闫 军

（新疆煤田灭火工程局煤火监测与灭火技术中心，新疆乌鲁木齐830063）

乌鲁木齐大泉湖火区东距乌鲁木齐市13km，为国家列入《新疆煤田火区治理规划（2016～2025年）》中的8处重点火区之一。2015年4月初，该火区地表发生高温塌陷，形成一直径约1m的明火塌陷坑，由于火区地处乌鲁木齐市城市规划圈内，距火区最近的居民小区只有260m，该事件经新闻媒体报道后，引起了周边群众及社会各界的广泛关注，自治区和乌鲁木齐市政府均要求加快治理该火区。

图1 乌鲁木齐大泉湖火区位置示意图

1 火区特征及治理方案

1.1 地质特征

经过勘查，该火区东西长2.6km，南北宽123m,燃烧煤层为B7、B8和B14煤层，平均厚度分别为6.79m、4.69m和2.79m，火区面积为312977m2，燃烧深度为7～134m，受威胁的煤炭储量为1128×104t。发火原因主要为早期众多小煤窑开采后，形成大量采空区，未及时做密封及防灭火措施而引发的火灾。

1.2 燃烧特征

大泉湖火区位于山腰处，根据火区东西走向长度和地标高温区大致可分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区3块。

Ⅰ区地表火烧痕迹最明显，沿煤层露头顶底板围岩普遍呈砖红色，在个别遭受剥挖的区段可以看见煤层燃烧后的灰烬，高温区位于物探勘探线10～15线之间，是3块中面积最大的1块。高温区地表围岩大部分已烧变破碎，部分围岩已沉降错位；倾向裂隙非常发育且间距大，最宽达30cm；裂隙最高温度为684℃。裂隙周围有大量煤焦油、硫磺和白色硫酸盐析出，裂隙和塌陷中有青烟冒出，气味非常刺鼻。媒体报道到的“火山口”位于高温区的中部13～14线之间，为一直径约1m的高温塌陷坑，坑帮可见明火。在火区勘查时，该塌陷坑西部5m处新产生了1处高温塌陷坑。

Ⅱ区煤层顶底板相对完整，受高温烘烤的围岩较破碎，裂隙发育，部分受人为采凿的围岩破碎成块状堆积在坡脚。有2块地表高温区，分别位于物探勘探线20～21线和25～29线之间，面积较大。高温区内燃烧剧烈，地表普遍被火烧呈砖红色，有大量青烟冒出，非常刺鼻；煤焦油、白色硫酸盐沿裂隙析出地表，分布非常广；地表裂隙最高温度498℃。33、34勘查线中间以南约50m有1处废弃井口。

Ⅲ区地表坡度较陡，煤层顶板非常完整，大部分为厚砂岩，部分地表被火烧呈砖红色，温度相对中、西部较低，最高为285℃。围岩裂隙中有水蒸气冒出，析出的煤焦油、硫磺沿走向分布，较分散，物探勘探线51线附近有一直径约3m、深约2m的塌陷坑，坑内未见温度异常。

根据火区燃烧特征，高温区主要分布在塌陷坑及废弃矿井采空区内，其他区域温度较低，因此判断火区内主要火源位于3个高温区，其他区域受高温区燃烧体影响导致煤层自燃，岩体温度升高。

1.3 火区治理方案

由于该火区下部采空区分布广泛、距居民区非常近、高温区不连片等特征，制定以钻探注浆封堵空区为主，剥离为辅的治理方案，重点治理高温区，以节省工期，减少对下部居民区的影响。

2 钻探设计

根据大泉湖火区特征，该火区主要以钻探封堵下部空区为主，重点治理高温区，减少以往火区治理中大量的剥离量，并且高温区不连片，因此钻孔的布置要有针对性。高温区内钻孔线间距、孔间距要加密，以保证有效控制下部采空区和高温区；常温区内钻孔线间距、孔间距布置要相应加宽，以减少工程量、节约投资。按照该项原则，结合《煤田火灾灭火规范》要求，设计高温区内钻孔线间距为15m，孔间距为10m；其他区域钻孔线间距为30m，孔间距为25m，各灭火钻孔垂直煤层布置，为有效控制煤层燃烧体，终孔位置布在燃烧煤层顶板上部5m处（图2）。

图2 乌鲁木齐大泉湖火区钻孔示意图

根据上述设计统计，火区内沿煤层走向共布置102条孔线，其中物探勘探线10～15线、20～21线及25～29线间的高温区钻孔线间距为15m，孔间距为10m，其他区域钻孔线间距均为30m，孔间距为25m，共计布设钻孔342个，钻探工程量合计17629m。

3 注浆材料

目前在煤田火区治理中常用的注浆材料有2种，分别为普通黄土泥浆和复核泥浆。普通黄土泥浆一般采用黄土，必要时可采用其他材料，泥浆水土比一般为（8∶1）～（3∶1）；复合泥浆是在普通黄土泥浆中加入适当比例的高分子添加剂形成复合泥浆，该浆液可实现水的固液转化，具有较好的封堵煤岩裂隙、包裹高温煤岩体、隔绝氧气、降低温度的效果。

3.1 普通黄土泥浆

优点：成本低、材料丰富、可就地取材、注浆设备简单。

缺点：（1）由于黄土泥浆的粘度小、流动性大，注浆范围无法掌控，往往实际注浆量远远大于设计注浆量。并且由于地层裂隙的存在，导致浆液大量流失到周围空区和设计区域外，造成注浆材料的浪费。

（2）黄土泥浆液中的水在高温区气化，产生大量蒸汽，与其它气体混合易形成水煤汽爆炸，对灭火施工造成极大的安全隐患。

（3）黄土泥浆扩散性较差，浆液一般沿着钻孔垂直流到孔底后堆积，向周围的扩散半径较小，导致钻孔周围因浆液无法到达而难以熄灭；且浆液中水、土易分离，水流冲刷粉煤，使漏风通道更畅通，供氧更充分，灭火更困难。

（4）黄土泥浆浆液中砂石等杂质含量多，容易堵塞钻孔，导致填充效果差。

3.2 复合泥浆

根据现场试验及应用，复合泥浆有以下优点：

（1）可远距离输送，不堵管，在一定阶段加入添加剂材料后，可使易于流动的液体泥浆在指定时间或指定部位凝结成固体，并将易流动的水固结起来，实现液固转化，充分发挥水的灭火作用。

（2）复合泥浆成胶过程是吸热反应，煤温上升使胶体中的水汽化，吸收大量热，并同时发泡材料快速形成2～5mm惰性气泡（二氧化碳），使复合胶体快速膨胀充填燃烧的空间，提高充填效率和灭火效果。

（3）浆液在一定时间内是易于流动的液体，渗透到煤层缝隙中后形成胶体，堵住漏风通道。

（4）复合泥浆可长期保存在煤层中（现场实测13个月仍完好），防止煤层自然发火或火区复燃。

（5）复合泥浆成浆时间可以控制，便于针对不同发火情况和现场对其进行适当调节，最短成胶时间25s，慢的可控制在数小时，成浆速度根据火区条件和输送距离及钻孔渗透范围进行调节。

（6）复合泥浆中，由于浆液有束水作用，在用于扑灭煤火时，不会急剧产生大量的水煤汽而恶化工作环境或发生水煤气爆炸伤人安全事故。

（7）添加剂对于低浓度黄土泥浆液（土水比小于1∶1）的作用是使土水迅速分离（分离时间小于1min），脱出的液体仅是清水，而不是浑浊的浆液，不会污染工作区域，且脱出的水份吸热后易于排出。所以大量灌注采空区火区可保证不溃浆不淹井，停留在指定地点的粘稠泥浆仍能起到复合泥浆的作用，采空区下部的工作区域基本不受影响。

（8）复合泥浆具有一定的粘弹性，通过对添加剂的配方进行调整，可以使复合泥浆具有一定的粘弹性，且浆液在煤层间隙受力时，仅发生蠕变，而不会破裂能紧密充填于煤层间隙，即使煤层压裂破碎也不会产生漏风裂隙，可对施工、矿压等造成的新裂隙进行二次封堵。

（9）添加剂也具有一定的堆积性，通过对复合泥浆的配方和工艺参数进行调整，复合泥浆可以具备一定的堆积性，其极限强度可以达到0.5MPa。黄土固化技术是由黄土、水、粘结剂、悬浮剂等制成浆液，黄土泥浆自地面经注浆管路输入到采空区火区，然后加入少量胶凝剂，使之固化。材料有一定的初凝强度，能堆砌一定高度，能用于堵漏风和直接灭火和采空区填充。

（10）传统黄土泥注浆造成有近1/2～1/3的注浆浆液流失到采空区裂隙、破碎带等无效注浆部位，造成注浆液的大量流失。而添加剂泥浆所具备的功能，可以封堵裂隙减小注浆量，减少灭火注浆成本。

缺点是注浆工艺较黄土泥浆复杂，成本较高。

4 注浆材料的选择及注浆设计

4.1 注浆材料的选择

综合考虑灭火效果、注浆成本等因素，为能够控制住火势、封堵火区下部空区、减少工期、降低成本、减少对南部居民区的影响，根据钻探设计，在火区南部靠近居民区一侧布置的2排钻孔中注入灭火效果较好的复合泥浆，以便在火区南部形成注浆帷幕，隔离火区向南部发展，从而对居民区造成不良影响；其余钻孔注普通黄土泥浆，以降低灭火成本。

4.2 注浆设计

根据火区特征及《煤田火灾灭火规范》要求，黄土泥浆的水土比设计为3∶1，以充分填充、密实下部空区。根据现场试验及应用，当复合泥浆水土比为1∶1时，浆液堆积性强、稳定、强度高，且充填裂隙、封堵空区效果较好，添加剂比例为每立方米泥浆中添加1.1kg添加剂。因此复合泥浆水土比设计为1∶1，且每立方米泥浆中添加1.1kg添加剂，以对火区南部2排钻孔进行帷幕注浆，形成隔离幕墙。

4.3 注浆工艺

复合泥浆由泥浆搅拌机进行搅拌制备，通过管路输送。一般在火区高点建立制浆站，每个制浆站由2台泥浆搅拌机和1个泥浆池组成，搅拌机配制好的泥浆通过筛网排入泥浆池中，然后由泥浆池下部的排浆口通过胶管或淌槽利用自然高差输送到灭火孔及鱼鳞坑内，泥浆到达灭火孔的孔口时要再次过滤，以确保泥浆无杂物。

5 结论

通过对高温区钻孔加密布设，可以有效控制下部采空区和高温区，保证注浆效果，提高注浆质量；而常温区加大孔间距可以减少工程量、节约投资。对火区南部选用复合泥浆的注浆工艺，可以形成更加密实的注浆帷幕，以隔离火区向南部发展，消除火区对附近居民和建筑物的影响，保证安全；北部区域采用传统的黄土泥浆可以降低灭火成本。该火区是新疆煤田火区治理历史上遇到的一种特殊情况，火区治理难度大，周边环境较复杂，但火区治理的意义十分重大。通过设计该火区钻探及注浆工艺，进而安全、有效地治理该火区，对今后这一类火区的设计可提供借鉴作用。

[1] 闫军,高青松.新疆维吾尔自治区第四次煤田火区普查报告[R].新疆煤田灭火工程局，2014.

[2] 新疆煤田灭火工程局.新疆乌鲁木齐大泉湖火区详细勘查报告[R].2015.

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[4] 新疆煤田灭火工程局,新疆煤炭设计研究院有限责任公司.新疆乌鲁木齐大泉湖火区灭火工程初步设计（代可研）[R].2016.

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