自然发火的概率。异常区域结构示意图如图1所示。

图1 异常区域结构示意图

1.3 监测数据分析

工作面回风流CO体积分数监测记录如图2 所示。

图2 工作面CO体积分数监测记录

由图2可见，工作面回风流CO的体积分数从第3天开始逐渐上升，到第5天CO体积分数异常增大至1.58×10-3，初步判断8#煤上部采空区存在煤自然发火现象，上部采空区煤自然发火产生大量CO，CO通过漏风通道涌入8#煤采煤工作面。

2 高温异常区域探测

为了探测海则庙煤矿盘区上覆区域煤自然发火区域位置和范围，使用CD-1α杯探测仪对上覆区域进行探测，分为3个区域：

1)探测区域Ⅰ：工作面开切眼沿走向60 m，倾向230 m区域，探测该工作面内温度是否存在异常；

2)探测区域Ⅱ：工作面回风巷走向230 m，倾向60 m区域，探明回风巷是否存在温度异常；

3)探测区域Ⅲ：工作面运输巷东西各30 m，走向300 m区域，探明采空区内是否存在高温点，以及对工作面回风巷之间的影响。

探测区域Ⅰ内布置154个测点，探测区域Ⅱ内布置175个测点，探测区域Ⅲ内布置217个测点，共计546个测点。

通过对海则庙煤矿盘区工作面上覆区域进行氡值测量，采集各个区域探测数据，结合井巷布置格局和工作面CO体积分数异常变化情况，再经过综合分析得到了探测区域煤自燃火源探测位置的平面图，如图3所示。

图3 火源探测位置平面图

从图3中可以看出，探测出的高温异常区域共计4个，高温异常区域的总面积约为2 100 m2。

将氡值测量数据导入Sufer-12,画出高温异常区域的等值线图如图4所示。由图4可知，等值线越密集和颜色越深，表示高温区域的氡值越大，高温区域2整体的氡值最高。

图4 高温异常区域等值线图

3 高温区域氡值分析

根据探测区域划分，采集各个区域探测数据，并对数据进行处理，得到探测区域的氡值测量数据如表1所示。

表1 探测区域氡值测量数据

氡值测量数据共计546个，当地的平均氡值为187.5 Bq/m3，高于平均氡值的数据为异常点，其中高温区域1内有9个异常点，高温区域2内有 6个异常点，高温区域3、高温区域4内各有3个异常点。

针对海则庙煤矿盘区工作面上覆火区内氡值出现异常的现象，结合氡的迁移机理进行分析。由于自燃火区上覆岩层构造简单，并且煤层埋藏深度较浅，氡的迁移过程以扩散对流作用为主[12]。煤层至地表间的覆岩内具有较大的压力差，随着煤层自燃后采空区空气温度升高，能够产生较大的气体对流速度。其中通过氡值反映煤自然发火的原理如图5所示。

采空区遗煤自燃后，加速了氡从煤体和周围岩石中渗出[13-15]，氡气随着气流快速向地表迁移，地表测氡仪探测到的氡值越大，采空区温度越高，煤自燃危险性越大。

高温区域2的探测氡值明显高于其他3个区域，表明高温区域2的煤自然发火范围和程度大，需要针对具体位置进行重点防控。

从地表向探测出的4个高温异常区域施工温度探测钻孔，所测温度结果与测氡法探测出的结果一致。

4 火区治理措施

因为该矿井8#煤和7#煤上覆小井采空区之间存在着密集的漏风通道，采用注N2和液态CO2灭火时，N2和CO2将从漏风通道涌入回采工作面，会对井下生产人员造成严重危害。因此，结合实际情况，采取煤自燃动态监测，采空区注胶和井上井下堵漏的防灭火技术措施，以保障8#煤的安全高效回采。

4.1 煤自燃动态监测

采取束管监测法对采空区的气体成分进行实时监测，进而掌握采空区实际条件下氧气浓度分布、浮煤状况分布和漏风规律，判定采空区煤自燃指标性气体的产生和运移规律，为后续防灭火工作的开展提供支持。

4.2 钻孔注胶隔绝堵漏

根据矿井巷道实际尺寸设计灭火钻孔进行注胶隔离防灭火工作，注胶钻孔布置如图6所示。

图6 注胶钻孔平面布置示意图

从8#煤向7#煤采空区探测出来的4个高温异常区域进行钻孔注胶，钻孔与巷帮距离为0.5 m，钻孔交错布置，横向交错距离为1.5 m，钻孔数量共计230个，注胶量共计690 m3。因为高温区域2整体的氡值最高，煤自然发火危险性最大，特设为重点防控区域，适当加大注胶量。

4.3 井上井下堵漏

8#煤离地表非常近，开采煤层时，因为受采动影响，容易产生与地表沟通的裂缝，地表空气能通过裂缝进入工作面，在8#煤上部地表区域对裂隙进行定期排查填堵。

井下采取了挂设风帘，建造破碎煤袋墙，灌注黄泥浆等堵漏措施，堵漏效果明显。

4.4 火区治理效果分析

采取综合防灭火技术措施后，对该盘区工作面上隅角和回风流CO体积分数进行实时监测，工作面回风流和上隅角的CO体积分数变化如图7和图8所示。从图7和图8可以看出，工作面回风流和上隅角的CO体积分数大幅降低，均降至正常水平，表明高温区域煤自燃得到了有效控制。

图7 工作面回风流CO体积分数变化图

图8 工作面上隅角CO体积分数变化图

5 结论

1)采用同位素测氡法对海则庙煤矿盘区工作面上覆地表区域进行火区探测，共探测出4个高温区域，其总面积约为2 100 m2，并结合氡迁移机理对高温区域氡值进行了分析，确定重点防控的区域为高温区域2。

2)针对探测出来的4个高温区域，采取了煤自燃动态监测、钻孔注胶隔绝堵漏、井上井下堵漏的防灭火技术措施。采取针对性措施治理火区后，工作面回风流和上隅角的CO体积分数大幅度下降，恢复到正常水平，说明高温区域煤自燃火灾得到了有效控制，为后续工作面的安全回采创造了有利条件。