大同矿区典型小窑隐蔽火源探测与治理关键技术

2020-08-21李树静韦昌新于贵生郭江明

煤矿安全 2020年8期

李树静，韦昌新，高明，于贵生，郭江明

（1.山西朔州山阴中煤顺通辛安煤业有限公司，山西朔州036900；2.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁沈阳110016；3.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁抚顺113122）

煤层自然发火、煤田火与小窑火是我国煤矿火灾的主要类型[1]，其中小窑火广泛分布在我国山西大同、内蒙乌海等矿区，因私挖滥采、矿井技术资料缺失等原因，小窑火一般具有发火位置隐蔽、综合治理难度高等特点。现阶段，隐蔽火源探测技术仍是煤炭行业的一项世界性难题之一，目前国内应用的较多的是钻探法[2]、物探法[3]、同位素测氡法[4]、遥感法[5]等方法，各方法均有利弊，除钻探法外，其它方法尚不能实现对小窑隐蔽火区的准确圈定，相关探测技术有待进一步发展。

大同矿区是我国8 大煤炭生产基地之一，主产优质动力煤，整合前矿区内小窑密布，且在整合后具有煤层埋藏浅、煤层群赋存、小窑开采破坏严重且矿井生产多被小窑隐蔽火严重威胁等共性特征，对矿井安全生产造成严重威胁。以典型整合矿井（辛安矿）为例，重点阐述多位钻探法与红外热成像扫描法相结合的高温火源综合探测方法，及小窑火隐蔽火源专项治理工程，通过实施该治理工程，消除了隐蔽火源与毒害气体扩散威胁，建立矿井隐蔽小窑火综合治理技术体系，保障矿井安全生产。

1 隐蔽火源探测技术现状与不足

矿井隐蔽火源探测是一项世界性难题[6]，现阶段各项技术的发展与应用特点：

1）在钻探法探测方面，建立了孔内不同高度测温与成孔时孔内气样分析相结合的探测技术工艺。

2）在物探法探测方面，开展了磁法、高密度电法等在煤矿火灾探测领域的探索性研究。

3）在同位素测氡探测方面，通过测量氡气浓度异常变化区域，圈定地下采空区火源的位置，探测深度可达500～800 m。

4）在遥感法探测方面，通过提取煤火燃烧痕迹或现象在可见光影像和热红外影像中显示出来的特征信息，结合地质、采矿等信息与野外验证，初步实现了煤田火区勘查与煤火的早期预报。

现阶段，火区探测技术与装备在煤矿火灾防治应用效果分析见表1。

2 小窑隐蔽火源专项治理措施

山西朔州山阴中煤顺通辛安煤业有限公司（以下简称辛安煤矿）位于大同矿区东南部，矿井由多个小煤窑整合而成，主采4#、9#、11#等煤层，设计生产能力3.00 Mt/a，井田面积8.198 5 km2，矿井主采煤层生产期间，尤其是煤层露头侧区域，面临着小窑破坏区及隐蔽小窑火的严重威胁。

2.1 小窑隐蔽火源探测

坚持“先探测后治理、先井下后地面”的技术原则，针对主采工作面掘进期间检测到的高温及高浓CO 气体隐患区域，采取钻探法进行了圈定，探测过程如下：

表1 火区探测技术与装备在煤矿火灾防治应用效果分析Table 1 Application effect analysis of fire detection technology and equipment in coal mine fire prevention and control

1）首先在井下沿巷道掘进方向施工扇形探测钻孔，初步圈定高温、高浓CO 气体隐患区域本煤层钻孔。巷道每掘进50 m 施工5 个检测钻孔，分别位于巷道掘进方向（1 个）、巷道左帮（2 个）、巷道右帮（2个），井下探测钻孔施工参数见表2。

表2 井下探测钻孔施工参数Table 2 Borehole construction parameters for underground exploration

2）下部煤层钻孔。根据巷道内高温与CO 气体显现特点，在施工本煤层探测孔的同时，进一步施工下部煤层探测孔，以进一步进行对比分析。该层探测孔参数：方位90°；倾角-6°～10°；孔深50～65 m。根据自9#～11#层钻孔内温度、气体浓度呈明显的由低到高的梯度变化，最后判断显现的隐蔽火源区域位于下部煤层可能性极大（上覆4#煤层钻孔内温度偏低，但CO 气体浓度较高，非同一火源）。

3）在地面进一步施工探测检验孔，对井下圈定的隐蔽小窑火隐患区域进行验证进一步施工地面探测孔，验证井下圈定的隐蔽火源范围，本着“经济治灾、合理治灾”的原则，共在地面施工7 个钻孔，地面探火孔相对位置示意图如图1。图1 中，1#～7#为施工的地面探火孔（兼做后期的措施孔），距掘进巷道水平距离90～135 m，其中3#～7#孔水平间距30 m；垂直蓝色线代表掘进巷道及其走向；水平黑色线代表后期井下施工的治理措施孔。

图1 地面探火孔相对位置示意图Fig.1 Diagram of relative position of ground fire detection holes

通过进一步检测，地面钻孔内从上至下自4#、6#、9#、10#、11#号煤层，11#层层位温度、CO 气体浓度最高，最终验证了井下探火孔的准确性，圈定了11#层小窑隐蔽火范围，为下一步采取针对性的治理措施奠定了扎实基础。

2.2 隐蔽火源专项治理

根据小窑隐蔽火赋存范围，同时结合辛安矿生产技术条件的实际情况，最终确定在下部煤层施工1 道隔离墙，控制小窑隐蔽火对本煤层及下部煤层采掘工作面的威胁，该墙的技术参数如下：

1）隔离墙走向长度275 m。

2）墙体为无机固化速凝充填材料材质[6]，为粉状水溶性双组份成分，2 组分融水并充分搅拌后，初凝时间可控制在5 min 以内，2 h 后结构强度可达1.5 MPa。

3）由本煤层掘进巷道向下部煤层施工注浆钻孔，平均每隔25 m 布置1 个钻场，钻场内钻孔方位75°～102°，孔径φ75mm，孔深45～65 m 且全程下φ50 mm 套管。后期两钻场间平均每隔5 m 又施工了密集注浆孔，进一步强化墙体构筑质量。

4）配套设备为1 台ZBYSB210/9-18.5 型注浆装置（后期又配置1 台），理论流量12 m3/h，理论出口压力9 MPa，配套使用4 台大型搅拌装置，整套系统操作简单，适用于小窑破坏巷道的快速充填[7]。

另外，在施工完下部煤层隔离条带后，本煤层工作面回采期间，同步采取均压通风措施强化上覆煤层毒害气体下泄预防措施。

3 效果分析

注浆隔离措施[8]取得预期效果。下部煤层隐蔽小窑火隔离条带前后共施工62 个注浆钻孔，累计压注SWS-1 型无机固化速凝充填材料980 t，形成的注浆量约为4 410 m3，若按小窑巷道平均断面12 m2计算，构筑墙体长度达到368 m，即使考虑到一定的备用系数[9]，也远超设计长度，达到设计指标。治理区域内观测钻孔内CO 气体浓度降至20×10-6，温度降至25 ℃以下。均压通风措施进一步控制了上覆煤层小窑破坏区毒害气体的下泄威胁。本煤层工作面回采期间，及时采取了局部通风机加风门的均压通风措施[10]，有效降低了毒害气体下泄量，通过束管检测，采空区CO 最大值始终控制在24×10-6以下。通过隔离与均压措施的互相配合，保证了本煤层工作面的安全回采。