摘 要：總結(jié)了煤田滅火工程中常用的地球物理勘探方法，針對(duì)火區(qū)的溫度異常區(qū)和塌陷區(qū)、采空區(qū)分別作了討論，分析了每種物探方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：物探；煤田火區(qū)；煤田滅火

要準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)煤田火災(zāi)，要了解火區(qū)的地質(zhì)情況、發(fā)火原因、發(fā)火歷史，查明火區(qū)范圍內(nèi)的煤層賦存和燃燒煤層情況，確定火區(qū)邊界和燃燒深度，然后對(duì)火災(zāi)進(jìn)行科學(xué)有效處理，對(duì)滅火效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。地球物理物探對(duì)火區(qū)勘察、滅火工程設(shè)計(jì)、施工和滅火效果評(píng)價(jià)有著舉足輕重的作用。煤田滅火中的物探方法主要用來(lái)探測(cè)高溫區(qū)的邊界和深度，還有煤層燃燒產(chǎn)生的塌陷區(qū)和之前煤礦開采導(dǎo)致的采空區(qū)（塌陷區(qū)和采空區(qū)對(duì)滅火施工中的人員生命安全和機(jī)械正常工作有著直接威脅）。煤層在燃燒過程中或者燃燒過后，會(huì)使所在區(qū)域的地球物理特征發(fā)生變化，主要體現(xiàn)在燃燒區(qū)域的溫度、電場(chǎng)、電阻率和磁場(chǎng)的變化上，還有塌陷區(qū)和采空區(qū)的電阻率變化和氡氣異常。

1 煤田火區(qū)的地球物理特征

1.1 溫度異常。溫度升高是煤層燃燒釋放熱量最直接的表現(xiàn)。煤田火災(zāi)中的溫度異常表現(xiàn)為高溫異常。

1.2 自然電位異常。煤層燃燒會(huì)形成氧化還原環(huán)境，高溫區(qū)域聚集正電荷，高溫區(qū)域外部聚集負(fù)電荷。

1.3 電阻率異常。對(duì)燃燒區(qū)或高溫區(qū)而言，燃燒區(qū)一般為非金屬物質(zhì)，嚴(yán)格地說非金屬物質(zhì)都是半導(dǎo)體。在此類物質(zhì)中，傳導(dǎo)電流是由受激進(jìn)入導(dǎo)帶的電子遷移引起的，激發(fā)的能量來(lái)自熱擾動(dòng)，因此非金屬材料的電阻率一般隨溫度的升高而降低，而相對(duì)于圍巖來(lái)說反映為低阻。并且煤層在燃燒過程中形成燃燒場(chǎng)，場(chǎng)的中央由于燃燒形成水蒸氣，表現(xiàn)為相對(duì)于原始地層的低阻異常。燃燒過的場(chǎng)會(huì)變得疏松多空，在蒸汽散失后表現(xiàn)為高阻。對(duì)于塌陷區(qū)和采空區(qū)，電阻率表現(xiàn)為高阻，如果沖水則表現(xiàn)為低阻。

1.4 磁異常。煤系地層頂?shù)装逯匈x存著大量的鐵礦物成份（赤鐵礦、褐鐵礦、黃鐵礦、菱鐵礦），這些鐵礦物磁性微弱，而在煤層燃燒的作用下形成了大面積燒變巖體，冷卻過程中，燒變巖中的小磁疇會(huì)按照大地磁場(chǎng)重新排列，從而產(chǎn)生較強(qiáng)的磁性。

1.5 氡氣異常。煤層開采或者燃燒后，地下形成大面積采空區(qū)或者塌陷區(qū)，這些區(qū)域形成后，破壞了地層原有的天然應(yīng)力狀態(tài)，引起應(yīng)力重新分布，造成地面變形和裂縫，改變了地下氣體的運(yùn)移和聚集環(huán)境，對(duì)氡氣的運(yùn)移與富集有一定的控制作用。氡氣經(jīng)裂縫向上運(yùn)移，可在地表形成氡異常區(qū)。

2 煤田滅火工程中常用的物探方法

2.1 紅外成像。溫度不同，物體輻射出的紅外波頻率不同，紅外成像就是利用這個(gè)特性通過光學(xué)處理后形成溫度與圖像直觀對(duì)應(yīng)的成像手段。該方法真實(shí)客觀、操作便捷，在煤田火區(qū)普查和滅火效果評(píng)價(jià)中經(jīng)常用到。缺點(diǎn)是誤差較大，很難精確確定火區(qū)面積，觀測(cè)的是地表溫度異常，對(duì)地下異常空間展布的描述無(wú)能為力。

2.2 自然電位法。自然電位法是最古老的電法。如果高溫區(qū)域位于地下淺部位，在地表測(cè)線上的高溫區(qū)域表現(xiàn)為正電位，其他區(qū)域表現(xiàn)為負(fù)電位；如果高溫區(qū)域位于地下較深部位，在地表測(cè)線上的高溫區(qū)域表現(xiàn)為負(fù)電位，其他區(qū)域表現(xiàn)為正電位。燃燒區(qū)域深度超出一定范圍或者燃燒一段時(shí)間后，這種電性差異會(huì)表現(xiàn)微弱甚至沒有異常表現(xiàn)。

2.3 磁法。磁法是一種經(jīng)濟(jì)、便捷的物探方法。巖石燃燒后獲得的磁性強(qiáng)弱與燃燒程度和燃燒溫度有關(guān)，燃燒溫度越接近居里點(diǎn)，冷卻后燒變巖的熱剩磁場(chǎng)就愈強(qiáng)，反之愈弱。燃燒區(qū)域的磁化率和剩余磁化強(qiáng)度的值一般是正常區(qū)域的幾倍至幾十倍，但是磁異常的形態(tài)與多種因素有關(guān)，比如異常體的形狀、產(chǎn)狀、大小，難以用數(shù)學(xué)方法計(jì)算其磁場(chǎng)分布，因此在實(shí)際中很難準(zhǔn)確描述火燒區(qū)的位置，需要結(jié)合其他物探方法確定燃燒邊界，然后通過露頭產(chǎn)狀估算火燒區(qū)的深度，或者鉆探直接驗(yàn)證。

2.4 瞬變電磁法。瞬變電磁法是基于電性差異的物探方法。其基本原理是法拉第電磁感應(yīng)定律，在地面通過線圈供直流電形成穩(wěn)定磁場(chǎng)，當(dāng)電流突然斷開，由電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)隨即消失，在地下感應(yīng)出二次渦旋電流，渦旋電流隨時(shí)間推移呈環(huán)狀有地面向下、向外擴(kuò)散。渦流的大小與地層電導(dǎo)率有關(guān)，并隨深度增加而衰減。利用地面的線圈或探頭接收渦旋電流產(chǎn)生的二次磁場(chǎng)的感生電動(dòng)勢(shì)，根據(jù)隨時(shí)間變化按指數(shù)規(guī)律衰減的信號(hào)，經(jīng)處理解釋就可反應(yīng)地質(zhì)體電性分布與賦存深度?；谶@種特性，瞬變電磁法可以探測(cè)到燃燒區(qū)域的低阻特性和采空區(qū)（無(wú)充水）的高阻特性。瞬變電磁法的缺點(diǎn)是容易收到電磁干擾，工作時(shí)必須遠(yuǎn)離市區(qū)和工礦企業(yè)。

2.5 探地雷達(dá)。探地雷達(dá)又稱地質(zhì)雷達(dá)，作為一種反射波探測(cè)法，它利用發(fā)射天線向地下發(fā)射一定強(qiáng)度的短脈沖電磁波，電磁波在地下介質(zhì)中傳播時(shí)遇到存在電性差異的界面時(shí)發(fā)生反射，通過接收天線來(lái)接收這些來(lái)自地下介質(zhì)界面的反射信號(hào)，根據(jù)雷達(dá)波形、強(qiáng)度、雙程時(shí)間等參數(shù)推斷地下目標(biāo)體的空間位置、結(jié)構(gòu)、電性及幾何形態(tài)。具有探測(cè)速度快、分辨率高、抗電磁干擾能力強(qiáng)、現(xiàn)場(chǎng)能提供實(shí)時(shí)剖面記錄、圖像清晰直觀等優(yōu)點(diǎn)。但是運(yùn)用在煤田火區(qū)勘探中時(shí)，其探測(cè)深度較淺，無(wú)法滿足深部煤火勘探的要求。

2.6 活性炭測(cè)氡法?；钚蕴繙y(cè)氡法是一種靜態(tài)、累積的測(cè)氡方法?；钚蕴靠梢晕礁鞣N氣、液態(tài)物質(zhì)，具有較強(qiáng)的吸附能力?；钚蕴繛榉菢O性吸附劑，氡為非極性單原子分子。因此活性炭對(duì)氡具有較強(qiáng)的吸附能力。當(dāng)氡運(yùn)移到活性炭表面時(shí)，很快被吸附，造成其周圍的氡濃度降低。在濃度差的作用下，高濃度的氡不斷向活性炭運(yùn)移，直至吸附的氡達(dá)到最大值，并與周圍的氡濃度達(dá)到平衡。地下煤炭燃燒勢(shì)必造成高溫高壓的環(huán)境，加之燃燒區(qū)頂部存在著大量的裂隙，這勢(shì)必加快氡氣上移的速度，因此能夠在地表形成較高的氡氣異常。活性炭測(cè)氡法具有靈敏度高、精度高、抗干擾強(qiáng)、探測(cè)深度大等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)作為一種有效、便利的物探方法大量應(yīng)用于煤礦采空區(qū)的探測(cè)和采空區(qū)煤層自燃中。該方法的缺點(diǎn)是由于地下情況極其復(fù)雜，地下的氡氣運(yùn)移路徑曲折多變，測(cè)得的數(shù)據(jù)可能與測(cè)點(diǎn)正下方位置不對(duì)應(yīng)。

3 結(jié)語(yǔ)

燃燒異常體在地下的分布往往是復(fù)雜的，而且各種物探方法的探測(cè)特性各異，煤層燃燒產(chǎn)生的異常在各種物探方法中的表現(xiàn)并不總是絕對(duì)的，要準(zhǔn)確判斷異常位置，建議采用多種物探方法相互驗(yàn)證，在滅火施工過程中采用鉆孔驗(yàn)證。除上述物探方法外，對(duì)于淺部煤田火區(qū)，可嘗試高密度直流電法，對(duì)于還未被發(fā)現(xiàn)的深部煤田火災(zāi)，可嘗試在勘查和監(jiān)測(cè)階段應(yīng)用淺層地震、無(wú)人機(jī)搭載高精度磁測(cè)和紅外探測(cè)等手段。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳龍.紅外成像在煤田探火中的應(yīng)用技巧[J].中國(guó)西部科技，2009， 8（10）.

[2] 楊永明.綜合物探手段在煤田滅火中的作用[J].中國(guó)煤田地質(zhì)， 2004，16（04）.

[3] 蔡忠勇.高分辨和瞬變電磁法在煤田火區(qū)環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害治理中的應(yīng)用[J].中國(guó)礦業(yè)，2008，17（09）.

[4] 宋雷，黃家會(huì)，南生輝.地質(zhì)雷達(dá)用于探測(cè)煤田自燃區(qū)的研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，1999，27（12）.

[5] 楊建軍，申燕，劉鴻福.測(cè)氡法和瞬變電磁法在探測(cè)煤礦采空區(qū)的應(yīng)用[J].物探與化探，2008（06）.

[6] 孫林.高密度電阻率法與淺層地震在探測(cè)煤田采空區(qū)中的應(yīng)用[J].物探與化探，2012，36（s）.

作者簡(jiǎn)介：袁宇（1987- ），男，湖北松滋人，碩士研究生，現(xiàn)主要從事煤田火區(qū)勘探與滅火工程評(píng)價(jià)研究工作。