露天礦硬地峁火區(qū)勘察及治理技術研究

吳 二 亮

（山西煤炭進出口集團河曲舊縣露天煤礦，山西 忻州 036500）

0 引 言

煤炭是我國重要的化石能源，在國家經(jīng)濟發(fā)展中具有不可替代的作用，但煤炭的開采也伴隨著許多負面作用，污染環(huán)境、土地沉降、礦井火災。尤其是露天礦井在地面發(fā)生自燃現(xiàn)象，產(chǎn)生大量的有毒氣體，會導致附近的村莊村民安全受到威脅[1~3]。因此，如何解決露天礦火區(qū)自燃現(xiàn)象具有著重要的意義。

河曲礦硬地峁火區(qū)發(fā)火煤層主要為上部各薄煤層發(fā)生自燃現(xiàn)象，露頭煤氧化嚴重，熱量集聚后容易引起自燃，煤層含硫量超過2.5%，煤層燃燒后產(chǎn)生大量含有一氧化碳和硫化物的有害氣體，對附近村民的健康有著很大的負面影響。河曲礦于2011、2013、2015 年對硬地峁火區(qū)已經(jīng)進行過3 次黃土覆蓋處理，治理效果明顯，基本控制了明火現(xiàn)象。但2019 年7 月區(qū)域內(nèi)再次出現(xiàn)冒煙現(xiàn)象，此處緊鄰3 道深溝、地形較為復雜，且周圍可以用的表土較少，治理難度大，因此，針對硬地峁火區(qū)的治理迫在眉睫。

1 礦井概況

河曲礦率屬于山煤集團，位于河曲縣舊縣鄉(xiāng)范家梁村，井田南北長8.26 km，東西寬5.62 km，井田面積24.953 6 km2，初步設計生產(chǎn)能力為3.0 Mt/a，核定生產(chǎn)能力為8.0 Mt/a。批準開采煤層8-14#,煤種為長焰煤，批采標高為870～106 0 m，保有資源/儲量264.10Mt，可采儲量215.285 Mt。礦井水文地質(zhì)屬中等類型，井田總體為單斜構(gòu)造，地質(zhì)構(gòu)造簡單，煤層均具有自燃傾向性，煤塵具有爆炸性，屬低瓦斯礦井。礦井開拓方式為：多出入溝移動坑線方式，露天開采采煤采用“單斗-卡車-膠帶”半連續(xù)開采工藝，剝離采用“單斗-卡車”間斷工藝。

由于硬地峁火區(qū)內(nèi)存在多處已關閉的原井工開采小窯，由于小煤窯地質(zhì)和開采資料缺乏，開采范圍不明，火區(qū)基礎資料缺乏，危害性難以評估；關閉后的小窯普遍使用以局部封閉、隔離為主的防滅火方法，未能徹底根除火源，凍結(jié)了大量的煤炭資源。自燃火區(qū)產(chǎn)生的高溫及濃煙污染了環(huán)境，由于自燃排放的有毒有害氣體引起了礦區(qū)周圍居民生存環(huán)境的惡化，帶來了諸多社會問題。為此，有必要探明硬地峁火區(qū)火源位置探測及火區(qū)分布范圍，并根據(jù)實際情況研究符合露天生產(chǎn)實際的煤自燃火區(qū)綜合治理方案，為山煤集團類似開采條件的礦井及全國同類礦井的安全開采提供了可靠的技術保障，具有廣泛的應用前景。

圖1 河曲礦硬地峁火區(qū)現(xiàn)狀圖

2 硬地峁火區(qū)勘察

為探明硬地峁火區(qū)火源點具體位置及范圍，本次采用α 杯法測氡法、鉆孔探測、紅外測溫法相結(jié)合對火區(qū)進行探測。

2.1 地面測氡法探測

2.1.1 探測原理

地面測氡法原理是利用煤巖體中存在的氡元素隨著溫度升高逐漸析出的變化規(guī)律，通過氡元素的濃度變化經(jīng)過數(shù)據(jù)處理分析后，得到火源位置、范圍。所采用的設備儀器為太原理工大學大型煤自燃及測氡試驗臺，鄔劍明[4]利用此設備已成功研究出氡元素隨著溫度的升高析出率不斷增加。

2.1.2 探測工藝

1）測量儀器。CD-1 α 杯測氡儀由空氣脈沖電離室、電源電路、計數(shù)器、放大器、控制電路、甄別器等組成。

2）測場的選擇及測點布置。根據(jù)現(xiàn)場實際需要選取基準點，一般選取為3 個點，垂直布置基準點，在區(qū)域內(nèi)布置測點，測點采用GPS 進行定位布置，并做好編號，布置為正方形或者長方形，精度一般采取20 m×20 m，15 m×15 m，l0 m×l0 m 及 5 m×5 m。

3）探測杯埋設。設備中探測杯收集面積為12×8cm2，高吸附材料由高吸附材料制作而成，在每個測點位置挖寬30 cm、深40 cm 的小坑，杯口朝下放入，上部覆蓋塑料布。

4） 現(xiàn)場測量。探測杯埋置4h 后取出，放入CD-lα 杯探測儀測量3 min，記錄相應巖層性質(zhì)讀數(shù)。

5）測量數(shù)據(jù)處理。將采集得到的數(shù)據(jù)錄入“測氡探火數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)”（CDTH），進一步處理可以得到相應測區(qū)的等值線圖以及異常等值線圖，進而判斷火源位置及范圍。

2.1.3 探測結(jié)果及分析

將野外所測的α 杯數(shù)據(jù)應用CDTH 專用軟件包進行處理可得到測值及等值線圖（圖2-圖5），再經(jīng)過綜合分析，從而得出火區(qū)分布平面圖：

圖2 探測區(qū)測值等值線圖

圖3 探測區(qū)測值立體圖

圖4 探測區(qū)異常值等值線圖

圖5 探測區(qū)異常值立體圖

1）在測場內(nèi)探明溫度異常區(qū)3 個，分別為A、B，火區(qū)面積約8 560 m2。

2）A 區(qū)為高溫火區(qū)，面積約2 277 m2，發(fā)展方向為近南北方向；α 杯探測數(shù)據(jù)顯示氡異常值在300～500 CPM（α 杯測氡儀顯示的每分鐘計數(shù)），該區(qū)內(nèi)有2 個冒煙點，并布置1 個鉆探孔，鉆孔溫度最高97℃。

3）B 區(qū)為高溫火區(qū)，面積約2 004 m2，發(fā)展方向為北偏東方向；α 杯探測數(shù)據(jù)顯示氡異常值在300～600 CPM（α 杯測氡儀顯示的每分鐘計數(shù)），該區(qū)有1個冒煙火點，溫度高達58 ℃。

4）溫度異常區(qū)位置、范圍及發(fā)展趨勢隨外部供氧條件的變化而變化。

2.2 火區(qū)鉆孔探測

2.2.1 鉆孔布置及鉆探過程

根據(jù)現(xiàn)場踏勘和前期火區(qū)治理情況，在火區(qū)中心范圍內(nèi)確定了1 個鉆孔孔位，鉆探孔孔徑為94 mm，鉆孔深度為100.5 m；鉆探過程在約6.5 m 處孔口冒煙，然后對孔口的氣體進行了采集并進行色譜分析和孔口測溫，具體分析結(jié)果如下：

從提取的鉆孔巖芯情況分析，該區(qū)域共有3 層煤，分別為 10、11、13 號煤層，其中 10、11 號為風氧化煤層，10 號煤層及上部的煤線有燃燒的痕跡，13 號煤層為完整的未被小窯破壞的煤層，且未發(fā)現(xiàn)燃燒的痕跡；鉆探過程中未發(fā)現(xiàn)硫磺層和小窯采空區(qū)。

2.2.2 鉆孔溫度和氣體檢測情況

鉆探過程在約6.5 m 處孔口冒煙，然后對孔口的氣體進行了采集并進行色譜分析和孔口測溫，具體分析結(jié)果如下：

1） 通過紅外測溫儀探測鉆孔內(nèi)溫度最高為97℃，東部塌陷坑內(nèi)溫度為58℃，且孔口均冒煙氣。

2）通過采集鉆孔孔口、發(fā)火區(qū)域東部塌陷坑內(nèi)氣樣各2 個樣品進行色譜分析，CO 氣體濃度最高為310×10-6，且檢測到煤自然發(fā)火標志氣體C2H6。

2.3 火區(qū)巖樣分析

2.3.1 巖樣采集

根據(jù)現(xiàn)場踏勘情況，發(fā)現(xiàn)在火區(qū)附近邊坡存在大量的紅色巖層，疑似巖樣中含有一定的硫鐵礦含量，因此在現(xiàn)場采集一些巖樣進行XRD（X 射線衍射）和XRF（X 射線熒光光譜分析）測試。

2.3.2 巖樣分析結(jié)果

1）XRD 分析結(jié)果。XRD 對材料進行衍射，分析其衍射圖譜，進而獲得材料組成成分（見圖6）。

圖6 巖樣的XRD 衍射圖

XRD 分析結(jié)果表明：巖樣中主要成分為SiO2、Al2O3。

2）XRF 分析結(jié)果。XRF 即為X 射線熒光光譜分析。利用X 射線熒光原理，理論上可以測量元素周期表中鈹以后的每一種元素。在實際應用中，有效的元素測量范圍為 9 號元素（F）到 92 號元素（U），見表 1。

表1 XRF 測試結(jié)果

測試結(jié)果表明：巖石樣品中主要含有SiO2、Al2O3、Fe2O3、SO3，F(xiàn)e 元 素 含 量 占 41.70% 、S 元 素 占4.175%。

3 硬地峁火區(qū)治理技術

3.1 滅火方法選擇

根據(jù)煤（井）田內(nèi)火區(qū)的特征、范圍、燃燒深度、地形條件等，可能采用的滅火方案概括起來主要有3種：①地表黃土覆蓋將火區(qū)加以隔絕；②地面鉆孔灌漿直接滅火；③剝離挖除在燃體，根除火源。見表2。

表2 滅火方法比較

根據(jù)河曲舊縣露天煤業(yè)有限公司目前的火區(qū)分布及公司生產(chǎn)的接續(xù)情況，火區(qū)范圍將在4～5 年后才能安排露天剝離生產(chǎn)，為了不影響將來露天開采布置，原則上不采用露天剝離的方式進行火區(qū)治理；根據(jù)火區(qū)探測報告，硬地峁火區(qū)為上部的10 號煤層風氧化層著火引起，鉆探結(jié)果表明火區(qū)燃燒深度較淺在50 m 以內(nèi)。綜合分析火區(qū)特點及公司目前生產(chǎn)接續(xù)現(xiàn)狀，制定了“火區(qū)內(nèi)地表魚鱗溝灌黃泥漿－火區(qū)邊界邊坡黃土覆蓋壓實－地表黃土分層覆蓋碾壓”的綜合滅火技術方案。

3.2 火區(qū)治理方案

火區(qū)滅火總體技術方案為火區(qū)內(nèi)地表魚鱗溝灌黃泥漿－火區(qū)邊界邊坡黃土覆蓋壓實－地表黃土分層覆蓋碾壓，主要技術路線如圖7 所示。

圖7 技術路線圖

1）火區(qū)內(nèi)魚鱗溝灌黃泥漿。由于在發(fā)火平臺處存在較多的塌陷坑洞成為火區(qū)的漏風通道，因此在發(fā)火平臺范圍內(nèi)采用魚鱗溝灌漿滅火,魚鱗溝間距5.0 m，寬度1.20 m，深度0.8 m,漿液下滲填堵裂隙通道，水土比按1∶0.5。

2）發(fā)火平臺地表黃土覆蓋。火區(qū)內(nèi)發(fā)火平臺灌黃泥漿完畢后通過施工機械將火區(qū)內(nèi)地表覆蓋黃土1.0 m，并按每分層0.5 m 分層覆蓋碾壓。

3）火區(qū)邊界邊坡覆土壓實。在發(fā)火平臺的所有邊坡進行覆土并壓實，覆土厚度在1.0 m 以上；沿發(fā)火平臺邊緣構(gòu)筑截水溝，并在邊坡處布置3 條排水溝，防止雨水沖刷邊坡形成裂縫通道漏風。

4 火區(qū)治理效果分析

經(jīng)過對火區(qū)治理方案的實施，火區(qū)治理后地表未出現(xiàn)冒煙、冒氣的現(xiàn)象，并經(jīng)過測氡法再次進行探測未發(fā)現(xiàn)明顯的溫度異常區(qū)。

5 結(jié)束語

針對河曲礦硬地峁火區(qū)煤層自燃等現(xiàn)象，進行了火區(qū)分布探測，并制定了相關火區(qū)治理方案，得到了如下結(jié)論：

1）硬地峁火區(qū)探測采用測氡法地面探測、鉆孔探測、紅外測溫、氣樣分析、巖樣分析等手段，探明了火區(qū)的分布范圍、燃燒深度和燃燒程度：采用測氡法進行了地面火區(qū)探測，探測面積約2.4 萬m2,探測測點86 個，探明火區(qū)面積8 560 m2，發(fā)現(xiàn)冒煙點3 處；從提取的鉆孔巖芯情況分析，該區(qū)域共有3 層煤，分別為10、11、13 號煤層；通過 XRD 和 XRF 測試出巖石樣品中含有的各種元素含量。

2）根據(jù)火區(qū)探測情況，綜合分析火區(qū)特點，制定了綜合滅火技術方案。