平朔东露天矿不同特性火区的针对性治理方法研究

张小翌 王德明 杨雪花

(1.中国矿业大学安全工程学院，江苏省徐州市，221116；2.中国矿业大学信息与控制工程学院，江苏省徐州市，221116)

露天矿小窑采空区火灾对露天矿的安全生产造成严重的威胁，小窑是引发煤火的罪魁祸首。大部分露天矿煤层自然火灾都是由于小窑乱采乱挖造成的。露天矿小窑火区是煤火的一种特殊表现形式，是露天矿生产过程中主要灾害之一，小窑采空区自然火灾发生、发展速度快，分布范围广，产生的高温和有毒有害气体不但对露天矿的设备、人员、工作环境、煤炭资源造成威胁，还影响露天矿开采过程中的重要生产环节——爆破，从而制约露天矿生产进度，甚至酿成重大灾害事故。本文以平朔东露天矿为研究背景，针对东露天矿不同特性火区提出了切实可行的治理方案，并取得了显著的效果。

1 煤矿概况

平朔矿区东露天矿位于宁武煤田北端，矿区南北长6.53～10.3 km，东西宽4.42～5.47 km，面积48.73 km2，地质储量18.49亿t，共有三层煤，均属易自燃煤层，煤层瓦斯含量较少。东露天矿主要可采煤层厚度大，煤层埋藏较浅，因此，矿区内生产矿井和小窑较多。目前，东露天矿推进位置有沟底新井煤矿、砖井煤矿和小西窑矿3个煤矿采空区。由于小煤窑开采管理不严格，开采过程中形成大量氧化区域，再加上开采结束后未及时封闭处理采空区及废弃巷道，造成了煤层内部大量漏风，为煤层自燃提供了供氧条件。随着东露天矿开采工作的不断进行，表土层不断被剥离，小煤窑采空区漏风不断增多，使煤层进入快速氧化阶段，因此在开采区域内迅速出现大范围火区，影响东露天矿正常爆破和生产，必须采取有效措施全力以赴对其进行治理。

2 火区位置确定

东露天矿4#煤层火区面积大，由于火区大部分都不是明火，而是在煤层下部隐蔽位置，因此确定火区位置，并采取针对性的措施就显得尤为重要。根据东露天矿火区特性和生产工艺，决定采用打钻孔的方法确定火区位置，为了更好地找到高温采空区，每隔32 m施工探测钻孔，探测钻孔要求打到煤层底板或打穿采空区。煤层火区钻孔即按照爆破钻孔设计。这样既节约了成本又提高了工作效率。布置方式如图1所示，钻孔参数如表1所示。

表1 火区钻孔参数

图1 火区钻孔布置示意图

在实际钻孔布置过程中，可根据高温火区和已探测采空区和巷道情况进行重新调整，对于已经发现的煤火可针对火区情况设计专用灭火钻孔，对煤火较严重的火区则施工加密钻孔，同时专用灭火钻孔可作为爆破钻孔使用，避免浪费。通过原有的爆破孔和现打的探测孔可以初步判定火区的位置，并总结为3种典型的火区类型，分别为不可见岩层空洞火区、可见明火巷道空洞火区和高温虚量钻孔。

3 不同特性火区针对性治理

3.1 不可见岩层空洞火区治理

不可见岩层空洞火区是其下部或周围煤体燃烧所产生的高温烟气通过裂隙通道扩散，长期烘烤空洞内岩体而形成，而真正的火源点并不在空洞内部，对岩层高温打穿钻孔治理应以充填降温为主，在阻止高温烟气通过钻孔冒出的同时，使钻孔周围岩层温度降低，因此岩层高温打穿钻孔治理主要采取阻断淹没法，对于超大空间立体火区，则需要采用大流量灌注高倍数阻化泡沫的方法，同时在对火区治理具体实施过程中，应采用先处理低位火源后处理高位火源的治理思路，对高温采空区巷道进行有序治理，具体火区治理步骤如下：

(1)火区监测与封孔。高温钻孔出现时，第一时间对钻孔进行测温，了解火区情况，随后及时用装有钻屑的编织袋或封孔器对钻孔进行封堵。

(2)注浆。火区治理时，以注浆方式预先处理下部低位高温区域，快速降低高温岩层采空区底部高温，减弱后期处理高位高温区域时高温对三相泡沫的破坏。浆液的土水比为1∶2～1∶5，注浆时间6～8 h，流量为15～30 m3/h。

(3) 注三相泡沫或高倍数阻化泡沫。当岩层空洞内下部低位高温区域基本消除后，以注三相泡沫或高倍数阻化泡沫的方式处理高位高温区域，充分发挥泡沫处理高位火源的特性，对整个采空区进行灭火降温。

东露天矿不可见空洞火区空洞体积较大，在对其进行治理时，注水、注浆技术难以对空洞进行填充，为了减少三相泡沫的使用量，可利用骨料对空洞进行充填。骨料填充前需在现火区范围内补打钻孔，划定空洞的范围，补打的钻孔选择采用三花眼布置方式，孔间距随空洞高度而定，随后，利用骨料进行充填。施工过程中，在孔口安装漏斗状注料机，用前式装载机将骨料送到注料机漏斗中，启动注料机，将骨料源源不断地输送到采空区钻孔中，并实时观测钻孔深度，防止出现堵孔现象，骨料充填完成后，向孔内灌注一定量的泥浆，使钻孔底部封堵严密，并保留足够钻孔深度以满足爆破需要。骨料充填示意图见图2。

图2 骨料充填示意图

岩层高温打穿钻孔的治理要坚持“快速治理、快速爆破”的思路。因为通过钻孔灌注的泡沫难以直接作用到火源，因此泡沫有效降温时间只能持续数个小时，待泡沫破裂后，高温烟气窜入空洞，会出现温度反弹现象，因此，岩层高温打穿钻孔内的温度降低到爆破范围以内时要尽快实施爆破。

最后，与同学、老师和家人等进行交流沟通也是行之有效的调节方式。语言学习充满了目的语和母语之间的负迁移，大量的记忆任务不可避免地会带来学习者心理上的压力、疑惑和挫折。部分被试（27.3%）提出与他人的交流和倾诉是有效的压力排解方式，而教师是最常选择的交流对象。

3.2 可见明火巷道空洞火区治理

明火巷道是空洞火区的另一种表现形式，是指原小窑煤层巷道受露天矿开采平盘剥离的影响而揭露出来，原处于贫氧阴燃状态的煤体，自揭露后新鲜风流涌入而迅速进入快速氧化阶段而发生自然着火现象，因巷道口位置供氧条件更为充足，火势更加迅猛，明火位置多位于平盘坡面，并且随着平盘推进，火势逐渐向内部延伸。由于巷道之间相互贯通，明火巷道火区影响范围很大，为治理增加了难度。

明火巷道治理主要采用区域隔离法，并辅助以覆盖挖除的措施。治理时应遵循封堵巷道口和隔离巷道的思路，具体实施步骤如下：

(1)用高压水枪将平盘边坡巷道口处的明火扑灭，然后用黄土将巷道口完全封堵，一方面可以减少向巷道内的漏风，另一方面可以保证灌注三相泡沫时泡沫不从巷道口流失。

(2)在巷道上方施工灭火钻孔探测巷道走向，然后采用巷道隔断技术将巷道分割成较小空间。

(3)通过钻孔向巷道内大流量灌注空气介质三相泡沫或者高倍数阻化泡沫，充分发挥泡沫的堆积性和稳定性，将整条巷道的明火扑灭。

(4)扑灭后的煤层巷道应尽快爆破挖除，防止复燃。

通过钻孔由上向下灌注泡沫时，泡沫由于自重总是先沿着巷道底板流动，遇到阻隔时才会由上向下堆积。然而煤层中的遗留巷道四通八达、相互连通，通过钻孔灌注的三相泡沫存在流动自由面，很可能会流入其他巷道，难以堆积起来。因此，为了保证泡沫能够良好地堆积，必须采取巷道隔断技术，将巷道分隔成相对较小的空间，使得泡沫能够更好堆积。巷道隔断技术如图3所示，沿着巷道走向向内30～50 m的距离布置一排钻孔，钻孔间距2 m，然后向钻孔里面填黄土，让黄土在巷道下部逐渐堆积起来，直至把巷道隔断成几个治理区间，然后再通过泡沫灌注钻孔向各个区间大流量灌注三相泡沫，这样可以保障三相泡沫更好地发挥其在空间内的堆积性，巷道火区的治理效果更加明显。

图3 巷道隔断技术示意图

3.3 高温虚量钻孔治理

3.3.1 多阶段降温法

因钻孔内壁裂隙发育，高温延期可通过钻孔上、中、下部不同位置窜出，注水与注浆措施只能对钻孔下部进行封堵裂隙降温，而对上部与中部高温的治理起不到实质性的作用，为对钻孔上、中、下部进行全方位降温，需采用多阶段降温法，如图4所示，具体工艺流程如下：

(1)用铠装热电偶温度检测仪，检测出整个钻孔深度区间的温度情况，准确判断高温烟气流窜裂隙通道。

(2)采用注水措施对钻孔进行预降温处理，然后对孔底裂隙进行堵漏，即直接大量注浆将孔深由20 m填至15 m(保留爆破深度)，阻止高温烟气从孔底裂隙冒出。

(3)钻孔底部高温治理完成后，根据温度对钻孔中、上部高温烟气流窜通道的判断，在其下部30 cm位置放置空气间隔器，采用注水与注浆措施对空气间隔器上部高温进行治理，浆液要求黄土颗粒粒径不大于3 mm，浆液土水比控制在1∶3～1∶7。

(4)治理完成后用钎杆将间隔器捅开，对钻孔快速充填炸药进行爆破。

图4 钻孔多阶段降温法示意图

3.3.2 隔离带降温法

针对高温虚量钻孔的治理，有时为严格保证爆破钻孔深度及正常爆破进度要求，需对高温虚量钻孔进行保护降温，此时需采用隔离带降温法对其进行灭火降温治理。

工艺实施流程：在被保护降温的高温虚量钻孔1 m位置补打3个钻孔，其钻孔深度尽量比中心钻孔要深一些，随后，对这些隔离用钻孔采用注水、注浆措施进行灭火降温处理，以形成低温隔离带，同时封堵住了高温烟气向中心孔扩散的通道。随后，对中心孔进行注水快速降温，达到爆破要求后迅速充填炸药进行爆破剥离。隔离带降温法剖面示意图见图5。

图5 隔离带降温法剖面示意图

4 治理效果

上述3种露天矿特性火区是露天矿火区最具代表性的三类，也是平朔东露天矿火区治理的关键。对不可见岩层空洞火区治理，通过灌注三相泡沫，使空洞区域完全被三相泡沫充满，钻孔温度均在40℃以下，完全符合矿方的爆破要求并成功爆破；对可见明火巷道空洞火区治理，向明火巷道内大流量灌注三相泡沫或者高倍数阻化泡沫，并结合巷道隔断技术，能充分发挥泡沫流量大、堆积性强的特点，经过治理后明火消失，巷道恢复正常；对高温虚量钻孔治理，通过多阶段降温法和隔离带降温法治理高温虚量钻孔，能有效对虚量钻孔内的孔隙和裂隙进行封堵，阻止高温烟气从钻孔内冒出，同时可以对钻孔进行有效降温，从而保证平盘安全爆破剥离。为深入了解东露天矿火区温度演化规律，探索露天矿小窑采空区火区发展特点，在治理前期、后期分别对火区范围内钻孔温度进行了实地测量，以期利用温度数据考察火区治理效果。根据测量的钻孔温度数据，基本掌握了治理区域内部火区的分布情况，利用matlab软件绘制了该区域的温度分布图，如图6所示。矿区整体温度变化表明，经过对火区的治理，在治理区域内基本上没有高温区域，东露天矿火区整体形势得到了很大的改善。

图6 治理前后火区温度分布图

5 结论

(1)针对东露天矿煤火的治理，确定采用以注水、注浆、注三相泡沫技术为主，以覆盖、挖除、爆破为辅的火区治理技术手段，即通过现场钻孔实测温度，划分出需要治理的区域，同时结合钻孔类型和高温火源点分布位置，对火区类型进行合理归类，针对不同类型的火区，采用特定的治理措施对火区进行治理，治理结束后对火区进行爆破剥离。

(2)针对东露天矿煤火的治理，不同火情采用不同的防灭火技术措施。不可见空洞火区采用注水、注浆、注三相泡沫配合骨料充填的方法进行治理；可见明火巷道空洞火区的治理采用喷射高压水、黄土覆盖封堵端头、注水、注浆、注三相泡沫方法；高温虚量钻孔采用注水的技术手段，以多阶段降温法和隔离带降温法进行治理。

(3)通过制定综合防灭火方案，平朔东露天矿火区得到了明显改善，在治理过程中，火区温度持续下降，有害气体浓度持续减小，表明火区在短时间内得到了非常好的治理效果，从而有效保证了东露天矿的正常生产过程，保证了生产设备的安全和工人的身心健康。