露天矿硬地峁火区勘察及治理技术研究

吴 二 亮

（山西煤炭进出口集团河曲旧县露天煤矿，山西 忻州 036500）

0 引 言

煤炭是我国重要的化石能源，在国家经济发展中具有不可替代的作用，但煤炭的开采也伴随着许多负面作用，污染环境、土地沉降、矿井火灾。尤其是露天矿井在地面发生自燃现象，产生大量的有毒气体，会导致附近的村庄村民安全受到威胁[1~3]。因此，如何解决露天矿火区自燃现象具有着重要的意义。

河曲矿硬地峁火区发火煤层主要为上部各薄煤层发生自燃现象，露头煤氧化严重，热量集聚后容易引起自燃，煤层含硫量超过2.5%，煤层燃烧后产生大量含有一氧化碳和硫化物的有害气体，对附近村民的健康有着很大的负面影响。河曲矿于2011、2013、2015 年对硬地峁火区已经进行过3 次黄土覆盖处理，治理效果明显，基本控制了明火现象。但2019 年7 月区域内再次出现冒烟现象，此处紧邻3 道深沟、地形较为复杂，且周围可以用的表土较少，治理难度大，因此，针对硬地峁火区的治理迫在眉睫。

1 矿井概况

河曲矿率属于山煤集团，位于河曲县旧县乡范家梁村，井田南北长8.26 km，东西宽5.62 km，井田面积24.953 6 km2，初步设计生产能力为3.0 Mt/a，核定生产能力为8.0 Mt/a。批准开采煤层8-14#,煤种为长焰煤，批采标高为870～106 0 m，保有资源/储量264.10Mt，可采储量215.285 Mt。矿井水文地质属中等类型，井田总体为单斜构造，地质构造简单，煤层均具有自燃倾向性，煤尘具有爆炸性，属低瓦斯矿井。矿井开拓方式为：多出入沟移动坑线方式，露天开采采煤采用“单斗-卡车-胶带”半连续开采工艺，剥离采用“单斗-卡车”间断工艺。

由于硬地峁火区内存在多处已关闭的原井工开采小窑，由于小煤窑地质和开采资料缺乏，开采范围不明，火区基础资料缺乏，危害性难以评估；关闭后的小窑普遍使用以局部封闭、隔离为主的防灭火方法，未能彻底根除火源，冻结了大量的煤炭资源。自燃火区产生的高温及浓烟污染了环境，由于自燃排放的有毒有害气体引起了矿区周围居民生存环境的恶化，带来了诸多社会问题。为此，有必要探明硬地峁火区火源位置探测及火区分布范围，并根据实际情况研究符合露天生产实际的煤自燃火区综合治理方案，为山煤集团类似开采条件的矿井及全国同类矿井的安全开采提供了可靠的技术保障，具有广泛的应用前景。

图1 河曲矿硬地峁火区现状图

2 硬地峁火区勘察

为探明硬地峁火区火源点具体位置及范围，本次采用α 杯法测氡法、钻孔探测、红外测温法相结合对火区进行探测。

2.1 地面测氡法探测

2.1.1 探测原理

地面测氡法原理是利用煤岩体中存在的氡元素随着温度升高逐渐析出的变化规律，通过氡元素的浓度变化经过数据处理分析后，得到火源位置、范围。所采用的设备仪器为太原理工大学大型煤自燃及测氡试验台，邬剑明[4]利用此设备已成功研究出氡元素随着温度的升高析出率不断增加。

2.1.2 探测工艺

1）测量仪器。CD-1 α 杯测氡仪由空气脉冲电离室、电源电路、计数器、放大器、控制电路、甄别器等组成。

2）测场的选择及测点布置。根据现场实际需要选取基准点，一般选取为3 个点，垂直布置基准点，在区域内布置测点，测点采用GPS 进行定位布置，并做好编号，布置为正方形或者长方形，精度一般采取20 m×20 m，15 m×15 m，l0 m×l0 m 及 5 m×5 m。

3）探测杯埋设。设备中探测杯收集面积为12×8cm2，高吸附材料由高吸附材料制作而成，在每个测点位置挖宽30 cm、深40 cm 的小坑，杯口朝下放入，上部覆盖塑料布。

4） 现场测量。探测杯埋置4h 后取出，放入CD-lα 杯探测仪测量3 min，记录相应岩层性质读数。

5）测量数据处理。将采集得到的数据录入“测氡探火数据处理系统”（CDTH），进一步处理可以得到相应测区的等值线图以及异常等值线图，进而判断火源位置及范围。

2.1.3 探测结果及分析

将野外所测的α 杯数据应用CDTH 专用软件包进行处理可得到测值及等值线图（图2-图5），再经过综合分析，从而得出火区分布平面图：

图2 探测区测值等值线图

图3 探测区测值立体图

图4 探测区异常值等值线图

图5 探测区异常值立体图

1）在测场内探明温度异常区3 个，分别为A、B，火区面积约8 560 m2。

2）A 区为高温火区，面积约2 277 m2，发展方向为近南北方向；α 杯探测数据显示氡异常值在300～500 CPM（α 杯测氡仪显示的每分钟计数），该区内有2 个冒烟点，并布置1 个钻探孔，钻孔温度最高97℃。

3）B 区为高温火区，面积约2 004 m2，发展方向为北偏东方向；α 杯探测数据显示氡异常值在300～600 CPM（α 杯测氡仪显示的每分钟计数），该区有1个冒烟火点，温度高达58 ℃。

4）温度异常区位置、范围及发展趋势随外部供氧条件的变化而变化。

2.2 火区钻孔探测

2.2.1 钻孔布置及钻探过程

根据现场踏勘和前期火区治理情况，在火区中心范围内确定了1 个钻孔孔位，钻探孔孔径为94 mm，钻孔深度为100.5 m；钻探过程在约6.5 m 处孔口冒烟，然后对孔口的气体进行了采集并进行色谱分析和孔口测温，具体分析结果如下：

从提取的钻孔岩芯情况分析，该区域共有3 层煤，分别为 10、11、13 号煤层，其中 10、11 号为风氧化煤层，10 号煤层及上部的煤线有燃烧的痕迹，13 号煤层为完整的未被小窑破坏的煤层，且未发现燃烧的痕迹；钻探过程中未发现硫磺层和小窑采空区。

2.2.2 钻孔温度和气体检测情况

钻探过程在约6.5 m 处孔口冒烟，然后对孔口的气体进行了采集并进行色谱分析和孔口测温，具体分析结果如下：

1） 通过红外测温仪探测钻孔内温度最高为97℃，东部塌陷坑内温度为58℃，且孔口均冒烟气。

2）通过采集钻孔孔口、发火区域东部塌陷坑内气样各2 个样品进行色谱分析，CO 气体浓度最高为310×10-6，且检测到煤自然发火标志气体C2H6。

2.3 火区岩样分析

2.3.1 岩样采集

根据现场踏勘情况，发现在火区附近边坡存在大量的红色岩层，疑似岩样中含有一定的硫铁矿含量，因此在现场采集一些岩样进行XRD（X 射线衍射）和XRF（X 射线荧光光谱分析）测试。

2.3.2 岩样分析结果

1）XRD 分析结果。XRD 对材料进行衍射，分析其衍射图谱，进而获得材料组成成分（见图6）。

图6 岩样的XRD 衍射图

XRD 分析结果表明：岩样中主要成分为SiO2、Al2O3。

2）XRF 分析结果。XRF 即为X 射线荧光光谱分析。利用X 射线荧光原理，理论上可以测量元素周期表中铍以后的每一种元素。在实际应用中，有效的元素测量范围为 9 号元素（F）到 92 号元素（U），见表 1。

表1 XRF 测试结果

测试结果表明：岩石样品中主要含有SiO2、Al2O3、Fe2O3、SO3，Fe 元 素 含 量 占 41.70% 、S 元 素 占4.175%。

3 硬地峁火区治理技术

3.1 灭火方法选择

根据煤（井）田内火区的特征、范围、燃烧深度、地形条件等，可能采用的灭火方案概括起来主要有3种：①地表黄土覆盖将火区加以隔绝；②地面钻孔灌浆直接灭火；③剥离挖除在燃体，根除火源。见表2。

表2 灭火方法比较

根据河曲旧县露天煤业有限公司目前的火区分布及公司生产的接续情况，火区范围将在4～5 年后才能安排露天剥离生产，为了不影响将来露天开采布置，原则上不采用露天剥离的方式进行火区治理；根据火区探测报告，硬地峁火区为上部的10 号煤层风氧化层着火引起，钻探结果表明火区燃烧深度较浅在50 m 以内。综合分析火区特点及公司目前生产接续现状，制定了“火区内地表鱼鳞沟灌黄泥浆－火区边界边坡黄土覆盖压实－地表黄土分层覆盖碾压”的综合灭火技术方案。

3.2 火区治理方案

火区灭火总体技术方案为火区内地表鱼鳞沟灌黄泥浆－火区边界边坡黄土覆盖压实－地表黄土分层覆盖碾压，主要技术路线如图7 所示。

图7 技术路线图

1）火区内鱼鳞沟灌黄泥浆。由于在发火平台处存在较多的塌陷坑洞成为火区的漏风通道，因此在发火平台范围内采用鱼鳞沟灌浆灭火,鱼鳞沟间距5.0 m，宽度1.20 m，深度0.8 m,浆液下渗填堵裂隙通道，水土比按1∶0.5。

2）发火平台地表黄土覆盖。火区内发火平台灌黄泥浆完毕后通过施工机械将火区内地表覆盖黄土1.0 m，并按每分层0.5 m 分层覆盖碾压。

3）火区边界边坡覆土压实。在发火平台的所有边坡进行覆土并压实，覆土厚度在1.0 m 以上；沿发火平台边缘构筑截水沟，并在边坡处布置3 条排水沟，防止雨水冲刷边坡形成裂缝通道漏风。

4 火区治理效果分析

经过对火区治理方案的实施，火区治理后地表未出现冒烟、冒气的现象，并经过测氡法再次进行探测未发现明显的温度异常区。

5 结束语

针对河曲矿硬地峁火区煤层自燃等现象，进行了火区分布探测，并制定了相关火区治理方案，得到了如下结论：

1）硬地峁火区探测采用测氡法地面探测、钻孔探测、红外测温、气样分析、岩样分析等手段，探明了火区的分布范围、燃烧深度和燃烧程度：采用测氡法进行了地面火区探测，探测面积约2.4 万m2,探测测点86 个，探明火区面积8 560 m2，发现冒烟点3 处；从提取的钻孔岩芯情况分析，该区域共有3 层煤，分别为10、11、13 号煤层；通过 XRD 和 XRF 测试出岩石样品中含有的各种元素含量。

2）根据火区探测情况，综合分析火区特点，制定了综合灭火技术方案。