浅埋煤层采空区上覆火区综合探测研究_陈圣贺.pdf

第1期浅埋煤层采空区上覆火区综合探测研究陈圣贺（国家能源集团乌海能源有限责任公司公乌素煤矿，内蒙古 乌海016000）摘要：以国家能源集团乌海能源有限责任公司公乌素煤矿南采区为研究对象，结合磁法与测氡法，在已知火区试验工作的基础上，对南采区井筒周围及露头区指定区域进行了双重探查，利用火区磁性异常变化特征及氡气浓度差异原理，经过采集数据并进行资料分析对比，解释划定了南采区井筒周边及露头区正常区、增温燃烧区、降温燃烧区或熄灭区范围，为下一步火区治理工作提供了基础依据，对有针对性地实施灭火工程具有重要的指导意义。关键词：浅埋煤层；火区探测；磁法；测氡法中图分类号：TD75文献标识码：B文章编号：2096-7691（2023）01-023-04作者简介：陈圣贺（1989），男，工程师，现任职于国家能源集团乌海能源有限责任公司公乌素煤矿，主要从事采掘技术管理工作。Tel：15048339396，E-mail：引用格式：陈圣贺.浅埋煤层采空区上覆火区综合探测研究 J.能源科技，2023，21（1）：23-26，31.0引言煤田火区不仅会导致煤炭资源大量浪费，带来无法估量的经济损失1-3，与此同时，火区下煤层地质条件不断发生变化，对于近距离煤层群开采且受复杂灾变地质体影响条件下，覆岩受多次采动影响，裂隙发育严重，多重采空区之间相互沟通，甚至井下采空区与地表之间直接沟通，形成了复杂的漏风4-7现象，上覆灾变地质体（老窑火、煤田火）未得到有效治理的情况下，灾变体内有毒有害气体通过沟通裂隙涌入下部煤层开采工作面，使火区影响范围进一步扩大8-9。目前，我国煤田火区探测的主要方法是磁法和测氡法，是相对成熟的技术手段，在实际应用中取得了很好的实践经验和探测效果10-12。公乌素煤矿于1989年建成投产，2010年核定生产能力270 Mt/a，采用斜井开拓、单水平上下山开采，划分为01（北采区）、02采区（南采区）。矿井主采煤层为7 号、9 号、12 号及16 号，9 号、12 号及16 号煤层赋存稳定，7 号煤层是局部可采煤层，只在南采区开采，煤层倾角介于1225，矿井目前仅开采16 号煤层。现阶段，公乌素煤矿南采区井筒附近9 号、12 号煤层存在火区。9 号煤层进、回风斜井自井口向下已剥离150 m，但火区及火点位置未完全剥离，存在继续向周边蔓延的可能。因此，公乌素煤矿南采区地面物探工作采用地面磁法和测氡法，对南采区井筒周围及露头区指定区域进行探查，为南采区火区及类似火区治理工作提供参考。1工程概况1.1施工范围及工作量探测区域（A区）范围北至F12断层、东至020901回风顺槽、南至井田边界、西至剥离坑边界，探测面积0.3 km2。1.2探测区域基本情况本次物探测区位于南采区，南采区主要开采7号、9 号、12 号、16 号煤层，煤层倾角1225，埋深0210 m，南采区各煤层特征及关系如图1所示。24 m7 号煤层（2.2 m）52 m40 m9 号煤层（3.0 m）12 号煤层（1.0 m）16 号煤层（8.5 m）图1南采区各煤层特征及关系南采区靠露头区域小窑开采9 号、12 号煤层，目第21卷 第1期Vol.21No.12023年2月Feb.2023第1期前公乌素煤矿9 号、12 号煤层回采区域已远离露头区。12 号煤层1201工作面回风顺槽南北横穿整个采区，控制了巷道以东区域无 12 号煤层小窑开采，021601 工作面对应上方无 12 号煤层小窑采空区。021601 工作面对应上覆 7 号、9 号煤层大部分为0701、0901工作面，西侧露头曾有小窑开采7 号、9 号煤层，露头区小窑老空区有着火现象。1.3具体任务与技术要求重点探测7 号、9 号、12 号煤层火区分布情况，利用磁性及氡气差异综合分析，圈定火区范围，如图2所示。北坑底位置坑顶位置B区区021601工作面020901工作面020902工作面020902工作面020901工作面A区区1678543副斜井进风斜井回风斜井29 号煤层巷道16 号煤层巷道9 号煤层底板等高线测区范围1 000F117083 H=015 mF127083 H=025 mXF175 H=032 mDF1070 H=039 mF4170 H=020 m1 2001 1601 1801 1401 1201 1001 0801 0601 0401 0201 0009809601 1601 1801 1401 1201 1001 0801 0601 0401 0201 0001 2001 1601 1801 1401 1201 1001 0801 0601 0401 0201 000980960940920兴达公司04坑图2测区相对位置2试验工作及测网布置2.1试验工作2.1.1磁法试验本次选择在29 线109134 号点（26 个点）区段（断崖边）进行磁法测量，初步了解煤火区磁异常特征，如图3所示。通过地面磁测结果显示，在已知煤火区地段（109116 号点）磁异常呈现平缓变化的正磁场特征，主异常位于该线北段125132 号点，异常幅值高、梯度陡，131 号点处为最大值，峰值达191.29 nT。2.1.2测氡法试验与磁法试验同一区域进行土壤氡测量，如图3所示。该地段出现明显氡异常增高，在110116 号点连续7个测点存在明显氡异常富集，在112 号点处氡浓度值近5 000 Bg/m3。根据野外实地观察，测点处地面出露为细砂土，西侧为断崖，从野外断面观察，下方为肉红色、浅黄色中粒砂岩与煤呈频繁互层特征，水平层理。在该测点对应下方深度约 40 m 处为已知煤火区。2.1.3磁测与测氡对比分析在29 线125132 号点处出现明显磁异常，对应氡值正常区域，分析该地段煤火已经熄灭，烧变岩有较强的热剩磁，形成磁异常。在110116 号点处出现明显氡气异常，磁场特征表现为正常场，表明该地段火区可能正处于发展阶段，煤火温度处于增高阶段。2.2测网布置与工作量本次勘探成果比例尺为1 2 000。磁法和测氡法测网重合，测网密度为10 m10 m，测线44 条，各布设坐标点3 465 个。另外，按照相关技术规程要求，均布设不少于坐标点数 3%的重复质量检查点。设计磁法、测氡面积为0.3 km2，磁法、测氡实际控制面积为0.286 km2。受剥采坑陡坎影响，出于安全考虑，在实际施工中有少量测点因人员设备无法到达而舍弃（弃点）。部分测点给予了适当合理偏移，偏移距离一般不大于点距的50%，并记录偏移距离、方位等。3资料解释3.1磁法资料解释本次磁法勘探成果是磁测T平面异常图、磁测T剖面平面图，如图4、图5所示。测区内正磁异常和负磁异常交替，其中负磁异常区多为连通区域。测区北部和中部区域存在正磁异常区域。磁异常主体呈北向东走向。3.1.1测区北部从图4和图5可以看出，北部西侧南采区井筒周围4357 线磁异常明显，其中井口附近异常呈现剧烈变化的正负磁场特征，根据实地观察，推测为附近厂房、铁轨、铁管等铁磁性干扰物引起；井筒南侧出陈圣贺：浅埋煤层采空区上覆火区综合探测研究（a）L29 线地面磁测T曲线TL29 线点号T（nT）250200150100500-50-100109110111112113114115116117118119120121122123124125126127128129130131132133134L29 线点号氡浓度值6 0005 0004 0003 0002 0001 0000Rn（Bg/cm3）高温区低温区109110111112113114115116117118119120121122123124125126127128129130131132133134（b）L29 线氨浓度值曲线图3试验区段磁测T曲线、土壤氡气测量浓度曲线24第1期现2 个较强正磁异常区，幅值较强，异常形态为不规则状，介于 5061 线 150167 号点和 3949 线154168 号点，分别编号为磁异常S1和S2，S1面积约8 000 m2，S2面积约5 300 m2。北部东侧9 号煤层井筒剥离坑段为平稳变化的正磁场特征，分布范围大，局部地段出现强磁异常，测量时可观察到9 号煤层明火，该异常编号为S3，面积约19 100 m2。S1和S2所处地段位于9 号煤层露头区外，推断为12 号煤层火区，S3推断为9 号煤层火区。020902运输顺槽020902回风顺槽兴达公司04坑坑底坑顶1202工作面021601运输顺槽020901回风顺槽021601回风顺槽罗卜图煤矿F127083 H=025 mF117083 H=015 mXF175 H=032 mDF1070 H=039 mF4170 H=016 m9 号煤层巷道16 号煤层巷道9 号煤层底板等高线磁法范围12 号煤层巷道磁异常区及编号1 000S3坑底坑顶北进风斜井回风斜井图4磁测T平面异常罗卜图煤矿021601运输顺槽020901运输顺槽020902回风顺槽021601回风顺槽兴达公司04坑坑底坑顶坑顶坑底F127083 H=025 mF117083 H=015 m进风斜井回风斜井XF175 H=032 mDF1070 H=039 mF4170 H=016 m9 号煤层巷道9 号煤层底板等高线磁法范围12 号煤层巷道单位：nT1 000100010 m 20 m北图5磁测T剖面3.1.2测区中部2331 线105145 号点有磁异常分布，编号为S4，表现为平稳变化的正磁场特征，幅值总体较弱，一般值在40 nT100 nT，局部可达300 nT以上，推测为9 号煤层火区引起，火区面积7 800 m2。3.1.3测区南部总体表现为正常场特征，一般值在-100 nT+40 nT，其中在1821 线54 号点一带出现多处强尖峰磁异常，据实测观察为铁质油罐引起。3.2测氡法资料解释3.2.1氡浓度异常点、带的圈定及编号氡浓度达到异常点标准为1 939.85 Bq/m3，若仅受1 条线控制，则定为氡异常点；若连续受 2 条或2 条以上线控制，则定为氡浓度异常带，编号为Rn-N（Rn代表氡浓度异常带，N为自然数，代表带号）。3.2.2氡浓度异常分布特征北兴达公司04坑坑底坑顶罗卜图煤矿021601运输顺槽020901运输顺槽020902回风顺槽021601回风顺槽F127083 H=025 mF117083 H=015 m进风斜井回风斜井XF175 H=032 mDF1070 H=039 m020901回风顺槽F4170 H=016 m9 号煤层巷道16 号煤层巷道9 号煤层底板等高线测氧点12 号煤层巷道氡异常区及编号1 000Rn1坑顶坑底1202工作面图6氡浓度平面异常由图6可以看出，测区内的高氡值区主要位于北部及中部西侧，范围较大、氡值较高，其他区域为局部零星高氡值点或背景场。（1）北部西侧（南采区井筒井口附近）。在5061线151172 号点一带分布有1 条高氡值异常带，编号为Rn1，井口附近及南侧幅值较强，发现井口北侧异常段位于F12断层带上，推断与断裂构造有关，井口南侧异常段推断为12 号煤层火区的反映。（2）北部中间区域。在 3644 线 163183 号点一带分布有 1 条高氡值异常带，编号为 Rn2，总体幅值偏低，该地段 9 号煤层大部分已剥离，异常带北段推断与 F12 断层带有关，其他部分推断与12 号煤层火区或增温区有关。另外，在Rn2异常带南侧 2831 线 150159 号点间分布有范围较小的氡异常带 Rn4，局部幅值强，推断与 9 号煤层火区有关。（3）北部东侧。该区域大部分为9 号煤层井筒剥离坑，施工过程中可观察到 9 号煤层明火，分布有Rn3氡异常带，走向北东，规模较大，局部氡异常值较高，推断Rn3为9号煤层火区引起。25第1期（4）中部西侧。在2631 线106120 号点一带分布有1 条高氡值异常带，编号为Rn5，带内连片分布，局部氡值高，该地段施工过程中剥采坑崖壁可观察到煤正在燃烧，推断为9 号煤层火区引起。（5）南部。零星分布氡高值点，