１１０ 童瞒茬科技 乌鲁木齐大泉湖煤田自燃特征及环境影响 曹远远 陈飞 （工程学院，乌鲁木齐８３００２３） 摘要 乌鲁木齐大泉湖煤田构造基本为一北倾的单斜，地表缓，深部变陡，舍煤地层为中侏罗统西山窑组下段。干旱 的自然环境、煤质、埋藏浅、老窑、构造导致煤层自燃，自燃产物包括残留煤、煤灰、烧变岩，剖面上具有明显的分带规 律。气体中未监测有毒物质，受自燃污染的地下水主要以蒸发形式散失，残余部分赋存在烧空区。 关键词 大泉湖煤田 自燃 环境影ｖ向 中图分类号ＴＤ７５ ２ 文献标识码 Ｂ ｄｏｉ：１Ｏ．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５—２８０１．２０ｌ ７．０５．０４９ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ＤａＱｕａｎＨｕ ｃｏａｌｉｆｅｌｄ ｉｎ Ｕｒｕｍｑｉ Ｃａｏ Ｙｕａｎ—ｙｕａｎ Ｃｈｅｎ Ｆｅｉ （Ｘｉｎｊｉａｎｇ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｘｉ＠ａｎｇ Ｕｒｕｍｑｉ ８３００２３） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｒｕｍｑｉ ＤａＱｕａｎＨｕ ｃｏａｌｆｉｅｌｄ ｉｓ ｂａｓｉｃａｌｌｙ ｍｏｎｏｃｌｉｎｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｉｐｐｉｎｇ ｔｈｅ Ｎｏｒｔｈ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｓｕｒｆａｃｅ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ，ｓｔｅｅｐｅｎｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｅｐ，ｃｏａｌ ｂｅａｒｉｎｇ ｓｔｒａｔａ ｉｓ ｔｈｅ ｌｏｗｅｒ ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｉｄｄｌｅ Ｊｕｒａｓｓｉｃ Ｘｉｓｈａｎｙａｏ Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ， ｔｈｅ ｄｒｏｕｇｈｔｙ ｎａｔｕｒａｌ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｃｏａｌ ｑｕａｌｉｔｙ，ｂｕｒｉｅｄ ｓｈａｌｌｏｗ，ｏｌｄ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ，ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｌｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏａｌ ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｏｕｔｃｏｍｅ ｉｎｃｌｕｄ ｒｅｓｉｄｕａ１ ｃｏａｌ，ａｓｈ，ｂｕｒｎｔ ｒｏｃｋ ｓｅｃｔｉｏｎ，ｈａｓ ｏｂｖｉｏｕｓ ｚｏｎａｔｉｏｎ ｉｎ ｓｅｃｔｉｏｎ．Ｎｏ ｔｏｘｉｃ ｓｕｂｓｔａｎｃｅｓ ｉｎ ｇａｓ，ｔｈｅ ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｅｄ ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ ｍａｉｎｌｙ ｌｏｓｓ ｉｎ ｔｈｅ ｆｏｒｍ ｏｆ ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｐａｒｔ ｅｘｉｓｔｓ ｉｎ ｂｕｒｎｉｎｇ ｅｍｐｔｙ ａｒｅａ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＤａＱｕａｎＨｕ ｃｏａｌｉｆｅｌｄ ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｉｍｐａｃｔ １ 地质背景 １．１ 地层 含０．３ｍ以上的薄煤５－１１层，以粗碎屑岩多、厚度大， 煤层薄且分散为特征，该段平均厚３６２ｍ。 西山窑组在矿区及其附**均控制厚５５７．１ｍ， 最大控制厚５９２．５３ｍ，下部被断层破坏。地层由下 而上，由细变粗，经历了由湖相一泥炭沼泽相．河 流相的变化过程，含煤中部最好，上、下均差。 １．２构造 区内地层为中侏罗统西山窑组，地层北倾，倾 角４５。～８４。，浅部缓而深部陡，为泥岩、灰色粉砂 岩、细砂岩、灰白色粗砂岩及煤层。根据沉积旋回、 沉积环境、岩性以及煤层的赋存情况，由底至顶， 呵将本组划分为 段。 （１）泥岩、粉砂质泥岩段岩性主要为灰色， 深灰色泥岩，中夹薄的砂岩、细砂岩，该段地层受 西山断层破坏，厚６０．０１～１０５．７３ｍ，平均８２．８７ｍ。 研究区位于西山煤田东西向单斜１【Ｊ的南坡，地 层北倾，浅部缓而深部陡。 西山断层经该区通过，为一长期活动的断层， 该断层现每年仍以１．６ｍｍ的速度发生垂直形变。倾 （２）主含煤段，为灰褐色、灰色、灰黄色泥岩、 粉砂质泥岩、粉砂岩与细砂岩、砂岩的互层，夹０．３ｍ 以上的煤层８～１３层，平均厚２４．２６ｍ。因煤层自燃， 形成紫红色、砖红色的带状烧变岩。 （３）次含煤段，为一套灰黄色、灰白色、灰 色以砂岩、粗砂岩为主夹细砂岩、泥岩互层的地层， 收稿日期 ２０１７－０２—１４ 作者简介 曹远远（１９８５－），男，安徽人，教师，研究生，从事固体矿产、 基础地质教学研究工作。 向北北西，与地层倾角交角小，对单斜地层深部彤 成斜切破坏。深部切穿煤层，南北向小断层、裂隙 发育。 １＿３ 煤地质 煤层有纯亮煤，丝质暗亮煤和丝质亮暗煤。 煤层镜质组反射率在０．６６～０．８４之间，胶质层厚度 变化很大，从０～１０５ｍｍ，灰分为５．５１～ｌ１．９７％，伞 硫０．３９～１．１１％，磷为０．００５～０．０１３％，煤的发热量为 东穗茬舛技 ２８．８ｌ～３２．８０ＭＪ／ｋｇ，焦油产率６．４２Ｍ２．１２，总体为特 低灰一低灰，特低硫．低硫、特低磷一低磷、中高一 煤层埋藏浅，部分暴露地表．区域主构造东西向， 垂直主构造 向，南．ｊ匕向发育一系列节理、次级断 层，结合部分老窑形成采空区沟通煤层 １』．地表的连 通性，有利于煤层自燃： 西山煤层变质层度低，以亮煤为主，质脆易碎， 经动力作用破碎后与空气接触面增加，挥发分含量 高，煤层易于自燃．丝炭含量高煤层也易于自燃， 高发热量的富油一高湘煤，是动力用煤和民用煤， 也呵作为气化和炼油片ｊ煤… ． ２ 烧变特征及自燃因素 鸟鲁术齐大泉湖煤Ｈ１自燃带尔西走向Ｋ为 ２６００ｍ，南北平均宽为１２３ｍ．燃烧深度为７－－－１３４ｍ，． 沿自燃带｝｛Ｉ露红色、黄褐色烧变岩，大部地下燃烧， 煤层遭受地下水浸，其含有黄铁矿的等易溶物质溶 解后使煤层疏松孔隙度增加而易自燃，（煤层自燃 导致岩体受热．形成热破坏裂隙，自燃后的煤层形 成烧空区，引起［ 覆岩层垮落形成更大范同的裂隙 在地表形成高温异常带，局部形成烧空塌陷区。 ２．１ 自燃煤层烧变产物及剖面特征 煤自燃后产物主要有煤灰／残留煤，岩层受煤 层燃烧时产ｌ牛的高温影响，其原岩结构、构造及成 分发牛程度不等的改变ｊ临近自燃煤层烧变程度高， 场，在热力风 的作用下，裂隙场为地表新鲜空气 向火区供氧提供了输运通道，使煤层自燃沿走向、 倾向发展Ｉ 。 远离燃烧区过渡为正常岩石。在沿垂向一般为焙烧 黏土一煤灰／残留煤（冈１）一（烧熔岩）烧熔角 砾岩（ ２）一层状烧变岩（图３）一正常岩层。 焙烧黏土：由高岭石质粘土烧烤而成。呈瓷广１、 浅灰、微红自、浅揭色。烧变隐品或微晶结构，块 状构造 岩石致密坚硬，岩性较脆，瓷状断ｒ】，断而 细滑，含粉砂较多者微有粗糙感。 煤灰：煤层燃烧为灰烬，煤灰呈灰白色亦 浅 图ｌ 残留煤 红色、杂色粉末状，具吸湿性，比重小．质地疏松、软 残留煤：呈灰黑．钢灰色，似金属光泽，条痕 灰黑色。术．碎块状，具焦化现象。 烧熔岩：高温导致岩石熔融，冷凝形成炉渣状 或浮岩状的岩石。一般颜色深而单一，多呈黑色、 紫黑色及紫红色 气孔密布。 火烧角砾岩：系泥岩、砂岩等经煤层白燃焙烧， 坍塌破碎、蘑新胶结而呈角砾状，浅红色、灰黑色、 青色及杂色，岩石矿物成分已不易分辨。 层状烧变岩：泥岩、砂岩等经煤层自燃烘烤形 成，原岩结构构造保完整，常为变余泥状结构、变 余粉砂结构，植物化石亦保存完整，红色、红色及 少量青色 图２ 烧变角砾岩 焙烧黏土、烧变岩，部分地段可做可形成建材、 耐火材料、水泥配料．火烧角砾岩町做景观材料１３，４１。 ２．２ 自燃诱发因素 煤自燃受地质条件、环境气候（温度、湿度等）、 图３ 层状烧变岩 开采技术、堆积方式和储运条件等外部因素和煤化 程度、煤岩的成分、含硫量、水分、挥发分等内部 因素控制 ｌ。 干燥炎热的气候条件加速煤的氧化，西山地区 ３环境影响 大泉湖煤田Ａ燃带距建筑 ２７０ｍ，建筑区基底 相当大范嗣内底部无煤层，所以无自燃、塌陷的口『 能。煤层顶、底板多为长 岩 砂岩、粉砂岩、泥岩， ｌ１２ 娃茬针技 ２０１７年第５期 比较稳定，当前自燃煤层顶板岩层在干燥状态下单 向抗压强度为１０２．１ＭＰａ，为稳定性良好顶板；底板 煤质、老窑采空区，东西向大断裂及次生断裂导致 煤层自燃，烧变产物由底到顶依次为残留煤、煤灰、 烧变岩，其纵向和横向剖面上具有明显的分带规律。 煤层自燃虽对建筑群、生态环境基本无影响， 岩层天然状态下单向抗压强度８３．７３ＭＰａ，为稳定性 良好底板。煤层自燃火烧之后形成的火烧岩强度提 高，完整性和稳固性增强，形成了邻近的刚性保护层， 经地质环境监测院调查，认为建设用地范围内 但也有一些隐患，需排查危险源及次级灾害，开展 煤田灭火。 【参考文献】 地质灾害危险ｌ生小，建设场地适宜性为适宜。 西山煤层中氟、氯、砷的含量较低，一般氟（Ｆａｄ） 含量为４０．Ｏ－９８ｆｌｇ／ｇ氯（Ｃｌａｄ）含量为０．００３－０．０１３％， 砷（ＡＳａｄ）含量为１．０－５．Ｏｆｌｇ／ｇ，均在民用煤允许范 围内，且煤层地下燃烧为主，目前仅及少量燃至地 ［１］ 孙有济．乌鲁木齐市头屯河幅Ｋ一４５—７一Ｂ西 山煤矿幅Ｋ－４５．７．Ｄ米泉县幅Ｋ．４５培．Ａ鸟鲁木齐 市幅Ｋ一４５—８一Ｃ １／５万区域矿产调查城市综合勘 察报告［Ｍ】．乌鲁木齐，地质矿产资料馆， １ ９８８：２０．２４． 表，散失氮硫化物较少 。根据乌鲁木齐市环境监 测中心设立在周边的环境质量监测点的数据分析， 检测数据稳定，未发现有毒有害物质。 区内干旱，地下水以融雪和大气降水为补给， ［２］ 张秀山．煤田火烧区特征及其勘探灭火问题 探讨．西北地质，２００１，３４（１）：１８－２６． ［３］ 孙家齐，马瑞士，舒良树．乌鲁木齐煤田自 燃烧变岩岩石特征［Ｊ］．南京建筑工程学院学报， ２００１（４）：１５—１９． 以蒸发和泉水形式排泄，单位涌水量在０．１Ｌ／ｓ．１ＴＩ以 内，隔水层较稳定，透水性差，层间隔水性强，含 水层水力联系差。断层透水性也很微弱，且西山断 ［４］ 姬建虎，谢强燕，王长元．煤自燃内在影响因素分 析［Ｊ】．矿业安全与环保，２００８，（３）：２４—２６． 层在自燃带南部，对煤层自燃污染地下水运移无的 影响。受自燃污染的地下水以蒸发形式散失，残余 部分赋存在烧空区。 ４结论 ［５］ 刘伟，秦跃平，杨小彬，等．挥发分对煤自燃特 性影响的实验研究［Ｊ】．煤炭学报，２０１４，３９（５）： ８９１．８９６． ［６］ 寇砾文，蒋曙光，王兰云，等．煤自燃指标气 体产生规律及影响因素分析［Ｊ］．矿业研究与开 发 ２０１２，３２（２）：６７—７０． 乌鲁木齐大泉湖煤田干旱自然环境、埋藏浅、 （上接第１０９页） 推进，西部煤层顶板遭破坏，易于导通上部含水层 的水汇人工作面，故对于该工作面东部的开采Ｔ作 应加强防治水工作。 Ｂ类异常３ 煤上１０ｍ砂岩地层的中等程度富 水区，从该层位富水性分布图来看，在该类异常区， 等值线梯度变化较大或呈现相对低阻闭合圈分布， 以Ｂ１标记。Ｂｌ位于测区东部，测区地层整体西高 东低，测区地下水由西往东运移，使Ｂ１区富水， Ｂ １区富水性中等；该类异常面积约为４６９３００ｍ 。 除Ａ类异常区、Ｂ类异常区外，其他区域为弱 富水或不富水。 ３ 煤层的上２５、４０ｍ的顺层切片电阻率图在这 里就不再详细说明了。综合３ 煤上１０ｍ，２５ｍ和 图３ ３ 煤上１０ｍ、２５ｍ、４０ｍ砂岩富水性分布图 【参考书目】 ４０ｍ的顺层电阻率切片图，做出富水分布图如图３。 ５结论 ［１］ 白登海，海四洋，张晗．瞬变电磁法在采空区水 探测中的应用［Ｊ］．中州煤炭，２００８（６）：４９—５０． 通过瞬变电磁方法，对煤层顶板很好地划分出 了水文异常区和富水强弱程度，也为以后的安全生 ［２］ 周韬，等．瞬变电磁法在煤矿水害防治的应用［Ｊ］． 中国煤田地质，２００４，１６（２）：４４－４６． ［３］ 吴桢福，等．电法勘探技术手册［Ｍ］．北京：地质 出版社。２０１１：２５１．２５９． 产和矿上防治水提供了科学的依据。圈定的富水异 常区分布于该工作面东部，随着后退式采煤工作的
