馮家塔礦煤層隱蔽火源探測(cè)及防治技術(shù)研究與應(yīng)用＊

文 虎 朱興攀 金永飛 劉文永

（1.西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西省西安市，710054；2.教育部西部礦井開采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西省西安市，710054）

馮家塔礦煤層隱蔽火源探測(cè)及防治技術(shù)研究與應(yīng)用＊

文 虎1，2朱興攀1，2金永飛1，2劉文永1，2

（1.西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西省西安市，710054；2.教育部西部礦井開采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西省西安市，710054）

通過對(duì)馮家塔煤礦1401工作面煤自燃發(fā)火規(guī)律、淺埋深厚煤層開采特點(diǎn)及隱蔽高溫區(qū)識(shí)別難度和危害的研究，采用SF6示蹤氣體測(cè)漏風(fēng)技術(shù)及測(cè)氡法火源高溫點(diǎn)探測(cè)技術(shù)對(duì)其煤自燃高溫區(qū)域進(jìn)行判定，通過CO氣體分析驗(yàn)證，選定通過鉆孔灌注粉煤灰復(fù)合膠體進(jìn)行滅火，最終達(dá)到預(yù)期效果，使1401工作面順利回采直至撤架。

隱蔽火源 火源探測(cè) 測(cè)漏風(fēng) 防滅火 馮家塔礦

淺埋深厚煤層由于煤層埋藏淺，采動(dòng)影響后采空區(qū)頂部裂隙會(huì)直通地表，造成地表塌陷和裂隙較多，容易造成漏風(fēng)通道，導(dǎo)致采空區(qū)漏風(fēng)嚴(yán)重，這為煤氧化提供了良好的供氧環(huán)境，引發(fā)煤體自燃。然而煤體導(dǎo)熱性差，煤體通過傳導(dǎo)散熱速度很慢，往往在發(fā)現(xiàn)煤體暴露面處溫度異常時(shí)，內(nèi)部火勢(shì)已形成，這給隱蔽高溫區(qū)識(shí)別及探測(cè)帶來了極大的困難。

此外，煤體自燃時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生大量有毒有害氣體，在井下封閉空間里，有害氣體容易聚集起來，引起井下工作人員中毒；井下屬于半封閉空間，救災(zāi)人員工作空間、回旋余地小，會(huì)給救災(zāi)人員帶來很大威脅。

1 煤層隱蔽高溫區(qū)概況

馮家塔煤礦1401工作面傾斜長260 m，走向長2400 m。工作面開采4＃煤層為自燃煤層且煤塵具有爆炸性危險(xiǎn)，瓦斯含量較低，煤層埋深較淺，約70～120 m，煤厚約6 m，為長焰煤，距離鄰近的上部2＃煤層約12 m。1401工作面是4＃煤層的第一個(gè)工作面，其頂部的2＃煤層工作面已經(jīng)開采了3個(gè)面，但其正上方的2＃煤層沒有開采。1401工作面與2＃煤層首采面1201面相鄰，兩工作面水平距離為35 m （凈煤柱寬度約25 m）。工作面風(fēng)量約1200 m3／min，存在地表漏風(fēng)。

2010年7月，1401工作面推進(jìn)了約300 m，剛剛超過1201工作面切眼，其回風(fēng)隅角即出現(xiàn)CO。通過加快工作面推進(jìn)速度，采空區(qū)采用間斷式注氮、進(jìn)風(fēng)和回風(fēng)隅角掛風(fēng)帳減少采空區(qū)漏風(fēng)及噴灑氣霧阻化劑等手段防火，但CO仍存在。8月以后，由于工作面推進(jìn)速度減慢，CO濃度繼續(xù)增加。8月28日，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，工作面第137?！?41＃架架后和回風(fēng)隅角CO均有增加趨勢(shì)，回風(fēng)隅角風(fēng)帳后CO濃度達(dá)0.003%～0.005%，回風(fēng)隅角CO濃度最高達(dá)0.008%。

2 工作面漏風(fēng)通道檢測(cè)及結(jié)果分析

由于馮家塔煤礦4＃煤層埋深較淺，工作面采過一定距離后，隨著頂部巖層的塌陷會(huì)與地表形成漏風(fēng)區(qū)域，故對(duì)其采用SF6示蹤氣體測(cè)漏風(fēng)技術(shù)對(duì)1401工作面上隅角漏風(fēng)通道進(jìn)行探測(cè)，采用SF6檢測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè)，確定漏風(fēng)通道的位置。

SF6示蹤氣體定性測(cè)定漏風(fēng)的測(cè)試方法為：根據(jù)礦井通風(fēng)系統(tǒng)圖分析可能的漏風(fēng)通道、漏風(fēng)源、漏風(fēng)匯；在漏風(fēng)源中釋放SF6氣體，在漏風(fēng)匯每隔一定時(shí)間用球膽采集氣樣；將采集的氣樣送實(shí)驗(yàn)室分析，由氣相色譜儀測(cè)定SF6氣體濃度；根據(jù)氣樣分析結(jié)果確定漏風(fēng)通道及漏風(fēng)風(fēng)速。

2.1 工作面漏風(fēng)通道檢測(cè)

對(duì)馮家塔1201工作面和1401工作面采空區(qū)進(jìn)行漏風(fēng)檢測(cè)。通過在工作面采空區(qū)地面裂隙釋放SF6示蹤氣體，在井下回風(fēng)隅角檢測(cè)示蹤氣體的方法檢測(cè)地面裂隙與工作面的漏風(fēng)通道。檢測(cè)區(qū)域位于1401工作面與1201工作面采空區(qū)上方，釋放點(diǎn)分別為D2、D1、C1、B1、N，接收點(diǎn)均為井下1401工作面回風(fēng)隅角。測(cè)點(diǎn)布置圖見圖1。

D2、D1位于1201工作面采空區(qū)上方，D2釋放點(diǎn)位于1201工作面開切眼附近對(duì)應(yīng)的地表裂隙處，D1釋放點(diǎn)位于1201采空區(qū)距離1401工作面50 m處對(duì)應(yīng)地表裂隙處。

C1、B1、N 3個(gè)釋放點(diǎn)位于1401采空區(qū)上方，C1釋放點(diǎn)位于距離1401工作面采空區(qū)沿回風(fēng)巷道方向20 m處對(duì)應(yīng)地表裂隙處，B1釋放點(diǎn)位于距離1401工作面中部20 m采空區(qū)對(duì)應(yīng)地表裂隙處，N釋放點(diǎn)位于1401工作面后方170 m處對(duì)應(yīng)地表裂隙處。通過GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)測(cè)得各釋放點(diǎn)具體位置及檢測(cè)結(jié)果見表1。

圖1 漏風(fēng)檢測(cè)測(cè)點(diǎn)布置圖

表1 SF6示蹤氣體漏風(fēng)探測(cè)結(jié)果表

2.2 檢測(cè)結(jié)果分析

（1）位于1201工作面采空區(qū)上方的D2、D1兩測(cè)點(diǎn)的檢測(cè)結(jié)果表明，1201采空區(qū)上方裂隙與1401采空區(qū)貫通。

（2）位于1401工作面采空區(qū)上方的C1、B1、N 3個(gè)釋放點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果表明，1401工作面采空區(qū)對(duì)應(yīng)地面裂隙與1401工作面貫通。

（3）井下接收點(diǎn)均檢測(cè)到地面釋放的SF6示蹤氣體，并且間隔時(shí)間短，充分說明了地面裂隙與1401工作面漏風(fēng)通道暢通。

3 馮家塔礦隱蔽火源探測(cè)及結(jié)果分析

3.1 測(cè)氡原理

實(shí)踐表明，在同樣的地質(zhì)地層條件下，利用氡氣濃度差異，對(duì)井下氡分布與自燃發(fā)火關(guān)系來確定煤礦火區(qū)的大致范圍是科學(xué)有效的。當(dāng)?shù)叵旅簩影l(fā)生氧化升溫或自燃時(shí)，其周圍及上覆巖層中天然放射性元素氡的析出率增大，由于氡衰變時(shí)的離子交換作用使其反應(yīng)到地表而形成放射性異?，F(xiàn)象，該異?？勺鳛榉从硿囟鹊男畔⒈粰z測(cè)得到。

3.2 測(cè)氡工藝及流程

探測(cè)儀器選用CD-1α杯測(cè)氡儀，探測(cè)工藝及流程為：確定探測(cè)區(qū)域→布置測(cè)點(diǎn)→挖坑埋杯→取杯測(cè)量→數(shù)據(jù)分析。

在地面由井上下對(duì)照選取測(cè)場(chǎng)基準(zhǔn)點(diǎn)，基準(zhǔn)點(diǎn)一般為3個(gè)，成垂直方向布置，然后在此區(qū)域進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置，形狀為長方形、正方形或不規(guī)則方格網(wǎng)，在測(cè)量過程中根據(jù)實(shí)際測(cè)量情況進(jìn)行調(diào)整延伸，每一測(cè)點(diǎn)預(yù)先編號(hào)。

3.3 探測(cè)區(qū)域及結(jié)果

2010年9月2日，根據(jù)馮家塔煤礦漏風(fēng)檢測(cè)實(shí)際情況，確定了四塊高溫區(qū)域探測(cè)場(chǎng)，探測(cè)場(chǎng)均為矩形，其中I號(hào)區(qū)域位于1201采空區(qū)中開切眼區(qū)域，探測(cè)區(qū)域總長290 m，總寬60 m，共布置測(cè)點(diǎn)210個(gè)，面積17400 m2；Ⅱ號(hào)區(qū)域位于1401工作面開始發(fā)現(xiàn)CO氣體異常點(diǎn)位置附近，探測(cè)區(qū)域總長240 m，總寬80 m，共布置測(cè)點(diǎn)225個(gè)，面積19200 m2；Ⅲ號(hào)區(qū)域位于1201采空區(qū)右側(cè)邊界與1401回風(fēng)巷道之間區(qū)域，探測(cè)區(qū)域總長160 m，總寬30 m，共布置測(cè)點(diǎn)36個(gè)，面積4800 m2；Ⅳ號(hào)區(qū)域位于1401開切眼附近，探測(cè)區(qū)域總長280 m，總寬30 m，共布置測(cè)點(diǎn)56個(gè)，面積8400 m2；以上四塊區(qū)域中I、Ⅱ區(qū)點(diǎn)距為10 m×10 m，Ⅲ、Ⅳ區(qū)點(diǎn)距為20 m×10 m，理論探測(cè)總面積49800 m2，理論布置測(cè)點(diǎn)共計(jì)527個(gè)?；鹪刺綔y(cè)范圍及測(cè)點(diǎn)布置見圖2。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置圖

將所測(cè)結(jié)果通過專用軟件包進(jìn)行處理可得煤層隱蔽高溫區(qū)氡值異常值立體圖，見圖3。圖3中，突起越高說明氡值越大，即該位置對(duì)應(yīng)區(qū)域溫度越高。根據(jù)煤礦實(shí)際情況經(jīng)過分析處理，得到高溫異常區(qū)在井上下對(duì)照?qǐng)D中的平面圖，見圖4。

由測(cè)量結(jié)果及分析結(jié)果可得出以下結(jié)論：

（1）位于1201工作面老空的I、Ⅲ區(qū)測(cè)氡值部分區(qū)域較高，說明此區(qū)域存在隱蔽高溫區(qū)；位于1401工作面的Ⅱ、Ⅳ區(qū)測(cè)氡值穩(wěn)定且很小，說明此區(qū)域內(nèi)無隱蔽高溫區(qū)。

（2）經(jīng)實(shí)地考察，在測(cè)氡區(qū)域內(nèi)煤體破碎、地表塌陷、斷裂嚴(yán)重、地表裂隙發(fā)達(dá)，經(jīng)實(shí)地漏風(fēng)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)裂隙為向內(nèi)進(jìn)風(fēng)狀態(tài)，老空漏風(fēng)嚴(yán)重；同時(shí)，在地壓作用下1201開切眼附近煤柱受壓破碎，在漏風(fēng)供氧條件下，松散煤體氧化嚴(yán)重，存在隱蔽高溫區(qū)域。

（3）由測(cè)氡數(shù)值分析結(jié)果得出，此次測(cè)氡范圍內(nèi)隱蔽高溫區(qū)域共7個(gè)，初步判定是由于開切眼及其老空區(qū)間煤柱破碎，在漏風(fēng)供氧的影響下，松散煤體被氧化導(dǎo)致。

4 防治技術(shù)研究

通過采取測(cè)漏風(fēng)及測(cè)氡工作初步判定了火區(qū)位于1201采空區(qū)開切眼附近，決定采用膠體防滅火技術(shù)通過打鉆對(duì)火區(qū)進(jìn)行治理，鉆孔根據(jù)礦井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況布置。

（1）自1402運(yùn)輸巷道采用打鉆鉆具向1201采空區(qū)高溫區(qū)域鉆孔，鉆孔必須打透2＃煤層采空區(qū)底板。注膠鉆孔位置平面圖見圖5，剖示圖見圖6。

圖5 注膠鉆孔位置平面圖

（2）自1202回風(fēng)巷道采用打鉆鉆具向1201采空區(qū)鉆孔，鉆孔必須打到1201頂板上部1～3 m處。

（3）注膠形成膠體隔離帶，以提高堵漏及防滅火效果。

圖6 1402注膠鉆孔剖示圖

1201采空區(qū)開切眼位置附近存在異常高溫區(qū)域，注漿鉆孔主要在1402運(yùn)輸巷道及1202回風(fēng)巷道施工，截至2010年10月6日，共施工鉆孔17個(gè)，14個(gè)鉆孔打到設(shè)計(jì)位置，其中1402運(yùn)輸巷道施工鉆孔10個(gè)，8個(gè)打到設(shè)計(jì)位置；1202回風(fēng)巷道施工鉆孔7個(gè)，6個(gè)打到設(shè)計(jì)位置。1201切眼注漿打鉆設(shè)計(jì)圖見圖7。

圖7 1201切眼注漿打鉆設(shè)計(jì)圖

在鉆孔打通后，取其氣體進(jìn)行色譜分析，若CO濃度較高，則說明此處有隱蔽高溫區(qū)，否則此處無隱蔽高溫區(qū)，此分析與測(cè)氡法火源探測(cè)的位置進(jìn)行相互印證，最終確定準(zhǔn)確的隱蔽高溫區(qū)。

自2010年9月12日開始，在1402運(yùn)輸巷道鉆孔應(yīng)用膠體防滅火技術(shù)，選擇ZMJ-15井下移動(dòng)式灌漿注膠防滅火系統(tǒng)與地面灌漿系統(tǒng)相結(jié)合，通過鉆孔對(duì)火區(qū)灌注粉煤灰復(fù)合膠體，抑制并熄滅隱蔽高溫區(qū)。截至2010年10月13日，共灌注粉煤灰復(fù)合膠體約5500 m3。

5 治理效果分析

通過灌注粉煤灰復(fù)合膠體封堵漏風(fēng)通道、包裹高溫煤體對(duì)火區(qū)進(jìn)行了快速治理。開始灌注膠體后對(duì)火區(qū)進(jìn)行了連續(xù)觀測(cè)，期間采空區(qū)煤自燃指標(biāo)氣體CO濃度平穩(wěn)下降，隨著注膠量的增加，CO濃度迅速減小，溫度隨之降低，為1401工作面順利開采消除了隱患。工作面上隅角CO氣體濃度變化見圖8。

由圖8可知，通過灌注粉煤灰復(fù)合膠體，1401工作面上隅角CO濃度持續(xù)波動(dòng)下降，說明隱蔽高溫區(qū)得到了有效控制，高溫煤體已經(jīng)被膠體包裹，達(dá)到了隔氧降溫的作用。截至2010年10月13日，1401工作面上隅角CO氣體濃度降至0.00001%以下，說明高溫煤體已得到完全控制，之后進(jìn)一步向1201采空區(qū)高溫區(qū)域通過鉆孔灌注粉煤灰復(fù)合膠體并繼續(xù)觀測(cè)，至10月16日檢測(cè)到CO濃度下降至0且趨于穩(wěn)定，可以確定高溫火區(qū)已熄滅，保證了1401工作面順利回采直至撤架。

圖8 1401工作面上隅角CO氣體濃度變化曲線圖

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Research and application of detection and prevention of hidden fire source in Fengjiata Coal Mine

Wen Hu1，2，Zhu Xingpan1，2，Jin Yongfei1，2，Liu Wenyong1，2
（1.College of Energy，Xi＇an University of Science and Technology，Xi＇an，Shannxi 710054，China；2.Key Laboratory of Western Mine and Hazard Prevention of the Ministry of Education，Xi＇an，Shannxi 710054，China）

Aimed at the law of coal spontaneous combustion，the mining characteristics of shallow thick coal seam and the difficulties and harms of hidden high-temperature zones at 1401 working face in Fengjiata Coal Mine，the high-temperature zones caused by the coal spontaneous combustion were determined via the air-leakage detection by SF6 tracer gas and the high-temperature site detection by isotope radon measuring，combined with the analysis of CO gas.The fire was extinguished by the injection of coal ash composite jel and the stoping was successfully carried out at 1401 working face until the supports were removed.

hidden fire source，detection of fire source，air-leakage measurement，fire prevention and extinguishment，F(xiàn)engjiata Coal Mine

TD752

A

國家教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃（NCET-10-0932）；973計(jì)劃前期研究項(xiàng)目（2011CB411902）；國家自然科學(xué)基金 （51004081）；國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目 （51134019）

文虎 （1972-），男，新疆石河子人，教授，博士后，現(xiàn)任西安科技大學(xué)能源學(xué)院安全工程系書記，主要從事煤自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)及礦井火災(zāi)防治理論與技術(shù)的研究。

（責(zé)任編輯 張艷華）