CN114635739B - 一种利用煤矸石的封闭阻隔灭火方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用煤矸石的封闭阻隔灭火方法，包括以下步骤：步骤1：实施煤层封闭阻隔结构层，包括利用煤矸石进行的煤层封闭阻隔和采空区的封闭阻隔；步骤2：实施平台封闭阻隔结构层；包括注浆降温封堵结构层和煤矸石黏土阻隔结构层两部分；步骤3：实施边坡封闭阻隔结构层；步骤4：实施截排水系统；步骤5：实施监测系统；步骤6：实施植被恢复技术。本发明针对倾斜煤层，以废弃矿山广泛分布的煤矸石为原料，通过上述结构的综合封闭阻隔，形成了一套治控结合的封闭阻隔灭火方法，以控为主，探治结合。
Description
技术领域
本发明属于环境治理领域，涉及一种适用于急陡倾斜煤层封闭阻隔灭火结构及植被恢复技术领域，尤其涉及一种利用煤矸石的封闭阻隔灭火方法。
背景技术
我国煤田地质类型多样，由于煤矿地质条件的复杂性和生产条件的特殊性，火灾类重特大事故时有发生。据统计，我国25个主要产煤省区的130余个大中型矿区均不同程度地受到煤层自然发火的威胁，其中40个大中型矿区煤层自然发火严重。煤的自燃现象已经成为一个非常严重的现象。现阶段我国煤矿火灾防治方法主要有：充填堵漏、均压、注浆、惰性气体、阻化剂等。
充填堵漏防灭火技术可有效应用于填堵漏风通道防治自然火灾，有无机凝胶、泥浆、复合浆体等防灭火材料及专用装备，具有技术易行、价格便宜的特点，但不能完全控制漏风，适用性有限。均压防灭火技术通过改变通风系统内的压力分布，降低了漏风通道两端的压差，减少漏风，从而抑制和熄灭火区；该方法实施费用低，可减少有害气体涌入工作面，改善工作环境，但工艺复杂，影响正常生产，工程量较大。注浆防灭火技术形成了以地面固定式制浆系统为主体，以井下固定式和井下移动式注浆系统为辅的体系；该技术材料易选且价格便宜，浆液制备简单，防灭火效果显著，但浆液制备设备体积大，运输管路长，运输管路易堵塞，且处理困难，易跑浆，易恶化工作面环境。惰性气体防灭火技术以氮气为主，二氧化碳为辅，并发展了液氮、液态二氧化碳直注式与可控温式灌注防灭火技术，已成功应用；该技术工艺简单，操作方便，有较好的稀释抑爆作用，但灭火周期长，不能有效消除高温点，易造成人员窒息。阻化剂防灭火技术采用喷洒、压注以及气雾阻化等多种方式，具有工艺简单、阻化效果好的特点，适用于火灾预防；但阻化材料价格昂贵且用量较大，阻化寿命有限，使用地点选择性强。
鉴于上述各项灭火技术的单一性和局限性，为了更好地解决煤层灭火问题，需要研究出一种的综合灭火结构，才能够在煤层灭火领域得以推广及应用。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种利用煤矸石的封闭阻隔灭火方法，以控为主，探治结合，不仅可以充分利用废弃矿山的煤矸石资源，可以更好地解决倾斜煤层露头火和采空复合火区的灭火问题同时实现植被恢复，改善环境。
一种利用煤矸石的封闭阻隔灭火方法，包括以下步骤：
步骤1：实施煤层封闭阻隔结构层，包括利用煤矸石进行的煤层封闭阻隔和采空区的封闭阻隔；
步骤2：实施平台封闭阻隔结构层；包括注浆降温封堵结构层和煤矸石黏土阻隔结构层两部分；
步骤3：实施边坡封闭阻隔结构层；
步骤4：实施截排水系统；
步骤5：实施监测系统；
步骤6：实施植被恢复技术。
进一步地：在灭火工程实施前，采用爆破、人工、机械配合等手段清理出灭火作业平台，平台宽度可根据现场实际情况而定，一般不小于3.0m，坡度不大于15°。
进一步地：在灭火作业平台上进行煤层封闭阻隔结构和平台封闭阻隔结构的实施。在采空区火区范围外扩5～10m范围线上每隔5m，布设大口径钻孔，通过钻孔向采空区充填实施区域内的废弃煤矸石，减少了灭火注浆的工程量。本发明使用钻孔孔径368.3mm，钻孔依据探测的深度确定，在倾斜煤层中，是长短不一的科学完整系统；所使用的充填煤矸石材料孔径不小于200mm，最大块径不大于300mm，充填煤矸石至采空区以上。
进一步地：充填完毕后，表层覆盖一层厚度不小于20cm的灭火材料。灭火材料使用的复合发泡胶体材料，主要包含发泡剂、稳泡剂、成胶物质及无机填料，其中发泡剂为十二烷基硫酸钠，添加量为0.2％-0.65％；稳泡剂为羧甲基纤维素钠，添加量为0.45-0.85％；成胶物质包含硫酸铝和聚丙烯酰胺，添加量分别为0.1％-0.3％、0.5％-1.0％；灭火材料充填完毕后，进行无机填料的充填，无机填料为采购的黄土及水泥，添加量分别为10％-35％。在开展注浆及灭火材料充填作业时，钻进过程采用流体回转钻进，切不可使用风钻，避免钻进中形成人工供氧条件。
进一步地：在灭火作业平台上实施平台封闭阻隔结构，平台阻隔结构包括注浆降温封堵结构和煤矸石黏土阻隔结构两部分。注浆降温封堵结构一般与煤层封闭阻隔结构同时进行，通过灭火钻孔向深部火源注水、注浆，可以扑灭深部火区或降低煤岩体温度的作用。钻孔间距一般为10-15m，孔直径一般为89-127mm；钻孔时使用的钻管除顶部第一根管为实管，剩余钻管均使用筛管，筛管表面分布有均匀的筛孔，材料填充过程在筛管段进行，筛孔直径为0.5-2.0cm，分布于管体两侧，密度为5.0cm*5.0cm-10.0cm*10.0cm；注浆材料可选择注水或注浆的任意一种，主要通过钻孔筛管段注入，选择注浆时，注浆材料不含可燃、助燃材料，注浆材料的直径介于0.2mm-2.0mm之间，其中小于1mm的颗粒物应占75％以上，整体含沙量应介于25％-30％之间。火区内煤岩及气体温度在停止注水48小时稳定在100℃以下并无上升趋势后，进行钻孔封堵。
进一步地：在煤层封闭阻隔结构和注浆降温封堵结构实施完毕后，实施边坡封闭阻隔结构。由煤矸石与粘土压实的互层组成，坡脚设置挡土墙保证边坡稳定。煤矸石层厚30～50cm，粘土层厚20～30cm，分层压实，挡土墙尺寸通过边坡稳定性计算分析得出。边坡封闭阻隔结构的长度、高度与边坡相同，厚度介于1.0-1.5m之间，坡度不大于30°。
进一步地：在边坡封闭阻隔结构实施完毕后，及时对施工平台实施煤矸石黏土封闭阻隔。煤矸石黏土阻隔结构为煤矸石与粘土压实的互层组成，煤矸石层厚30～50cm，粘土层厚20～30cm，分层碾压，起到封闭可燃物隔离空气的作用，从而防止空气从平台缝隙进入深层，与可燃物接触引起火区复燃。
进一步地：在每个平台注浆钻孔中，预留2-3个火区中心钻孔不注浆，用于长期监测火区温度。
本发明的有益效果：不仅可以充分利用废弃矿山的煤矸石资源，可以更好地解决倾斜煤层露头火和采空复合火区的灭火问题同时实现植被恢复，改善环境。
附图说明
图1、本发明的剖面结构示意图；
其中1-煤层封闭阻隔结构层；2-注浆降温封堵层；3-边坡封闭阻隔结构层；4-煤矸石黏土阻隔结构；5-截排水系统；7-植被恢复区。
图2为本发明的平面展布图；
其中1-煤层封闭阻隔结构层；2-注浆降温封堵结构等；3-边坡封闭阻隔结构层；4-煤矸石黏土阻隔结构；5-截排水系统；6-监测系统；7-植被恢复区。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
实施例一
该火区的投影面积约30827平方米，火区实际治理面积11665平方米。火区属于露头火区为边坡高温区，边坡坡度约40度，边度约34米，火区位于边坡中部，带状分布，地表火区温度51.4℃-425℃，采空区最大深度108米，空腔高度1.8-3.6米，钻孔最高温度324℃，采空区火区水平内延距离约100-120米。
具体实施时，先进行了探治结合孔的施工，根据勘查结果，已经探测到该火区属于煤层露头火区与采空区火区并存的复合火区，火区深度超过130m，水平延伸距离大于100m，采空区空间较大，火区漏风通道发育，难以对整个采空区火区进行彻底降温和全部填充。因此，在具体实施时，采用探、治、控结合的方针，以控为主，探治结合，设计了一系列封闭阻隔灭火结构。
煤层封闭阻隔结构层1具体实施时，首先进行露头火点清理，整理出工作平台，将治理区域的地形整理为阶梯式，阶梯平台宽度为5.0m，平均坡度小于10°；阶梯坡面高度为8m，平均坡度小于30°。
该治理区域的煤层封闭阻隔结构层1综合采用了采空区充填结构和帷幕注浆结构，在采空区火区范围外扩5～10m范围线上每隔5m，布设大口径钻孔，通过钻孔向采空区充填实施区域内的废弃煤矸石，使用钻孔孔径368.3mm，钻孔依据探测的深度确定；所使用的充填煤矸石材料孔径不小于200mm，最大块径不大于300mm，充填煤矸石至采空区以上，充填完毕后，表层覆盖一层厚度为20cm的复合发泡胶体材料，材料配置为：十二烷基硫酸钠，添加量为0.35％；羧甲基纤维素钠，添加量为0.55％；硫酸铝，添加量为0.2％；聚丙烯酰胺，添加量为0.6％；黄土，添加量35％；水泥，添加量30％。灭火材料充填完毕后，进行无机填料的充填，黄土，添加量35％；水泥，添加量30％。
同时在平台上进行注浆降温封堵结构的实施，钻孔间距一般为7m，孔直径一般为127mm；筛孔直径为1.0cm，分布于管体两侧，密度为5.0*5.0cm。注浆材料为：黄土，添加量35％；水泥，添加量30％。火区内煤岩及气体温度在停止注浆48小时稳定在100℃以下并无上升趋势后，进行钻孔封堵。在平台注浆钻孔中，预留2-3个火区中心钻孔不注浆，用于长期监测火区温度。
在完成上述步骤后，进行边坡、平台煤矸石黏土阻隔结构实施，煤矸石层厚50cm，粘土层厚50cm，分层碾压。
在煤层、边坡、平台的封闭阻隔结构实施完毕后，进行截排水系统的实施，在边坡的后缘布设截水沟，边坡的两端布设排水沟，平台的四周布设排水沟，内倾5％。
最后在黄土表面进行穴植苗木，所栽植苗木为云杉、黄刺玫，栽植密度为2.0*2.0m，栽植苗木高度为1.2m，种植穴尺寸为0.6*0.6*0.4m。
实施例二
该火区投影面积约26074平方米，实际火区治理面积12334平方米。火区属于煤层露头火区与采空区并存的复合火区，地表存在大量裂隙与煤层露头火源沟通，火区位于区域内岩体坡面底部区域，濒临坡底崩积物顶端。根据钻探结果，该火区内存在多层采空区分布，采空区深度约为50米，最大采空高度约32.5米。
该采空区空间较大，火区漏风通道发育，若对整个采空区火区进行彻底降温和全部填充，其成本较高。因此，在具体实施时，该火区采用露头火点清理覆盖和浅部火区注浆降温封堵，深部火区窒息熄灭的实施思路。
在具体实施时，首先对该火区的露头区域进行平整，煤层露头水平延伸约20m；平整后的区域地形为阶梯状，整理后的平台宽度为5.0m，平台整体坡度小于15°；整理后坡面的平均高度为8m，岩质边坡坡度小于45°，渣体边坡坡度小于30°。
该治理区域的煤层封闭阻隔结构综合采用了采空区充填结构和帷幕注浆结构，在采空区火区范围外扩5～10m范围线上每隔5m，布设大口径钻孔，通过钻孔向采空区充填实施区域内的废弃煤矸石，使用钻孔孔径368.3mm，钻孔依据探测的深度确定；所使用的充填煤矸石材料孔径不小于200mm，最大块径不大于300mm，充填煤矸石至采空区以上，充填完毕后，表层覆盖一层厚度为20cm的复合发泡胶体材料，材料配置为：十二烷基硫酸钠，添加量为0.4％；羧甲基纤维素钠，添加量为0.6％；硫酸铝，添加量为0.3％；聚丙烯酰胺，添加量为0.8％；黄土，添加量35％；水泥，添加量25％。注浆时，所选用的筛孔直径为2.0cm，分布于管体两侧，密度为10.0*10.0cm。灭火材料充填完毕后，进行无机填料的充填，黄土，添加量35％；水泥，添加量30％。
同时在平台上进行注浆降温封堵结构的实施，钻孔孔线间距为8m，孔间距为10m，钻孔孔径为127mm，钻孔终孔位置为煤层底板。筛孔直径为1.0cm，分布于管体两侧，密度为5.0*5.0cm。注浆材料为：黄土，添加量35％；水泥，添加量30％。火区内煤岩及气体温度在停止注浆48小时稳定在100℃以下并无上升趋势后，进行钻孔封堵。在平台注浆钻孔中，预留2-3个火区中心钻孔不注浆，用于长期监测火区温度。
在完成上述步骤后，进行边坡、平台煤矸石黏土阻隔结构实施，煤矸石层厚50cm，粘土层厚50cm，分层碾压。
在煤层、边坡、平台的封闭阻隔结构实施完毕后，进行截排水系统的实施，在边坡的后缘布设截水沟，边坡的两端布设排水沟，平台的四周布设排水沟，内倾5％。
治理前
治理前，实施区域存在诸多露头及采空复合的火点及火区，其持续释放的一氧化碳、二氧化硫等有害气体，且伴随有浓烟冒出，火区上部植被均死亡，区域环境质量极差，对周边的生态环境及居民造成了极大的影响。
治理后
治理后，实施区内露头火点被完全清除，无明火及浓烟冒出，也无二氧化硫、一氧化碳等有害气体散出；且经过苗木栽植的植被恢复作业后，区域的植被覆盖度显著提升，有效改善了区域的生态环境质量及居民生活质量。
实施前后技术参数对照表
经过该专利技术的实施，原露头火点被清除，采空复合火区及地表裂缝、塌陷坑等区域被有效封堵，一方面有效降低了采空区塌陷对周边居民、牲畜等安全性威胁，另一方面减少了煤层自燃的损失。
治理前后具体参数变化情况如下表所示：
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。
Claims (9)
1.一种利用煤矸石的封闭阻隔灭火方法，其特征在于：在灭火工程实施前清理出灭火作业平台，在灭火作业平台上进行煤层封闭阻隔结构层和平台封闭阻隔结构层的实施；具体包括以下步骤：
步骤1：实施煤层封闭阻隔结构层，包括利用煤矸石进行的煤层封闭阻隔和采空区的封闭阻隔；
步骤2：实施平台封闭阻隔结构层；包括注浆降温封堵结构层和煤矸石黏土阻隔结构层两部分；
步骤3：实施边坡封闭阻隔结构层；
步骤4：实施截排水系统；
步骤5：实施监测系统；为所述注浆降温封堵结构层的注浆钻孔中进行预留，预留2-3个钻孔不注浆、不封堵，用于长期监测火区温度；
步骤6：实施植被恢复技术。
2.根据权利要求1所述的一种利用煤矸石的封闭阻隔灭火方法，其特征在于：所述步骤1中煤层封闭阻隔结构层，在进行煤层封闭阻隔和采空区封闭阻隔时，均利用废弃煤矸石进行充填；所使用的充填煤矸石材料孔径不小于200mm，最大块径不大于300mm，充填时，煤矸石应填至采空区以上。
3.根据权利要求1所述的一种利用煤矸石的封闭阻隔灭火方法，其特征在于：所述的煤层封闭阻隔结构层，在煤矸石充填完毕后，需在其表层覆盖一层厚度不小于20cm的灭火材料。
4.根据权利要求1所述的一种利用煤矸石的封闭阻隔灭火方法，其特征在于：所述步骤2中的平台封闭阻隔结构层，其中注浆降温封堵结构层与煤层封闭阻隔结构层同时进行，通过灭火钻孔向深部火源注水、注浆，可以扑灭深部火区或降低煤岩体温度的作用；注浆降温封堵结构层其通过布设灭火钻孔，自灭火钻孔向内注水或注浆，最后封堵而成；其中，每两个相邻的灭火钻孔间距为10-15m，每个灭火钻孔的直径为89-127mm；钻孔时使用的钻管除顶部第一根管为实管，剩余钻管均使用筛管，筛管表面分布有均匀的筛孔，材料填充过程在筛管段进行，筛孔直径为0.5-2.0cm，分布于管体两侧，密度为5.0cm*5.0cm-10.0cm*10.0cm；注浆材料通过钻孔筛管段注入；
选择注浆时，注浆材料不含可燃、助燃材料。
5.根据权利要求4所述的一种利用煤矸石的封闭阻隔灭火方法，其特征在于：注浆材料的直径介于0.2mm-2.0mm之间，其中注浆材料中小于1mm的颗粒物应占75％以上，整体含沙量应介于25％-30％之间；待火区内煤岩及气体温度在停止注水48小时后，仍稳定在100℃以下并无上升趋势后，进行钻孔封堵。
6.根据权利要求4所述的一种利用煤矸石的封闭阻隔灭火方法，其特征在于：所述步骤2中的煤矸石黏土阻隔结构层为煤矸石与粘土压实的互层组成，每层煤矸石层厚30～50cm，每层粘土层厚20～30cm，分层碾压，起到封闭可燃物隔离空气的作用，从而防止空气从平台缝隙进入深层，与可燃物接触引起火区复燃。
7.根据权利要求1所述的一种利用煤矸石的封闭阻隔灭火方法，其特征在于：所述步骤3中的边坡封闭阻隔结构层，由煤矸石与粘土压实的互层组成；其中每层煤矸石层厚30～50cm，每层粘土层厚20～30cm，分层碾压，起到封闭可燃物隔离空气的作用，从而防止空气从缝隙进入深层，与可燃物接触引起火区复燃；坡脚设置挡土墙保证边坡稳定，墙后顺坡回填煤矸石与粘土压实的互层；边坡封闭阻隔结构的长度、高度与边坡相同，厚度介于1.0-1.5m之间，坡脚不大于30°。
8.根据权利要求1所述的一种利用煤矸石的封闭阻隔灭火方法，其特征在于：所述步骤4中的截排水系统，需在封闭阻隔结构实施完毕后进行，有效汇集降水，减少地表径流冲蚀边坡所引发的坍塌和冲沟现象；实施时，需在边坡的后缘布设截水沟，边坡的两端布设排水沟，平台的四周布设排水沟，内倾5％。
9.根据权利要求1所述的一种利用煤矸石的封闭阻隔灭火方法，其特征在于：所述步骤6中植被恢复技术的实施：其在步骤5实施完毕后，在其表面进行穴植苗木，所栽植苗木可选择黄刺玫、柠条、紫穗槐、落叶松、油松、连翘、山桃、山杏、云杉的一种或多种，栽植密度介于1.5*1.5m-3.0*3.0m之间，栽植苗木高度介于0.8m-1.5m之间，种植穴尺寸介于50*40*30cm-80*80*60cm之间。
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