煤田露头大面积火区探测成果分析

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暴露在空气中的露头煤长期与氧气接触，水分很快散失，煤风化破碎，增大和氧气的接触面，煤炭开始氧化发热。煤的氧化热不能很快散失掉，致使煤体的温度继续升高，当达到煤的着火点时，由原来的氧化阶段发展到燃烧阶段。煤层燃烧现象常见于北方大型煤矿，如宁夏贺兰山煤层自燃300多年，火区每年烧损煤量约115万t，总计烧毁煤炭3.4亿t，每年直接经济损失约10亿元。攀枝花市森林覆盖率达61%以上，夏季天气炎热、气候干燥，年最高气温可达40℃，加之午后阵性风力加大，发生森林草原火灾的风险系数极高。20世纪70年代，攀枝花市宝鼎煤田出现露头火区，演变至今，燃烧区域逐渐迁移，且部分位于高山陡坡，人员难以到达，应用常规手段排查、监测、预警和治理难度较大。露头煤层燃烧不仅损失了大量煤炭资源，同时极易诱发森林火灾，对人民群众的生命财产、生态环境和煤矿生产安全、道路交通安全等造成严重的负面影响，亦给森林草原防灭火工作带来巨大挑战。为切实查清宝鼎煤田露头火区发生原因及危害程度，2021年，攀枝花市运用高分卫星遥感和无人机航测等先进技术手段对宝鼎煤田大面积火区数量、火区面积、火区分布、动态变化进行了综合探测，进一步掌握了火区详情，为扎实做好森林草原防灭火工作和火区治理提供基础支撑和决策依据［1-7］。

1露头火区探测概况

1.1火区发展历史宝鼎煤田火区于2006年发现，此时火区点位11处，面积0.85万m2，形成局部塌陷和裂隙，后期曾进行过治理。经过10余年的发展，地表新鲜空气通过破坏裂隙、垮落裂隙持续向火区燃烧中心供氧，煤体高温区通过热传导和对流的方式向前传播，循环推动煤田火区煤体燃烧向深部持续推进。2021年地方政府走访发现，火区点位有20处，明火点和烟点各10处，形成火区裂缝宽度达2.5m，长度延伸数公里，塌陷坑直径最大约2m，深10~15m。

1.2火区位置概况宝鼎煤田露头火区点位较为分散，明火点位分别位于太平乡龙潭村瓦房组花果山槽房梁子、革新村沟边组与前进镇交界梁子、河边村干坝塘组老熊箐煤矿与前进镇交界梁子、花山村新花山组李家湾洗煤厂背后、花山村云盘山组赵家湾煤矿背后与大村组南三煤矿交界处、大村村灰至组蚂蟥沟煤矿背后、前进镇永胜村大湾子组阴山湾、胜利村上漆树组空壳树梁子、胜利村大坟山组羊坪子、胜利村学校组芭蕉湾。火区威胁周边煤矿生产安全、居民住房安全、森林草原防灭火、道路交通安全和生态环境安全。经地方政府前期实地勘察比对，20个火区点位500m范围内有7处保留煤矿，其中，地方国有煤矿4处、乡镇煤矿3处；经逐一排查，20个火区点位受威胁区域内还有几户村（居）民住房、县道五摩路和多条乡村道路；火区周边森林植被可燃物载量较大，以杂草和灌木为主。

1.3火区探测方法2021年露头火区探测运用1台光学无人机和1台热红外无人机，采取“筛查-详查-核查”三级排查模式开展，同时应用GPS测试仪、便携式CO测定仪和红外热成像仪准确识别火区点位温度、CO浓度等数据。一级排查通过分辨率为1m的高分遥感卫星影像数据，结合乡（镇）上报信息，快速识别提取燃烧点、公路、水系、民房等信息，准确“筛查”露头火区点位及其影响范围；二级排查通过无人机航测，采集露头火区光学与热红外影像，开展全覆盖“详查”，核实已标注露头火区点位数据，查找其他高热异常点；三级排查通过人工现场排查，专业技术人员对上报露头火区点位与新增高热异常点位开展“核查”，进一步准确核实露头火区点位信息。

1.4火区探测成果通过三级排查完成44.85km2的光学影像采集和10.30km2的热红外影像采集，完成20个上报点排查，面积14.53万m2；新发现19个高温异常点，面积2.90万m2；对所有露头火区燃烧点进行了区域高分遥感数据获取与处理工作，解译分析露头火区周边关系，形成区域面积为250km2的遥感影像图，初步圈定露头火区（39处点位）面积17.43万m2，其中，14处位于前进镇、25处位于太平乡；影响范围面积1285.19万m2，其中，前进镇境内359.27万m2，太平乡境内925.92万m2。运用手持GPS测试仪、便携式CO测定仪、红外热成像仪实地勘察测量，2006年11处火点经后期治理，地面无明显裂隙、塌陷、无青烟，温度61~134℃，CO浓度86×10-6；2021年火区烟点呈带状分布、多处见裂隙、有青烟冒出，温度234~367℃，CO浓度112×10-6；2021年明火点位裂痕大、有塌陷空洞和青烟冒出，温度285~378℃，CO浓度135×10-6。

1.5火区影响与危害

（1）烧毁煤炭资源。我国煤田火灾破坏大量煤炭资源，每年烧毁煤炭量1000~1300万t，破坏优质煤炭资源近亿吨，露头燃烧点界限不清会给生产矿井设计造成很大失误。2021年度探测结果显示，宝鼎煤田露头大面积火区燃烧损失煤炭资源量为44.29万t。随着煤炭资源的不断开发利用，攀枝花市煤田露头火区发展呈加剧态势，点位不断变化、范围持续扩大，烧毁损失煤炭资源量将进一步增大。

（2）加大森林草原防灭火工作难度。攀枝花市每年12月1日至次年6月30日是森林草原防灭火期，其中，2月1日—5月31日为森林草原高火险攻坚期，不断迁移和增加的火区点位火险，随时可能点燃附近大量可燃物，将会给森林草原防灭火监测预警与排查整治工作增加难度。

（3）造成地表塌陷。宝鼎煤田急倾斜煤层下部煤层燃烧后形成大量裂隙或空洞，地表长时间处于悬空状态，在自重力影响下，经雨水浸泡会向对侧发生位移或突然垮落，形成地表裂缝和塌陷坑，例如2021年勘察发现宝鼎煤田火区裂缝宽度可达2.5m，长度延伸数公里，塌陷坑直径最大约2m，深10~15m。地表塌陷形成危险区，对附近居民和家畜、煤炭资源开发区和县道五摩路及多条乡村道路形成威胁。

（4）影响下部或者邻近的生产矿井安全。火区围岩孔隙接受地表渗漏水和地下潜水，储存于露头燃烧形成的烧变岩和采空区内，会造成下部矿井发生突水，对邻近的生产矿井的井下作业人员构成安全威胁，同时煤田燃烧可引发煤矿火灾、瓦斯爆炸、粉尘爆炸、顶板跨落等灾难性事故，给矿井安全生产造成严重威胁。宝鼎矿区39处火险区附近虽然均为已关闭的小煤窑，但距离正在生产的矿井最近约150m，虽有一定的安全距离，但随着火区的不断蔓延，将会对周边矿井构成严重威胁。

（5）破坏生态环境。煤炭资源燃烧过程中排放出大量的一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、二氧化硫、烟尘、二氧化碳，同时还向大气排放大量热量，严重污染攀枝花大气环境；同时，燃烧煤体经雨水淋溶形成含有害的重金属离子酸性水渗透到地下，污染区域地表水、地下水以及土壤；再者，在高温作用下，土壤脱水、矿物颗粒玻化和熔融，导致土壤致密坚硬，且结构和矿物发生变化，减弱了其抗风蚀和水蚀的能力，加剧了土地沙化和水土流失。

2露头火区特点及变迁原因

经对宝鼎煤田露头火区探测成果综合分析，得出宝鼎煤田露头火区具有分布范围广、点位变迁快和火险区域多等特征及诸多变迁原因。

2.1分布范围广宝鼎煤田露头火区沿煤层露头线呈“U”形分布，39处火区点位共涉及太平和前进2个乡（镇），影响范围面积达1285.19万m2，分布范围和影响区域甚广。宝鼎煤田煤层赋存条件好，埋深较浅，风氧化程度高，局部煤层有自燃发火倾向，同时因攀枝花天气干燥，气夏温最高可达40℃，季阵风达5级以上，极易引发大面积煤层露头火灾。

2.2点位变迁快统计对比发现，2006年宝鼎煤田火区11处点位面积为0.85万m2，治理后无明火，但温度和CO浓度仍居高不下；经过10余年迅速发展，到2021年火区点位数量激增近4倍至39处，面积由0.85万m2增加至17.43万m2，面积增量近20倍至16.58万m2，经统计燃烧损失煤炭资源量44.29万t，详见表1、表2。查阅相关资料发现，20世纪90年代末至今，全攀煤矿关闭整顿和煤炭资源整合过程中逐步关闭煤矿数量达100余处，矿山分布零散，井口密闭质量不高，且无人维护，已废弃的老窑采空区及煤层露头连通，导致许多关闭小窑井下漏风，因而供氧充足，极易引起煤层燃烧；另外宝鼎煤田大部分煤层属急倾斜，地下煤层燃烧后会导致上部采空区坍塌，随着燃烧深度和程度增加，形成的裂隙、坍塌空洞不断增大，加快了煤田火区的发展速度。

2.3火险区域多攀枝花市关闭煤矿、采空塌陷、地表盗挖煤炭资源出露等火险区域多、范围广，这些都是引发地面煤炭火灾的潜在因素，39处火险区面积合计17.43万m2，经乡（镇）反馈，后期点位数量和面积仍在增加，给攀枝花市森林防灭火工作带来了巨大挑战。通过分析，攀枝花夏季酷热少雨、冬季炎热干燥，宝鼎煤田所在区域地下水位较低，煤层燃烧后易沿煤层倾斜方位蔓延至露头；同时以往露头火区探测采用常规手段，难易精准和全方位查清大面积火险区域。2021年攀枝花市运用了新的探测手段，对处于动态发展过程中煤田火区，采用高分遥感卫星影像、红外和遥感无人机空中测量等新技术来圈定火区范围，提高了火区核查精度，高效找出火险区域相较于2006年火区勘察区域发生变化。

3露头火区治理措施

针对宝鼎煤田露头大面积火区的特点、特征及危害，可依照“分级防治、逐步推进、综合管控”的治理原则，划分优先治理区域等级，采取火情监测、火源探测、注水降温、注浆灭火、高温区（露头煤体）剥离、黄土覆盖等综合防治措施，判定燃烧点的现状、遏制火势的发展、减缓煤层氧化速度、封堵漏风通道、逐步窒熄火区，保障人民生命和财产安全。

3.1治理区域优先等级划分根据相关要素，可将治理区域按照优先等级划分为3级：一级优先治理区域，主要包括明火点、居民点、道路下及周边、密林周边、人员经常性滞留区，该类区域直接影响人民群众生命及财产安全；二级治理区域的主要特点为山顶等地形复杂处，较少出现人员生产生活活动的场所，尚不能直接威胁人民群众生命财产安全，但对森林防火构成压力，同时燃烧势头相对较猛烈；三级治理区域的主要特点为部分煤层露头点无明显异常，但相对周边地表温度较高。详见表3。

3.2防治措施（1）一级治理区域的目标为熄灭燃烧点，对太平乡龙潭村瓦房组花果山槽房梁子、革新村沟边组与前进镇交界梁子等10处明火点，其中3处居民点和8处密林及道路区域，宜采用火源探测、注水降温、注浆灭火、高温区（露头煤体）剥离、黄土覆盖、火情动态监测的技术措施。（2）二级治理区域为太平乡龙潭村瓦房组花果山槽房梁子、革新村沟边组与前进镇交界梁子等10处明火点、8处密林和山顶以及19处地表高温异常区，可同样在详查基础上进行注水、注浆降温灭火处理，条件困难时可先进行裂隙封堵以及黄土覆盖工作。（3）三级治理区域为8处密林和山顶以及19处地表高温异常区，应加强排查与监测，一旦出现温度逐步上升、温度异常区域面积增大现象，则需及时制定方案进行处理。

4结语

（1）宝鼎煤田火区有分布范围广、点位变迁快、火险区域多等特点，应依据2021年火区探测成果，将宝鼎煤田露头火区纳入森林草原防灭火专项整治工作，建立健全煤田露头火区监测预警机制，强化火情监测预警、快速预报和应急救援工作，管控住火势发展状态，及时防止新火点的出现和蔓延，为火区专项整治奠定基础。（2）宝鼎煤田火区的产生与发展由自然环境、煤矿开拓开采、防灭火手段、地质及水文条件等因素相互作用产生。故此，要督促企业主体防火责任履行，强化煤矿企业防灭火意识，认真落实好防灭火责任，确保攀枝花市森林草原防灭火工作的圆满完成。（3）针对宝鼎煤田火区个性特征，技术层面宜按照“分级防治、逐步推进、综合管控”的原则，划分3级防治等级，采取火情监测、火源探测、注水降温、注浆灭火、高温区（露头煤体）剥离、黄土覆盖等综合防治措施，逐步达到治理效果，保障一方平安。（4）随着攀枝花市未处置的39处在燃煤田露头火点持续发展，对地面建筑、道路交通、水利设施和自然环境等造成破坏，影响建设生态攀枝花的发展理念，所以，应在前期局部探测的基础之上，加快聘请专业机构进一步扩大对火区清查范围，尤其对其燃烧深度和影响广度切实查清、探明，并将此项工作纳入政府工作计划，预算专项资金，制定治理方案，务实高效扭转地区安全生产形势。

参考文献

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作者:郭宇 范永鑫 高航 单位:四川省安全科学技术研究院