李偉 郭振林

（華北地質(zhì)勘查局綜合普查大隊(duì)（河北華勘地質(zhì)勘查有限公司），河北燕郊 065201）

1 路天煤礦煤矸石堆現(xiàn)狀

路天煤礦排土場(chǎng)位于一、二采區(qū)北側(cè)，該排土場(chǎng)剝離物堆積體積較大、呈不規(guī)則形，占地面積約 993161.40m2，剝離物堆積標(biāo)高1178～1332m，高差154m。排土場(chǎng)分為7級(jí)臺(tái)階，在施工至西北部第4級(jí)臺(tái)階（+1275m）時(shí)揭露高溫渣，面積約131780m2，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)溫度150℃～450℃。

圖1 排土場(chǎng)西北部

2 火區(qū)初步勘查

2.1 地形地貌特征

排土場(chǎng)地處桌子山西麓，為典型的丘陵地帶，溝谷發(fā)育一般?？傮w地勢(shì)東南高，西北低而平緩，海拔標(biāo)高1194m～1260m，最大高差66m，相對(duì)高差25m 左右。

根據(jù)地形及微地貌形態(tài)特征，將排土場(chǎng)劃分為丘陵地貌類(lèi)型。丘頂渾圓，坡面較緩，坡角一般在15～25°，一般相對(duì)高差10～30m。丘間為寬而淺的洼地，洼地內(nèi)被第四系坡殘積砂土及砂礫石覆蓋。植被發(fā)育一般，丘頂有基巖裸露。

2.2 地質(zhì)概況

圖2 排土場(chǎng)北部

（1）本區(qū)地表局部被第四系所覆蓋，大部分地區(qū)出露二疊系下統(tǒng)山西組基巖，根據(jù)鉆孔揭露及區(qū)域地層資料，礦區(qū)地層及含煤地層傾向東，傾角約15°，本區(qū)地層由老至新如下：奧陶系中統(tǒng)、石炭系上統(tǒng)太原組、二疊系下統(tǒng)山西組、第四系全新統(tǒng)。本區(qū)主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組、二疊系下統(tǒng)山西組。主要巖性為深灰色、灰色砂質(zhì)泥巖、泥巖、灰白色粗粒砂巖；灰色細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖等。

（2）本區(qū)位于拉僧仲背斜向南傾沒(méi)部分，次一級(jí)的褶曲為本區(qū)基本構(gòu)造形態(tài)，斷層也比較發(fā)育，主要構(gòu)造方向?yàn)楸北睎|向。區(qū)內(nèi)無(wú)火成巖活動(dòng)，據(jù)地質(zhì)勘探及礦區(qū)揭露的資料，影響礦區(qū)的主要構(gòu)造為公烏素背斜。

本區(qū)斷層發(fā)育，按其走向分為兩類(lèi)，一類(lèi)是北北東向，多為逆斷層，落差較大;另一類(lèi)為北東向或東西向,多為正斷層，傾角比較大，但落差不大，現(xiàn)將落差大于15m的斷層列表1。

表1 礦山主要斷層特征表

綜上所述，本區(qū)構(gòu)造以北北東向舒緩的背向斜為主體，伴有近北北向的逆斷層和東西向的正斷層，斷層數(shù)量雖多但不密集，故本區(qū)構(gòu)造復(fù)雜程度為中等類(lèi)型。

2.3 火區(qū)概況

根據(jù)路天煤礦高溫區(qū)域的地理?xiàng)l件及其特征分析，該高溫區(qū)域所在區(qū)域風(fēng)力較大，通風(fēng)條件較好，地區(qū)降水量比較少，剝離物中含煤量較高，結(jié)構(gòu)較為松散，壓實(shí)程度一般?？偠灾诽旄邷貐^(qū)域較易自燃，高溫區(qū)域范圍內(nèi)自燃點(diǎn)較多，且長(zhǎng)期自燃，高溫區(qū)域內(nèi)部燃燒情況較為復(fù)雜。

2.4 火區(qū)分布

火區(qū)勘查確定了四級(jí)和五級(jí)平臺(tái)高溫異常區(qū)域的深度及范圍，采用地溫梯度測(cè)量方法，利用鉆探工程施工鉆孔進(jìn)行孔內(nèi)測(cè)溫。以經(jīng)濟(jì)、高效為實(shí)施原則，利用最少的鉆孔確定火區(qū)范圍及深度。本次地溫梯度測(cè)量完成探溫鉆孔11 個(gè)，分別為在四級(jí)平臺(tái)布設(shè)鉆孔個(gè)5，五級(jí)平臺(tái)布設(shè)6 個(gè)，鉆孔間隔50m。確定探測(cè)孔位后，開(kāi)展鉆機(jī)鉆進(jìn)工作，并隨鉆機(jī)進(jìn)行孔內(nèi)測(cè)溫工作，測(cè)點(diǎn)間距2m，進(jìn)行測(cè)溫并記錄，對(duì)上部鉆孔進(jìn)行溫度復(fù)測(cè)，利用多次測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)確定最終溫度值。當(dāng)測(cè)定溫度低于60℃時(shí)結(jié)束該孔鉆進(jìn)并終孔。

根據(jù)探溫孔探測(cè)情況可以得出，在四級(jí)平臺(tái)高溫異常區(qū)域最深處可到1236m 標(biāo)高處，淺部可在四級(jí)平臺(tái)地表測(cè)得高溫異常，燃燒縱深最大可達(dá)32m（ZK03），如圖3 所示。從探溫孔結(jié)果推測(cè)四號(hào)平臺(tái)，高溫異常區(qū)集中在ZK03 附近，隨后沿平臺(tái)向兩邊燃燒深度逐漸減少到無(wú)高溫異常。

圖3 四號(hào)平臺(tái)熱異常推測(cè)圖

五級(jí)平臺(tái)燃燒范圍根據(jù)探溫孔觀察呈現(xiàn)非連續(xù)性分布，如圖4 所示。一部分集中在ZK08和ZK12之間，高溫異常區(qū)域最深處可到1223m 標(biāo)高，淺部在五級(jí)平臺(tái)地表可測(cè)得高溫異常，燃燒縱深最大可達(dá)20m（ZK10）；另一部分集中在ZK13東側(cè)區(qū)域。

圖4 五號(hào)平臺(tái)熱異常推測(cè)圖

3 滅火工程實(shí)施

根據(jù)路天煤礦治理規(guī)劃和現(xiàn)狀調(diào)查，確定主要滅火工程為鉆孔注漿滅火。本方案采用注漿法對(duì)著火區(qū)域滅火，注漿材料選擇要具有一定保水性又能起到隔氧降溫作用。施工采用“鉆孔注漿法”對(duì)高溫區(qū)域著火區(qū)進(jìn)行降溫滅火。其原理是先將滅火材料加水制成滅火漿液，再將滅火漿液注入高溫區(qū)域的內(nèi)部。在漿液接觸到高溫巖石后，通過(guò)水分的濕潤(rùn)帶走大量熱量。滅火漿液中的固體則包裹在煤矸石表面或充填于剝離物空隙之中，減少煤矸石與氧氣的進(jìn)一步接觸，通過(guò)降溫與隔氧兩方面的作用，來(lái)達(dá)到滅火的目的。

注漿材料選用粉煤灰配合水泥使用，可以顯著提高漿體濃度，減少管路堵塞幾率，提高注漿效率和注漿質(zhì)量。注漿孔設(shè)計(jì)深度12-34m，根據(jù)高溫區(qū)域的自燃情況，自燃部分集中在排土場(chǎng)第4 級(jí)臺(tái)階、第5級(jí)臺(tái)階。

注漿孔沿著排土場(chǎng)第4 級(jí)臺(tái)階、第5 級(jí)臺(tái)階布設(shè)2 排注漿鉆孔，孔距間隔為2m×2m，第一排注漿孔距外側(cè)邊坡2m，第二排注漿孔距外側(cè)邊坡4m，注漿孔交錯(cuò)平行布置，在施工注漿孔過(guò)程中為保證注漿滅火效果，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)鉆孔間距、深度進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)所施工鉆孔最高溫度低于60℃（濕孔溫度）時(shí)，可減少鉆孔布置。當(dāng)所施工鉆孔最高溫度高于90℃（濕孔溫度）時(shí)，應(yīng)判斷單孔注漿量是否充足，注漿孔偏離火源距離加大單孔注漿量，需在高溫鉆孔周邊加密鉆孔（鉆孔間距1m×1m），利用加密鉆孔進(jìn)行注漿降溫滅火，達(dá)到徹底治理火區(qū)的目的。

注漿鉆孔套管直徑150mm，注漿套管直徑108mm，套管為普通焊接鋼管，注漿膠管規(guī)格為直徑89mm，根據(jù)排土場(chǎng)地表巖土體松散度結(jié)合路天排土場(chǎng)治理實(shí)際情況，在滿(mǎn)足注漿效果及安全的前提下，當(dāng)所下注漿套管長(zhǎng)度為2.5m 左右時(shí)，在注漿降溫滅火過(guò)程中，可以滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)需求。鉆孔封孔要嚴(yán)密，鉆孔與輸漿管路的連接要牢固，并能承受最大的注漿壓力。

（1）注漿漿料配比及流變參數(shù)

主要原料有水、粉煤灰、水泥。

選取水源附近平坦地勢(shì)挖出兩個(gè)長(zhǎng)5 米，寬2米，深1.5米，總體積為15m3坑，坑內(nèi)安裝相同大小的鋼板立方體，且鋼板立方體接縫嚴(yán)密，不漏水。通過(guò)地泵對(duì)水泥進(jìn)行稱(chēng)重，取1t 水泥、4t 粉煤灰倒入鋼板立方體內(nèi)，通過(guò)流量計(jì)放入7.5t 水，得到水泥、粉煤灰、水配比2:8:15，水固比為1.5:1。通過(guò)NB-1型泥漿比重計(jì)測(cè)取漿液比重、漿液粘度，進(jìn)行記錄，進(jìn)行注漿試驗(yàn)，在相同壓力下，監(jiān)測(cè)注漿量以及監(jiān)測(cè)孔溫度變化，對(duì)漿液配比進(jìn)行調(diào)整，在施工過(guò)程中，選取注漿量大且效果最好的配比進(jìn)行注漿，從而確定最佳配比。通過(guò)實(shí)踐可知水泥、粉煤灰、水配比2:8:15，水固比1.5:1，漿液比重1.35g/cm3，漿液粘度25。在路天煤礦煤矸石堆中注漿滅火效果最好。

（2）成孔工藝及技術(shù)要求

平整場(chǎng)地后鉆機(jī)嚴(yán)格按測(cè)量所放孔位打孔，由于條件限制，必須經(jīng)礦方同意后方可移孔。取得注漿孔施工通知書(shū)后方可開(kāi)鉆，所有鉆孔開(kāi)孔口徑不得小于150mm，施工至指定深度后，經(jīng)驗(yàn)收合格后，準(zhǔn)備下一步工作，以滿(mǎn)足注漿的需要。

注漿孔不取芯但應(yīng)做好鉆探原始記錄，包括進(jìn)尺、鉆進(jìn)日期、時(shí)間、機(jī)長(zhǎng)及技術(shù)員簽字、孔內(nèi)地層情況。施工中要記錄好著火層位深度、火情等。由于排土場(chǎng)堆積物為松散層，要防止孔內(nèi)坍塌、卡鉆事故的發(fā)生。

（3）注漿工藝

根據(jù)鉆孔勘查火情分析，做出注漿情況的初步判斷。若某一濃度漿液的注入量已達(dá)設(shè)計(jì)量的20%以上，而注漿壓力和單位吸漿量無(wú)明顯變化時(shí)，應(yīng)調(diào)濃一級(jí)或兩級(jí)灌注，在注漿后期泵壓逐漸升高或吸漿量逐漸減小的情況下，不應(yīng)改變其水固比。

當(dāng)注漿量過(guò)大時(shí)，采用間歇式注漿。單孔設(shè)計(jì)注漿壓力應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)灌注試驗(yàn)確定，控制在1.0～2.0MPa 左右，在單孔注漿末期，泵壓達(dá)到3.0MPa 時(shí)，可結(jié)束該孔的注漿施工，當(dāng)擴(kuò)散半徑不足1.0m時(shí)，應(yīng)當(dāng)增加注漿壓力。如果當(dāng)注入一定漿量，若出現(xiàn)地表裂隙大量跑漿時(shí)，也可結(jié)束該孔的注漿施工。

（4）高溫區(qū)域孔隙體積和注漿量

根據(jù)路天煤礦情況，運(yùn)用鉤機(jī)挖出自然堆積煤矸石石堆，挖出的坑盡量為規(guī)則的長(zhǎng)方體或正方體，丈量出挖出坑的長(zhǎng)5m，寬2m，高1m，得出體積10m3。挖出煤矸石進(jìn)行地泵稱(chēng)重14.45t，查出煤矸石密度經(jīng)驗(yàn)值1.7g/cm3左右，用煤矸石質(zhì)量比上其密度，得出煤矸石密實(shí)體積8.5m3，挖出的體積減去密實(shí)體積，得出孔隙體積1.5m3，從而估算孔隙率約為15%，注漿孔間距為2m，每個(gè)注漿孔控制面積為3.14m2，鉆孔平均深度為22m，控制面積空隙充填率為70%，每個(gè)鉆孔注漿量為7.25m3（注漿量的確定最終以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際為準(zhǔn)）。

4 滅火效果監(jiān)測(cè)

火區(qū)監(jiān)測(cè)應(yīng)同時(shí)采取溫度法、氣體分析法。

地表溫度進(jìn)行測(cè)量可知小于45℃著火征狀消失。監(jiān)測(cè)孔孔內(nèi)溫度呈持續(xù)下降趨勢(shì)，全孔最高溫度小于100℃，且大部分監(jiān)測(cè)孔最高溫度穩(wěn)定在70℃以下。

監(jiān)測(cè)孔內(nèi)一氧化碳濃度持續(xù)下降，孔內(nèi)最高值小于500ppm 且大部分監(jiān)測(cè)孔溫度未檢出。

5 實(shí)踐中的認(rèn)識(shí)

（1）煤矸石堆周?chē)膮^(qū)域地質(zhì)背景，對(duì)認(rèn)識(shí)煤矸石有著重要的作用，可以根據(jù)其所處地質(zhì)背景，認(rèn)識(shí)其成因類(lèi)型、成分以及燃燒機(jī)理等特征。

（2）煤矸石堆火區(qū)勘查非常重要，可以指導(dǎo)我們精確的把握住火源位置，火勢(shì)情況，從而針對(duì)不同深度的火源以及不同強(qiáng)度的火源，采取相應(yīng)的滅火方式。

（3）注漿滅火法，主要是隔絕氧氣通道，注漿量是注漿滅火的關(guān)鍵，影響注漿量的因素有很多:①煤矸石堆放的方式?？梢愿淖兌褕?chǎng)的孔隙度，不同的堆放方式，使得不同粒度的煤矸石堆放存在著差異，使堆場(chǎng)孔隙度不均一性加大。②漿液的配比。對(duì)孔隙的充填存在差異性，漿液比重大，粘度大，可以充填較大的孔隙，漿液比重減小，粘度小，增加了漿液的流動(dòng)性，可以增大擴(kuò)散半徑，生產(chǎn)中應(yīng)選取能充填更大孔隙，且擴(kuò)散半徑要大，選取兩者最佳的配比。③注漿的方式選擇。自然注漿、壓力注漿。應(yīng)根據(jù)鉆孔孔口壓力監(jiān)測(cè)確定壓力大小注漿。

（4）煤矸石滅火生產(chǎn)實(shí)踐中，存在著一定的差異性，不同的煤矸石堆渣，有不同的堆放特征以及火區(qū)特征，條件不同，注漿滅火的方式不同。滅火方法以及注漿量的把控，應(yīng)根據(jù)具體特征具體調(diào)整。