大同矿区典型小窑隐蔽火源探测与治理关键技术_李树静.pdf

第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 大同矿区典型小窑隐蔽火源探测与治理 关键技术 李树静 1， 韦昌新1， 高 明 1， 于贵生2， 3， 郭江明1 （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） 摘要 大同矿区东南部井田受小窑无序开采严重破坏， 小窑火分布广泛， 成为威胁矿井安全生 产的主要因素， 在坚持 “先探测后治理” 的原则基础上， 通过采取地面钻探法与井下钻探法相结 合的探测方式， 初步圈定了小窑隐蔽火范围， 为后续开展针对性治理措施奠定基础， 同时结合矿 井生产技术条件的实际情况， 进一步采取区域隔离与均压技术手段， 治理区域内观测钻孔内 CO 气体浓度降至 2010-6， 温度降至 25 ℃以下， 有效地控制下部煤层小窑火对本煤层工作面的严重 干扰， 保证矿井安全生产的顺利进行。 关键词 小窑火； 隐蔽火源； 火源探测； 火区治理； 区域隔离 中图分类号 TD752.2文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 08-0087-03 Key Technologies of Detection and Control of Hidden Fire Sources in Typical Small Kilns in Datong Mining Area LI Shujing1, WEI Changxin1, GAO Ming1, YU Guisheng2,3, GUO Jiangming1 （1.Shanxi Shuozhou Shanyin Zhongmei Shuntong Xin’ an Coal Industry Co., Ltd., Shuozhou 036900, China; 2.China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute, Shenyang 110016, China; 3.State Key Laboratory of Coal Safety Technology, Fushun 113122, China） Abstract In the southeastern part of Datong Mining Area, the minefield is seriously damaged by the disorderly mining of small kilns, and the distribution of small kiln fires is wide spread, which has become the main factor threatening the safety of mine production. On the basis of adhering to the principle of“first detection and then governance” , the concealed fire scope of small kilns is preliminarily delineated by adopting the detection combining surface drilling with underground drilling. In order to lay a foundation for the follow-up targeted control measures, and in combination with the actual conditions of mine production technology, after further adopting regional isolation and pressure equalization techniques, the concentration of CO gas in the borehole was observed to drop to 20 ppm, and the temperature was below 25 ℃, effectively controlling the serious situation of the small kiln fire in the lower coal seam on the coal seam working face. The interference ensures the smooth progress of mine safety production. Key words small kiln fire; concealed fire source; fire source detection; fire area governance; regional isolation 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 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.08.017 李树静， 韦昌新， 高明， 等. 大同矿区典型小窑隐蔽火源探测与治理关键技术 ［J］ .煤矿安 全， 2020， 51 （8 ） 87-89， 95. LI Shujing, WEI Changxin, GAO Ming, et al. Key Technologies of Detection and Control of Hidden Fire Sources in Typical Small Kilns in Datong Mining Area［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （8） 87-89, 95.移动扫码阅读 基金项目辽宁省科学技术计划社发攻关及产业化指导计划资 助项目 （2019JH8/10300099） 87 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 方法分析 钻探法 可靠度较高， 受外部影响较小， 但工程量较大， 费时、 费力、 成本昂贵， 性价比相对较低。 物探法 物探法在火区探测方面尚属于探索性研究， 其 中 磁法效率高、 成本低、 效果好、 尤其是航空磁测 在短期内能进行大面积测量，但应用条件要求高； 高密度电法具有测点密度大、 信息量大、 分辩率高、 工作效率高等优点， 同时存在测线铺设受地形影响 较大， 要求接地条件较高等不足。 同位素测氡法 简单易行， 几乎不受地形影响， 探测深度可达 500～800 m， 探测精度较高， 操作简便， 但易受岩石 裂隙漏风影响， 现场探测工作量较大。 遥感法 可快速进行煤田火区勘查、 实现煤火的早期预 报， 但存在成本高、 操作复杂等缺点。 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 1Application effect analysis of fire detection technology and equipment in coal mine fire prevention and control 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 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。 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 表 2井下探测钻孔施工参数 Table 2Borehole construction parameters for underground exploration 序号开口位置 方位 / （ ） 倾角 / （ ） 孔深 /m 备注 1 2 3 4 5 巷道断面中间， 距底 板 1 m 巷道左帮， 前距断面 5 m， 距底板 1 m 巷道左帮， 前距断面 6 m， 距底板 1 m 巷道右帮， 前距断面 5 m， 距底板 1 m 巷道右帮， 前距断面 6 m， 距底板 1 m 180 150 90 210 270 3～5 3～5 3～5 3～6 3～6 55 60 40 60 40 不下套管， 终 孔位于本层。 不下套管， 终 孔位于本层。 不下套管， 终 孔位于本层。 不下套管， 终 孔位于本层。 不下套管， 终 孔位于本层。 88 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 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。 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 2010-6， 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 2410-6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。 4结语 地面钻探法与井下钻探法相结合的探测方式在 大同矿区东南井田典型小窑隐蔽火源的应用上效果 较为理想，对于其它矿区隐蔽火源探测具有相当的 借鉴意义； SWS-1 型无机固化速凝充填材料在大同 矿区东南井田小窑严重破坏区的充填隔离应用取得 成功， 其大规模推广与应用， 可为小窑隐蔽火的治理 提供一种新的思路。 参考文献 ［1］ 王德明.矿井火灾学 ［M］ .徐州 中国矿业大学出版社， 2008. ［2］ 何仲秋.煤田钻探施工现场安全检查探讨 ［J］ .煤矿安 全， 2010， 41 （7） 31-33. ［3］ 李文， 牟义， 邱浩.煤矿含水异常体矿井综合物探方法 及应用 ［J］ .煤矿安全， 2017， 48 （7） 214-217. 图 1地面探火孔相对位置示意图 Fig.1Diagram of relative position of ground fire detection holes （下转第 95 页） 89 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 ［4］ 魏树群.测氡法圈定火区范围的前景初探 ［J］ .煤田地 质与勘探， 1992， 20 （1） 11-12. ［5］ 张建民， 管海晏， A Rose ma.煤田火区遥感四层空间 探测方法 ［J］ .国土资源遥感， 2004， 16 （4） 67-68. ［6］ 王省身.矿井灾害防治理论与技术 ［M］ .徐州 中国矿 业学院出版社， 1986. ［7］ 牛会永， 周心权， 张辛亥.煤炭自燃防灭火技术的组织 与管理 ［J］ .矿业安全与环保， 2008， 35 （4） 80-82. ［8］ 王刚.新型高分子凝胶防灭火材料在煤矿火灾防治中 的应用 ［J］ .煤矿安全， 2014， 45 （2） 228-229. ［9］ 任显财， 吕英华.补连塔煤矿采空区地面注浆优化设 计 ［J］ .煤矿安全， 2013， 44 （9） 205-206. ［10］ 耿献文， 林东才.采用均压通风防治自燃火灾的实践 ［J］ .煤矿安全， 2017， 48 （8） 20-22. 作者简介 李树静 （1981） ， 黑龙江齐齐哈尔人， 工程 师， 硕士， 2016 年毕业于辽宁工程技术大学， 主要从事矿井 通风安全管理等方面的工作。 （收稿日期 2019-08-30； 责任编辑 陈洋） （上接第 89 页） 作者简介 孟祥帅 （1995） ， 安徽宿州人， 安徽理工大 学在读硕士研究生， 2018 年本科毕业于辽宁工程技术大 学， 研究方向为水文地质与工程地质。 （收稿日期 020-03-12； 责任编辑 朱蕾） 术 ［J］ .煤矿安全， 2018， 49 （11） 80-83. ［20］ 陈金宇.大采高孤岛工作面顶板裂隙破碎带超前深 孔复合预注浆控制技术研究 ［J］ .中国矿业， 2019， 28 （12） 150-154. ［21］ 汪隆靖， 孙建， 吴俊.远距离输送地面注浆技术应用 ［J］ .煤炭与化工， 2019， 42 （1） 12-15. ［22］ 刘泉声， 卢超波， 卢海峰， 等.断层破碎带深部区域地 表预注浆加固应用与分析 ［J］ .岩石力学与工程学 报， 2013， 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