路天煤矿煤矸石堆灭火技术探索与实践

李伟 郭振林

（华北地质勘查局综合普查大队（河北华勘地质勘查有限公司），河北燕郊 065201）

1 路天煤矿煤矸石堆现状

路天煤矿排土场位于一、二采区北侧，该排土场剥离物堆积体积较大、呈不规则形，占地面积约 993161.40m2，剥离物堆积标高1178～1332m，高差154m。排土场分为7级台阶，在施工至西北部第4级台阶（+1275m）时揭露高温渣，面积约131780m2，现场实测温度150℃～450℃。

图1 排土场西北部

2 火区初步勘查

2.1 地形地貌特征

排土场地处桌子山西麓，为典型的丘陵地带，沟谷发育一般。总体地势东南高，西北低而平缓，海拔标高1194m～1260m，最大高差66m，相对高差25m 左右。

根据地形及微地貌形态特征，将排土场划分为丘陵地貌类型。丘顶浑圆，坡面较缓，坡角一般在15～25°，一般相对高差10～30m。丘间为宽而浅的洼地，洼地内被第四系坡残积砂土及砂砾石覆盖。植被发育一般，丘顶有基岩裸露。

2.2 地质概况

图2 排土场北部

（1）本区地表局部被第四系所覆盖，大部分地区出露二叠系下统山西组基岩，根据钻孔揭露及区域地层资料，矿区地层及含煤地层倾向东，倾角约15°，本区地层由老至新如下：奥陶系中统、石炭系上统太原组、二叠系下统山西组、第四系全新统。本区主要含煤地层为石炭系上统太原组、二叠系下统山西组。主要岩性为深灰色、灰色砂质泥岩、泥岩、灰白色粗粒砂岩；灰色细砂岩、砂质泥岩等。

（2）本区位于拉僧仲背斜向南倾没部分，次一级的褶曲为本区基本构造形态，断层也比较发育，主要构造方向为北北东向。区内无火成岩活动，据地质勘探及矿区揭露的资料，影响矿区的主要构造为公乌素背斜。

本区断层发育，按其走向分为两类，一类是北北东向，多为逆断层，落差较大;另一类为北东向或东西向,多为正断层，倾角比较大，但落差不大，现将落差大于15m的断层列表1。

表1 矿山主要断层特征表

综上所述，本区构造以北北东向舒缓的背向斜为主体，伴有近北北向的逆断层和东西向的正断层，断层数量虽多但不密集，故本区构造复杂程度为中等类型。

2.3 火区概况

根据路天煤矿高温区域的地理条件及其特征分析，该高温区域所在区域风力较大，通风条件较好，地区降水量比较少，剥离物中含煤量较高，结构较为松散，压实程度一般。总而言之，路天高温区域较易自燃，高温区域范围内自燃点较多，且长期自燃，高温区域内部燃烧情况较为复杂。

2.4 火区分布

火区勘查确定了四级和五级平台高温异常区域的深度及范围，采用地温梯度测量方法，利用钻探工程施工钻孔进行孔内测温。以经济、高效为实施原则，利用最少的钻孔确定火区范围及深度。本次地温梯度测量完成探温钻孔11 个，分别为在四级平台布设钻孔个5，五级平台布设6 个，钻孔间隔50m。确定探测孔位后，开展钻机钻进工作，并随钻机进行孔内测温工作，测点间距2m，进行测温并记录，对上部钻孔进行温度复测，利用多次测温数据确定最终温度值。当测定温度低于60℃时结束该孔钻进并终孔。

根据探温孔探测情况可以得出，在四级平台高温异常区域最深处可到1236m 标高处，浅部可在四级平台地表测得高温异常，燃烧纵深最大可达32m（ZK03），如图3 所示。从探温孔结果推测四号平台，高温异常区集中在ZK03 附近，随后沿平台向两边燃烧深度逐渐减少到无高温异常。

图3 四号平台热异常推测图

五级平台燃烧范围根据探温孔观察呈现非连续性分布，如图4 所示。一部分集中在ZK08和ZK12之间，高温异常区域最深处可到1223m 标高，浅部在五级平台地表可测得高温异常，燃烧纵深最大可达20m（ZK10）；另一部分集中在ZK13东侧区域。

图4 五号平台热异常推测图

3 灭火工程实施

根据路天煤矿治理规划和现状调查，确定主要灭火工程为钻孔注浆灭火。本方案采用注浆法对着火区域灭火，注浆材料选择要具有一定保水性又能起到隔氧降温作用。施工采用“钻孔注浆法”对高温区域着火区进行降温灭火。其原理是先将灭火材料加水制成灭火浆液，再将灭火浆液注入高温区域的内部。在浆液接触到高温岩石后，通过水分的湿润带走大量热量。灭火浆液中的固体则包裹在煤矸石表面或充填于剥离物空隙之中，减少煤矸石与氧气的进一步接触，通过降温与隔氧两方面的作用，来达到灭火的目的。

注浆材料选用粉煤灰配合水泥使用，可以显著提高浆体浓度，减少管路堵塞几率，提高注浆效率和注浆质量。注浆孔设计深度12-34m，根据高温区域的自燃情况，自燃部分集中在排土场第4 级台阶、第5级台阶。

注浆孔沿着排土场第4 级台阶、第5 级台阶布设2 排注浆钻孔，孔距间隔为2m×2m，第一排注浆孔距外侧边坡2m，第二排注浆孔距外侧边坡4m，注浆孔交错平行布置，在施工注浆孔过程中为保证注浆灭火效果，应根据实际情况，对钻孔间距、深度进行调整。当所施工钻孔最高温度低于60℃（湿孔温度）时，可减少钻孔布置。当所施工钻孔最高温度高于90℃（湿孔温度）时，应判断单孔注浆量是否充足，注浆孔偏离火源距离加大单孔注浆量，需在高温钻孔周边加密钻孔（钻孔间距1m×1m），利用加密钻孔进行注浆降温灭火，达到彻底治理火区的目的。

注浆钻孔套管直径150mm，注浆套管直径108mm，套管为普通焊接钢管，注浆胶管规格为直径89mm，根据排土场地表岩土体松散度结合路天排土场治理实际情况，在满足注浆效果及安全的前提下，当所下注浆套管长度为2.5m 左右时，在注浆降温灭火过程中，可以满足现场需求。钻孔封孔要严密，钻孔与输浆管路的连接要牢固，并能承受最大的注浆压力。

（1）注浆浆料配比及流变参数

主要原料有水、粉煤灰、水泥。

选取水源附近平坦地势挖出两个长5 米，宽2米，深1.5米，总体积为15m3坑，坑内安装相同大小的钢板立方体，且钢板立方体接缝严密，不漏水。通过地泵对水泥进行称重，取1t 水泥、4t 粉煤灰倒入钢板立方体内，通过流量计放入7.5t 水，得到水泥、粉煤灰、水配比2:8:15，水固比为1.5:1。通过NB-1型泥浆比重计测取浆液比重、浆液粘度，进行记录，进行注浆试验，在相同压力下，监测注浆量以及监测孔温度变化，对浆液配比进行调整，在施工过程中，选取注浆量大且效果最好的配比进行注浆，从而确定最佳配比。通过实践可知水泥、粉煤灰、水配比2:8:15，水固比1.5:1，浆液比重1.35g/cm3，浆液粘度25。在路天煤矿煤矸石堆中注浆灭火效果最好。

（2）成孔工艺及技术要求

平整场地后钻机严格按测量所放孔位打孔，由于条件限制，必须经矿方同意后方可移孔。取得注浆孔施工通知书后方可开钻，所有钻孔开孔口径不得小于150mm，施工至指定深度后，经验收合格后，准备下一步工作，以满足注浆的需要。

注浆孔不取芯但应做好钻探原始记录，包括进尺、钻进日期、时间、机长及技术员签字、孔内地层情况。施工中要记录好着火层位深度、火情等。由于排土场堆积物为松散层，要防止孔内坍塌、卡钻事故的发生。

（3）注浆工艺

根据钻孔勘查火情分析，做出注浆情况的初步判断。若某一浓度浆液的注入量已达设计量的20%以上，而注浆压力和单位吸浆量无明显变化时，应调浓一级或两级灌注，在注浆后期泵压逐渐升高或吸浆量逐渐减小的情况下，不应改变其水固比。

当注浆量过大时，采用间歇式注浆。单孔设计注浆压力应通过现场灌注试验确定，控制在1.0～2.0MPa 左右，在单孔注浆末期，泵压达到3.0MPa 时，可结束该孔的注浆施工，当扩散半径不足1.0m时，应当增加注浆压力。如果当注入一定浆量，若出现地表裂隙大量跑浆时，也可结束该孔的注浆施工。

（4）高温区域孔隙体积和注浆量

根据路天煤矿情况，运用钩机挖出自然堆积煤矸石石堆，挖出的坑尽量为规则的长方体或正方体，丈量出挖出坑的长5m，宽2m，高1m，得出体积10m3。挖出煤矸石进行地泵称重14.45t，查出煤矸石密度经验值1.7g/cm3左右，用煤矸石质量比上其密度，得出煤矸石密实体积8.5m3，挖出的体积减去密实体积，得出孔隙体积1.5m3，从而估算孔隙率约为15%，注浆孔间距为2m，每个注浆孔控制面积为3.14m2，钻孔平均深度为22m，控制面积空隙充填率为70%，每个钻孔注浆量为7.25m3（注浆量的确定最终以现场实际为准）。

4 灭火效果监测

火区监测应同时采取温度法、气体分析法。

地表温度进行测量可知小于45℃着火征状消失。监测孔孔内温度呈持续下降趋势，全孔最高温度小于100℃，且大部分监测孔最高温度稳定在70℃以下。

监测孔内一氧化碳浓度持续下降，孔内最高值小于500ppm 且大部分监测孔温度未检出。

5 实践中的认识

（1）煤矸石堆周围的区域地质背景，对认识煤矸石有着重要的作用，可以根据其所处地质背景，认识其成因类型、成分以及燃烧机理等特征。

（2）煤矸石堆火区勘查非常重要，可以指导我们精确的把握住火源位置，火势情况，从而针对不同深度的火源以及不同强度的火源，采取相应的灭火方式。

（3）注浆灭火法，主要是隔绝氧气通道，注浆量是注浆灭火的关键，影响注浆量的因素有很多:①煤矸石堆放的方式。可以改变堆场的孔隙度，不同的堆放方式，使得不同粒度的煤矸石堆放存在着差异，使堆场孔隙度不均一性加大。②浆液的配比。对孔隙的充填存在差异性，浆液比重大，粘度大，可以充填较大的孔隙，浆液比重减小，粘度小，增加了浆液的流动性，可以增大扩散半径，生产中应选取能充填更大孔隙，且扩散半径要大，选取两者最佳的配比。③注浆的方式选择。自然注浆、压力注浆。应根据钻孔孔口压力监测确定压力大小注浆。

（4）煤矸石灭火生产实践中，存在着一定的差异性，不同的煤矸石堆渣，有不同的堆放特征以及火区特征，条件不同，注浆灭火的方式不同。灭火方法以及注浆量的把控，应根据具体特征具体调整。