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煤田露頭大面積火區(qū)探測成果分析

時間:2023-03-16 15:16:48

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煤田露頭大面積火區(qū)探測成果分析

暴露在空氣中的露頭煤長期與氧氣接觸,水分很快散失,煤風化破碎,增大和氧氣的接觸面,煤炭開始氧化發(fā)熱。煤的氧化熱不能很快散失掉,致使煤體的溫度繼續(xù)升高,當達到煤的著火點時,由原來的氧化階段發(fā)展到燃燒階段。煤層燃燒現象常見于北方大型煤礦,如寧夏賀蘭山煤層自燃300多年,火區(qū)每年燒損煤量約115萬t,總計燒毀煤炭3.4億t,每年直接經濟損失約10億元。攀枝花市森林覆蓋率達61%以上,夏季天氣炎熱、氣候干燥,年最高氣溫可達40℃,加之午后陣性風力加大,發(fā)生森林草原火災的風險系數極高。20世紀70年代,攀枝花市寶鼎煤田出現露頭火區(qū),演變至今,燃燒區(qū)域逐漸遷移,且部分位于高山陡坡,人員難以到達,應用常規(guī)手段排查、監(jiān)測、預警和治理難度較大。露頭煤層燃燒不僅損失了大量煤炭資源,同時極易誘發(fā)森林火災,對人民群眾的生命財產、生態(tài)環(huán)境和煤礦生產安全、道路交通安全等造成嚴重的負面影響,亦給森林草原防滅火工作帶來巨大挑戰(zhàn)。為切實查清寶鼎煤田露頭火區(qū)發(fā)生原因及危害程度,2021年,攀枝花市運用高分衛(wèi)星遙感和無人機航測等先進技術手段對寶鼎煤田大面積火區(qū)數量、火區(qū)面積、火區(qū)分布、動態(tài)變化進行了綜合探測,進一步掌握了火區(qū)詳情,為扎實做好森林草原防滅火工作和火區(qū)治理提供基礎支撐和決策依據[1-7]。

1露頭火區(qū)探測概況

1.1火區(qū)發(fā)展歷史寶鼎煤田火區(qū)于2006年發(fā)現,此時火區(qū)點位11處,面積0.85萬m2,形成局部塌陷和裂隙,后期曾進行過治理。經過10余年的發(fā)展,地表新鮮空氣通過破壞裂隙、垮落裂隙持續(xù)向火區(qū)燃燒中心供氧,煤體高溫區(qū)通過熱傳導和對流的方式向前傳播,循環(huán)推動煤田火區(qū)煤體燃燒向深部持續(xù)推進。2021年地方政府走訪發(fā)現,火區(qū)點位有20處,明火點和煙點各10處,形成火區(qū)裂縫寬度達2.5m,長度延伸數公里,塌陷坑直徑最大約2m,深10~15m。

1.2火區(qū)位置概況寶鼎煤田露頭火區(qū)點位較為分散,明火點位分別位于太平鄉(xiāng)龍?zhí)洞逋叻拷M花果山槽房梁子、革新村溝邊組與前進鎮(zhèn)交界梁子、河邊村干壩塘組老熊箐煤礦與前進鎮(zhèn)交界梁子、花山村新花山組李家灣洗煤廠背后、花山村云盤山組趙家灣煤礦背后與大村組南三煤礦交界處、大村村灰至組螞蟥溝煤礦背后、前進鎮(zhèn)永勝村大灣子組陰山灣、勝利村上漆樹組空殼樹梁子、勝利村大墳山組羊坪子、勝利村學校組芭蕉灣?;饏^(qū)威脅周邊煤礦生產安全、居民住房安全、森林草原防滅火、道路交通安全和生態(tài)環(huán)境安全。經地方政府前期實地勘察比對,20個火區(qū)點位500m范圍內有7處保留煤礦,其中,地方國有煤礦4處、鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦3處;經逐一排查,20個火區(qū)點位受威脅區(qū)域內還有幾戶村(居)民住房、縣道五摩路和多條鄉(xiāng)村道路;火區(qū)周邊森林植被可燃物載量較大,以雜草和灌木為主。

1.3火區(qū)探測方法2021年露頭火區(qū)探測運用1臺光學無人機和1臺熱紅外無人機,采取“篩查-詳查-核查”三級排查模式開展,同時應用GPS測試儀、便攜式CO測定儀和紅外熱成像儀準確識別火區(qū)點位溫度、CO濃度等數據。一級排查通過分辨率為1m的高分遙感衛(wèi)星影像數據,結合鄉(xiāng)(鎮(zhèn))上報信息,快速識別提取燃燒點、公路、水系、民房等信息,準確“篩查”露頭火區(qū)點位及其影響范圍;二級排查通過無人機航測,采集露頭火區(qū)光學與熱紅外影像,開展全覆蓋“詳查”,核實已標注露頭火區(qū)點位數據,查找其他高熱異常點;三級排查通過人工現場排查,專業(yè)技術人員對上報露頭火區(qū)點位與新增高熱異常點位開展“核查”,進一步準確核實露頭火區(qū)點位信息。

1.4火區(qū)探測成果通過三級排查完成44.85km2的光學影像采集和10.30km2的熱紅外影像采集,完成20個上報點排查,面積14.53萬m2;新發(fā)現19個高溫異常點,面積2.90萬m2;對所有露頭火區(qū)燃燒點進行了區(qū)域高分遙感數據獲取與處理工作,解譯分析露頭火區(qū)周邊關系,形成區(qū)域面積為250km2的遙感影像圖,初步圈定露頭火區(qū)(39處點位)面積17.43萬m2,其中,14處位于前進鎮(zhèn)、25處位于太平鄉(xiāng);影響范圍面積1285.19萬m2,其中,前進鎮(zhèn)境內359.27萬m2,太平鄉(xiāng)境內925.92萬m2。運用手持GPS測試儀、便攜式CO測定儀、紅外熱成像儀實地勘察測量,2006年11處火點經后期治理,地面無明顯裂隙、塌陷、無青煙,溫度61~134℃,CO濃度86×10-6;2021年火區(qū)煙點呈帶狀分布、多處見裂隙、有青煙冒出,溫度234~367℃,CO濃度112×10-6;2021年明火點位裂痕大、有塌陷空洞和青煙冒出,溫度285~378℃,CO濃度135×10-6。

1.5火區(qū)影響與危害

(1)燒毀煤炭資源。我國煤田火災破壞大量煤炭資源,每年燒毀煤炭量1000~1300萬t,破壞優(yōu)質煤炭資源近億噸,露頭燃燒點界限不清會給生產礦井設計造成很大失誤。2021年度探測結果顯示,寶鼎煤田露頭大面積火區(qū)燃燒損失煤炭資源量為44.29萬t。隨著煤炭資源的不斷開發(fā)利用,攀枝花市煤田露頭火區(qū)發(fā)展呈加劇態(tài)勢,點位不斷變化、范圍持續(xù)擴大,燒毀損失煤炭資源量將進一步增大。

(2)加大森林草原防滅火工作難度。攀枝花市每年12月1日至次年6月30日是森林草原防滅火期,其中,2月1日—5月31日為森林草原高火險攻堅期,不斷遷移和增加的火區(qū)點位火險,隨時可能點燃附近大量可燃物,將會給森林草原防滅火監(jiān)測預警與排查整治工作增加難度。

(3)造成地表塌陷。寶鼎煤田急傾斜煤層下部煤層燃燒后形成大量裂隙或空洞,地表長時間處于懸空狀態(tài),在自重力影響下,經雨水浸泡會向對側發(fā)生位移或突然垮落,形成地表裂縫和塌陷坑,例如2021年勘察發(fā)現寶鼎煤田火區(qū)裂縫寬度可達2.5m,長度延伸數公里,塌陷坑直徑最大約2m,深10~15m。地表塌陷形成危險區(qū),對附近居民和家畜、煤炭資源開發(fā)區(qū)和縣道五摩路及多條鄉(xiāng)村道路形成威脅。

(4)影響下部或者鄰近的生產礦井安全。火區(qū)圍巖孔隙接受地表滲漏水和地下潛水,儲存于露頭燃燒形成的燒變巖和采空區(qū)內,會造成下部礦井發(fā)生突水,對鄰近的生產礦井的井下作業(yè)人員構成安全威脅,同時煤田燃燒可引發(fā)煤礦火災、瓦斯爆炸、粉塵爆炸、頂板跨落等災難性事故,給礦井安全生產造成嚴重威脅。寶鼎礦區(qū)39處火險區(qū)附近雖然均為已關閉的小煤窯,但距離正在生產的礦井最近約150m,雖有一定的安全距離,但隨著火區(qū)的不斷蔓延,將會對周邊礦井構成嚴重威脅。

(5)破壞生態(tài)環(huán)境。煤炭資源燃燒過程中排放出大量的一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化合物、二氧化硫、煙塵、二氧化碳,同時還向大氣排放大量熱量,嚴重污染攀枝花大氣環(huán)境;同時,燃燒煤體經雨水淋溶形成含有害的重金屬離子酸性水滲透到地下,污染區(qū)域地表水、地下水以及土壤;再者,在高溫作用下,土壤脫水、礦物顆粒?;腿廴冢瑢е峦寥乐旅軋杂?,且結構和礦物發(fā)生變化,減弱了其抗風蝕和水蝕的能力,加劇了土地沙化和水土流失。

2露頭火區(qū)特點及變遷原因

經對寶鼎煤田露頭火區(qū)探測成果綜合分析,得出寶鼎煤田露頭火區(qū)具有分布范圍廣、點位變遷快和火險區(qū)域多等特征及諸多變遷原因。

2.1分布范圍廣寶鼎煤田露頭火區(qū)沿煤層露頭線呈“U”形分布,39處火區(qū)點位共涉及太平和前進2個鄉(xiāng)(鎮(zhèn)),影響范圍面積達1285.19萬m2,分布范圍和影響區(qū)域甚廣。寶鼎煤田煤層賦存條件好,埋深較淺,風氧化程度高,局部煤層有自燃發(fā)火傾向,同時因攀枝花天氣干燥,氣夏溫最高可達40℃,季陣風達5級以上,極易引發(fā)大面積煤層露頭火災。

2.2點位變遷快統(tǒng)計對比發(fā)現,2006年寶鼎煤田火區(qū)11處點位面積為0.85萬m2,治理后無明火,但溫度和CO濃度仍居高不下;經過10余年迅速發(fā)展,到2021年火區(qū)點位數量激增近4倍至39處,面積由0.85萬m2增加至17.43萬m2,面積增量近20倍至16.58萬m2,經統(tǒng)計燃燒損失煤炭資源量44.29萬t,詳見表1、表2。查閱相關資料發(fā)現,20世紀90年代末至今,全攀煤礦關閉整頓和煤炭資源整合過程中逐步關閉煤礦數量達100余處,礦山分布零散,井口密閉質量不高,且無人維護,已廢棄的老窯采空區(qū)及煤層露頭連通,導致許多關閉小窯井下漏風,因而供氧充足,極易引起煤層燃燒;另外寶鼎煤田大部分煤層屬急傾斜,地下煤層燃燒后會導致上部采空區(qū)坍塌,隨著燃燒深度和程度增加,形成的裂隙、坍塌空洞不斷增大,加快了煤田火區(qū)的發(fā)展速度。

2.3火險區(qū)域多攀枝花市關閉煤礦、采空塌陷、地表盜挖煤炭資源出露等火險區(qū)域多、范圍廣,這些都是引發(fā)地面煤炭火災的潛在因素,39處火險區(qū)面積合計17.43萬m2,經鄉(xiāng)(鎮(zhèn))反饋,后期點位數量和面積仍在增加,給攀枝花市森林防滅火工作帶來了巨大挑戰(zhàn)。通過分析,攀枝花夏季酷熱少雨、冬季炎熱干燥,寶鼎煤田所在區(qū)域地下水位較低,煤層燃燒后易沿煤層傾斜方位蔓延至露頭;同時以往露頭火區(qū)探測采用常規(guī)手段,難易精準和全方位查清大面積火險區(qū)域。2021年攀枝花市運用了新的探測手段,對處于動態(tài)發(fā)展過程中煤田火區(qū),采用高分遙感衛(wèi)星影像、紅外和遙感無人機空中測量等新技術來圈定火區(qū)范圍,提高了火區(qū)核查精度,高效找出火險區(qū)域相較于2006年火區(qū)勘察區(qū)域發(fā)生變化。

3露頭火區(qū)治理措施

針對寶鼎煤田露頭大面積火區(qū)的特點、特征及危害,可依照“分級防治、逐步推進、綜合管控”的治理原則,劃分優(yōu)先治理區(qū)域等級,采取火情監(jiān)測、火源探測、注水降溫、注漿滅火、高溫區(qū)(露頭煤體)剝離、黃土覆蓋等綜合防治措施,判定燃燒點的現狀、遏制火勢的發(fā)展、減緩煤層氧化速度、封堵漏風通道、逐步窒熄火區(qū),保障人民生命和財產安全。

3.1治理區(qū)域優(yōu)先等級劃分根據相關要素,可將治理區(qū)域按照優(yōu)先等級劃分為3級:一級優(yōu)先治理區(qū)域,主要包括明火點、居民點、道路下及周邊、密林周邊、人員經常性滯留區(qū),該類區(qū)域直接影響人民群眾生命及財產安全;二級治理區(qū)域的主要特點為山頂等地形復雜處,較少出現人員生產生活活動的場所,尚不能直接威脅人民群眾生命財產安全,但對森林防火構成壓力,同時燃燒勢頭相對較猛烈;三級治理區(qū)域的主要特點為部分煤層露頭點無明顯異常,但相對周邊地表溫度較高。詳見表3。

3.2防治措施(1)一級治理區(qū)域的目標為熄滅燃燒點,對太平鄉(xiāng)龍?zhí)洞逋叻拷M花果山槽房梁子、革新村溝邊組與前進鎮(zhèn)交界梁子等10處明火點,其中3處居民點和8處密林及道路區(qū)域,宜采用火源探測、注水降溫、注漿滅火、高溫區(qū)(露頭煤體)剝離、黃土覆蓋、火情動態(tài)監(jiān)測的技術措施。(2)二級治理區(qū)域為太平鄉(xiāng)龍?zhí)洞逋叻拷M花果山槽房梁子、革新村溝邊組與前進鎮(zhèn)交界梁子等10處明火點、8處密林和山頂以及19處地表高溫異常區(qū),可同樣在詳查基礎上進行注水、注漿降溫滅火處理,條件困難時可先進行裂隙封堵以及黃土覆蓋工作。(3)三級治理區(qū)域為8處密林和山頂以及19處地表高溫異常區(qū),應加強排查與監(jiān)測,一旦出現溫度逐步上升、溫度異常區(qū)域面積增大現象,則需及時制定方案進行處理。

4結語

(1)寶鼎煤田火區(qū)有分布范圍廣、點位變遷快、火險區(qū)域多等特點,應依據2021年火區(qū)探測成果,將寶鼎煤田露頭火區(qū)納入森林草原防滅火專項整治工作,建立健全煤田露頭火區(qū)監(jiān)測預警機制,強化火情監(jiān)測預警、快速預報和應急救援工作,管控住火勢發(fā)展狀態(tài),及時防止新火點的出現和蔓延,為火區(qū)專項整治奠定基礎。(2)寶鼎煤田火區(qū)的產生與發(fā)展由自然環(huán)境、煤礦開拓開采、防滅火手段、地質及水文條件等因素相互作用產生。故此,要督促企業(yè)主體防火責任履行,強化煤礦企業(yè)防滅火意識,認真落實好防滅火責任,確保攀枝花市森林草原防滅火工作的圓滿完成。(3)針對寶鼎煤田火區(qū)個性特征,技術層面宜按照“分級防治、逐步推進、綜合管控”的原則,劃分3級防治等級,采取火情監(jiān)測、火源探測、注水降溫、注漿滅火、高溫區(qū)(露頭煤體)剝離、黃土覆蓋等綜合防治措施,逐步達到治理效果,保障一方平安。(4)隨著攀枝花市未處置的39處在燃煤田露頭火點持續(xù)發(fā)展,對地面建筑、道路交通、水利設施和自然環(huán)境等造成破壞,影響建設生態(tài)攀枝花的發(fā)展理念,所以,應在前期局部探測的基礎之上,加快聘請專業(yè)機構進一步擴大對火區(qū)清查范圍,尤其對其燃燒深度和影響廣度切實查清、探明,并將此項工作納入政府工作計劃,預算專項資金,制定治理方案,務實高效扭轉地區(qū)安全生產形勢。

參考文獻

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作者:郭宇 范永鑫 高航 單位:四川省安全科學技術研究院