石圪臺煤礦上覆小窯火區(qū)治理技術(shù)及效果分析

何帥印

（神東煤炭集團公司石圪臺煤礦，陜西 神木 719315）

0 引言

我國煤礦礦井自然發(fā)火頻發(fā)[1-2]，尤其在西北地區(qū)，由于煤層埋深較淺，地表裂縫較為發(fā)育[3-6]。礦區(qū)上覆淺埋深煤層區(qū)域分布著大量的小煤礦，前期小煤礦對淺埋深的煤層簡單粗放的開采，自然發(fā)火如得不到有效治理將嚴(yán)重威脅下覆煤層的開采[7-11]。

1 工作面概況

石圪臺煤礦31206工作面位于31煤二盤區(qū)，工作面推進長度2 252 m，工作面長度267.1 m，平均煤厚3.6 m，上覆有22煤和12煤，22煤平均厚5 m，22煤與31煤層平均間距34 m，12煤與22煤層平均間距38 m。工作面已于2016年9月7日布置完成，原計劃于2016年10月份接續(xù)，但受上覆小窯火區(qū)影響無法正常接續(xù)。本文結(jié)合石圪臺煤礦周邊小煤礦的分布情況，針對小煤礦自然發(fā)火狀況進行了分析研究，并采取了針對性的措施，對31206工作面上覆小煤礦火區(qū)進行治理，取得了良好的效果，研究成果對類似條件下礦井安全開采提供了寶貴的實踐經(jīng)驗。

2 小煤礦分布及自然發(fā)火情況

石圪臺煤礦周邊存在24個小煤礦，主要分布在31煤一盤區(qū)與二盤區(qū)周邊，小煤礦與石圪臺礦相鄰或重疊，各小煤礦存在相互盜采現(xiàn)象，且部分小煤礦曾越界開采，導(dǎo)致小煤礦采空區(qū)之間和小煤礦采空區(qū)與石圪臺礦采空區(qū)存在漏風(fēng)現(xiàn)象。石圪臺煤礦31煤二盤區(qū)上覆存在7個地方小煤礦，分別為：爾林兔鄉(xiāng)糖漿渠礦、爾林兔鄉(xiāng)前渠礦、瓦羅鄉(xiāng)劉石畔礦、野貓灣礦、北大渠礦、糖漿渠二礦和神府碳窯渠礦。截至2011年所有小煤礦全部關(guān)停，目前石圪臺煤礦周邊存在3個綜合治理項目分別對小煤礦12煤和22煤資源進行剝挖治理。

22煤采空區(qū)未剝挖區(qū)域面積為3.7萬m2，該區(qū)域22煤底板等高線范圍為1 115～1 125 m，總體呈東高西低趨勢，該區(qū)域小煤礦巷道錯綜復(fù)雜，具體資料不明。利用紅外熱成像儀對31206切眼上覆小窯火區(qū)裂隙處煤巖體進行紅外掃描測溫，測得最高溫度147℃，31206切眼2調(diào)探孔CO濃度最高為4 315×10-6，C2H6濃度最高為71×10-6，C2H4濃度最高為13×10-6，水溫34℃，嚴(yán)重威脅石圪臺煤礦安全開采。小煤礦及綜合治理項目分布關(guān)系見圖1。

圖1 小煤礦及綜合治理項目分布關(guān)系示意圖

3 小煤礦火區(qū)治理技術(shù)

3.1 小煤礦火區(qū)治理方案

31206切眼區(qū)域上覆小煤礦12煤層已剝挖完畢，22煤層存在火區(qū)，根據(jù)同位素測氡法圈定的疑似火區(qū)范圍、煤層賦存、巷道布置及火區(qū)發(fā)展?fàn)顩r等綜合因素，利用地面打鉆注漿滅火措施對火區(qū)進行治理。所注漿液在采空區(qū)內(nèi)流動堆積沉淀一段時間后，通過井下施工探放水鉆孔進行疏放水，地面鉆孔持續(xù)注漿，直至沙土充滿整個采空區(qū)，使漏風(fēng)通道得到有效封堵，進而隔絕火區(qū)氧氣供應(yīng)。

3.2 鉆孔施工方案

注漿鉆孔不取芯，施工至22煤巷道頂板。以?215 mm孔徑施工至22煤巷道頂板。貫通22煤巷道后，全孔下?159 mm鋼管至巷道頂板，上口露出地面0.2 m，鋼管與鋼板之間用梯形鋼板焊接，拉筋加固固定于上口蓋0.8 m×0.8 m的鋼板上，?159 mm鋼管需高出鋼板0.1 m；鋼管下口要求高于巷道頂板以上2 m，鋼管不得進入巷道。護管、套管與孔壁之間用砂土進行充填。

3.3 鉆孔設(shè)計及施工

根據(jù)治理方案，一期設(shè)計13個鉆孔，其中1個供電鉆孔、11個注漿鉆孔和1個驗證兼注漿鉆孔，二期設(shè)計8個驗證兼注漿鉆孔，三期設(shè)計11個驗證兼注漿鉆孔，施工布置如圖2所示。2017年8月16日開始施工一期鉆孔，2017年9月27日施工完畢，首先在31206膠運頂頭（切眼調(diào)車硐）施工1個供電鉆孔（GD1），利用已施工的注水鉆孔（G S1），從井下供水、供電；然后對該區(qū)域施工注漿鉆孔。共計施工12個注漿鉆孔（鉆孔名：Y F1-Y F11、Y F13，圖2中顯示紅色和粉色圓點）和1個供電鉆孔。

2017年12月1日開始施二期設(shè)計的8個驗證兼注漿鉆孔（鉆孔名：YZ1-YZ8，圖2顯示藍(lán)色圓點），2017年12月10日施工完畢。

2018年3月30日開始施工三期設(shè)計的11個驗證兼注漿鉆孔（鉆孔名：BC1-BC10、BC12，圖2中顯示綠色圓點），2018年4月27日施工完畢。

圖2 鉆孔實際施工分布圖

3.4 注漿治理進度

2017年8月26日開始注漿，利用泥漿泵從緩漿池中抽取漿液，輸送管路連接地表鉆孔泵送漿液的方式進行注漿。

截至2018年5月7日完成31個注漿鉆孔及裂隙注漿治理工作，累計注漿液993 843 m3（其中注山砂234 412 m3，注水量759 431 m3）。

4 治理效果分析

注漿治理效果的檢驗手段主要是通過對注漿作業(yè)區(qū)氣體和溫度的監(jiān)測分析，因此地表可利用已施工注漿鉆孔和地表裂隙，井下可利用31206切眼附近區(qū)域施工探放水孔來檢測注漿區(qū)的氣體及溫度變化。

圖3 注漿前后地表溫度變化

4.1 地表裂隙溫度

注漿前，利用紅外熱成像儀對31206切眼上覆火區(qū)裂隙處煤巖體進行紅外掃描測溫，測得最高溫度147℃，2018年4月24日再次測定，測得最高溫度為49.2℃，溫度降低了97.8℃，說明注漿治理效果顯著。

4.2 地面鉆孔氣體情況

隨著注漿治理的持續(xù)進行，漿液堆積覆蓋的范圍越來越大，原高溫區(qū)域產(chǎn)生的高濃度CO被壓縮的空間越來越小，運移范圍也逐漸變小，且CO濃度下降明顯（圖4），說明注漿治理效果逐漸顯現(xiàn)。

圖4 鉆孔Y F9氣體變化趨勢圖

4.3 未剝離區(qū)域孔周邊一氧化碳情況

注漿區(qū)域治理前，治理區(qū)域內(nèi)煙勢較大且CO濃度嚴(yán)重超標(biāo)，隨著注漿量的不斷增加，CO濃度逐漸下降，直至穩(wěn)定在0×10-6，且注漿治理區(qū)域內(nèi)冒煙點已基本消失（見圖5）。

圖5 切眼注漿前后對比圖

4.4 井下探孔水溫及氣體情況

31206切眼4調(diào)探孔初始出水溫度35℃（見圖6），2018年2月22日出水溫度為19.9℃，較初始溫度下降了15.1℃,隨后該探孔被砂漿封堵嚴(yán)實。

圖6 31206切眼4調(diào)探孔水溫變化趨勢圖

31206回風(fēng)頂頭調(diào)車硐探孔初始出水溫度31℃，2018年4月3日出水溫度19.9℃，較初始溫度下降11.1℃，隨后該探孔被砂漿封堵（見圖7）。

圖7 31206回風(fēng)頂頭調(diào)車硐探孔水溫變化趨勢圖

以上2處探孔出水溫度均較初始溫度明顯下降，說明注漿取得一定效果。31206切眼新施工的T5鉆孔（31206切眼0-1調(diào)副幫側(cè)）從2018年3月31日開始測定出水溫度，至2018年4月13日期間水溫一直穩(wěn)定在21℃左右，2018年4月14日該探孔被砂漿封堵嚴(yán)實，該區(qū)域出水溫度雖然下降明顯，但仍高于正常水溫，說明火災(zāi)隱患暫未徹底消除。

31206膠運44聯(lián)探孔內(nèi)CO和O2濃度濃度均較注漿前明顯下降（圖8-圖9），目前CO濃度穩(wěn)定在17×10-6以下，O2濃度穩(wěn)定在0%左右；31206切眼新施工的T F6鉆孔（31206切眼3-4調(diào)副幫側(cè)）CO濃度穩(wěn)定在7×10-6以下，O2濃度穩(wěn)定在0%，2018年4月21日后該鉆孔被漿液封堵嚴(yán)實。以上2個氣體觀測點數(shù)據(jù)基本接近采空區(qū)氣體濃度，說明火災(zāi)隱患通過注漿治理已經(jīng)得到有效控制。

圖8 31206膠運44聯(lián)探孔氣體變化趨勢圖

圖9 31206切眼T F6探孔氣體變化趨勢圖

5 結(jié)論

通過對31206工作面切眼上覆小窯采空區(qū)注漿過程中氣體及溫度觀測數(shù)據(jù)分析，得出如下結(jié)論：

1）探放水鉆孔水溫由開始時的31℃逐漸降低，最終穩(wěn)定在20℃左右，說明漿液流經(jīng)小窯采空區(qū)高溫煤體時起到了降溫滅火的效果。

2）探放水孔觀測數(shù)據(jù)顯示CO濃度有明顯下降，目前穩(wěn)定在4×10-6左右，表明漿液有效封堵了小窯采空區(qū)漏風(fēng)通道，減少漏風(fēng)供氧，起到了抑制采空區(qū)遺煤氧化自燃的目的。

3）Y F9注漿鉆孔內(nèi)的一氧化碳?xì)怏w由原先的10 000×10-6降低到200×10-6左右，表明漿液有效覆蓋注漿鉆孔附近的22煤高溫煤體，抑制采空區(qū)遺煤氧化自燃，注漿滅火效果逐漸顯現(xiàn)。

4）地表平臺區(qū)域冒煙現(xiàn)象已基本消除，對比注漿前后紅外測溫數(shù)據(jù)，注漿滅火效果顯著。