賈新勇

新疆維吾爾自治區(qū)煤田滅火工程局

煤田火災(zāi)探測技術(shù)研究

賈新勇

新疆維吾爾自治區(qū)煤田滅火工程局

煤田火災(zāi)探測是煤火治理的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是地球物理勘探面臨的新課題。本文總結(jié)了煤田火災(zāi)異常的地球物理特征參數(shù)，提出了基于異常特征的煤火探測體系，針對不同的特征對火區(qū)類型進(jìn)行了劃分，根據(jù)各火區(qū)類型的特性進(jìn)行了與之相適應(yīng)的探測方法的探討。

煤田火災(zāi)；煤火；火區(qū)類型；探測

0 緒論

煤田火災(zāi)危害極大，煤炭燃燒不僅對煤炭資源造成巨大損失，而且破壞地表水土、污染大氣環(huán)境。煤火治理一直是人類面臨的巨大挑戰(zhàn)，而煤火準(zhǔn)確探測是煤火治理的前提和關(guān)鍵，探測結(jié)果的準(zhǔn)確性直接影響到后續(xù)施工設(shè)計(jì)及施工過程中人員和設(shè)備的安全。

煤炭在地下的高溫燃燒改變了火區(qū)周邊的熱場、地磁場、電場，火區(qū)發(fā)生、發(fā)展不同階段的地球物理響應(yīng)特征也不盡相同。通過對特征參數(shù)的提取、分析，可對火區(qū)燃燒的范圍、規(guī)模做出判斷和確定。

煤火異常的地球物理特征參數(shù)的準(zhǔn)確提取是煤火探測技術(shù)的基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上有針對性的選擇勘探手段。同時(shí)，對不同火區(qū)類型進(jìn)行總結(jié)，選擇相對應(yīng)的勘探方法，提出基于異常特征的煤火探測體系，對準(zhǔn)確認(rèn)識煤田火災(zāi)有著重大意義。

1 煤火異常地球物理特征及參數(shù)提取

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。煤火溫度超過100℃，高溫區(qū)域中心溫度超過600℃。

1.2 自然電位異常

煤層從氧化自熱到燃燒是一個(gè)氧化過程，在火區(qū)上觀測到的自然電場是氧化——還原電場。當(dāng)煤層燃燒時(shí)處于高溫環(huán)境中，在高溫作用下加速了上部煤層的氧化，形成氧化帶，而下部煤層由于缺氧，形成還原帶，因此上部煤層帶正電，下部煤層帶負(fù)電，其周圍巖層頂?shù)装寰托纬闪俗匀浑妶龌芈?。地表觀測的自然電位異常持續(xù)到燃燒過程殆盡。煤火的自然電場電位差大于60mV。

1.3 磁異常

煤系地層頂?shù)装逯匈x存著大量的含鐵礦物成分，這些鐵礦物在不受高溫作用時(shí)表現(xiàn)為弱磁性，而在煤層自燃的高溫作用下，鐵磁性鐵礦物的矯頑力隨著溫度的升高而減少，當(dāng)燃燒過程殆盡時(shí)溫度下降，在磁場的作用下磁疇的矯頑性隨著磁場方向而重新排列起來，形成強(qiáng)磁性。因此，未燃燒的煤層，其磁場值為大地磁場(正常磁場)；燃燒后的煤層，其磁場強(qiáng)度表現(xiàn)為正異常。煤火異常區(qū)的磁場強(qiáng)度大于200nT。

1.4 視電阻率異常

嚴(yán)格的說，地層屬于非金屬，在這類物質(zhì)中，傳導(dǎo)電流是受激進(jìn)入導(dǎo)帶的電子遷移引起的，被激發(fā)的能量來自熱擾動，因此非金屬材料的電阻率一般隨溫度的升高而降低。另外，巖石中的水對電導(dǎo)率有決定性的影響，即使存在極少量的水，巖石的電阻率會急劇降低。因此，處于燃燒初期的煤層，燃燒產(chǎn)生大量水，水的產(chǎn)生速率大于散失速率，并且地層視電阻率值隨溫度的升高而降低，視電阻率值低；燃燒中期的干燥煤層，燃燒水的產(chǎn)生速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上散失速率，一般為高電阻率值。燃燒過程中后期的電阻率值大于100Ω·m。

1.5 氡氣異常

氡氣廣泛存在于地球表面的巖石和土壤中。煤層開采或者煤層燃燒后，在地下形成大面積的采空區(qū)或者塌陷區(qū)，對氡氣的運(yùn)移與富集具有一定的控制作用。采空區(qū)或者塌陷區(qū)形成以后造成的向采空區(qū)或者塌陷區(qū)傾斜的裂隙帶，在地表能觀測到氡氣異常。煤火異常區(qū)域的氡氣濃度值為2~3倍本底值。

2 基于異常特征的煤火探測體系

2.1 紅外成像

不同溫度的物體輻射出的紅外波頻率不同，紅外成像是利用物體本身的溫度差異，通過光學(xué)處理后形成溫度與圖像直觀對應(yīng)的成像手段。利用紅外成像技術(shù)可以確定煤田火區(qū)的進(jìn)風(fēng)區(qū)域和出風(fēng)區(qū)域；估算煤田火區(qū)的燃燒面積；還原紅外成像的真實(shí)溫度等。如圖1。

紅外成像是一種簡單便捷的火區(qū)勘探方法，然而勘探精度受限，并且對真實(shí)溫度的反演校正有一定的困難。因此，在實(shí)際火區(qū)勘查中，紅外成像作為一種輔助的前期勘查手段，大致識別地表高溫異常區(qū)，為后續(xù)詳細(xì)勘探方法的測線布設(shè)提供依據(jù)。

圖1 紅外成像與可見光圖像對比圖

2.2 遙感影像

遙感影像可以大面積監(jiān)測火區(qū)，通過獲取全疆已治理火區(qū)、在燃火區(qū)、風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的航空航天紅外和可見光影像，提早發(fā)現(xiàn)新生火區(qū)并進(jìn)行治理，降低因新生火區(qū)未及時(shí)識別所導(dǎo)致的治理難度、治理時(shí)間和治理費(fèi)用；已經(jīng)施工的火區(qū)，進(jìn)行火區(qū)的監(jiān)測一方面檢驗(yàn)火區(qū)的滅火效果，另一方面確?；饏^(qū)的滅火效果，減少火區(qū)因不合法的亂采亂挖復(fù)燃；利用在燃火區(qū)的時(shí)間序列監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合火區(qū)基礎(chǔ)地理地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析，判斷火區(qū)的發(fā)展和蔓延速度，進(jìn)行科學(xué)合理的確定火區(qū)治理優(yōu)先級，從而減少在資金人力有限的情況在燃火區(qū)未得到及時(shí)治理而導(dǎo)致火區(qū)規(guī)模和治理難度加大。

對2014年12月16日高分二號可見光影像進(jìn)行處理分析，提取出了大泉湖火區(qū)范圍(圖2)，同時(shí)，利用實(shí)地拍攝照片進(jìn)行了驗(yàn)證，準(zhǔn)確度較高。

圖2 大泉湖火區(qū)2014年12月16高分影像

2.2 電法

電法勘探是當(dāng)前解決煤田火區(qū)勘察中煤層燃燒深度、火區(qū)面積、地下采空區(qū)、地下高溫區(qū)和煤層燃燒發(fā)展趨勢等問題的重要勘探方法。它利用煤層和周圍巖層之間電磁學(xué)及電化學(xué)性質(zhì)的差異，通過觀測和研究天然存在或建立人工的電磁場空間和時(shí)間分布規(guī)律，來勘察地質(zhì)目標(biāo)和解決地質(zhì)問題。在煤田火區(qū)勘探中，電法勘探是使用頻率最高、應(yīng)用面最廣和解決問題較好的方法。

(1)自然電場法

煤層的燃燒形成一個(gè)相對穩(wěn)定的氧化——還原電場，上部煤層帶正電，下部煤層帶負(fù)電，其周圍巖層頂?shù)装寰托纬闪俗匀浑妶龌芈?。在燃燒煤層上方的地表可觀測到相對正常背景值的自然電位變化，可以利用這種自然電位差異圈定煤田火區(qū)范圍；結(jié)合地層產(chǎn)狀界定煤層燃燒深度；確定煤層燃燒的發(fā)展趨勢和施工時(shí)注水的水流方向等。自然電場法的優(yōu)點(diǎn)是裝置簡易，施工方便；缺點(diǎn)是對高溫區(qū)的分辨率較低，對燃燒末期的煤火識別效果不佳。如圖3(2)曲線所示，自然電位負(fù)異常值曲率最大、最小值之間的區(qū)域?yàn)槊夯鸶邷禺惓^(qū)。

(2)高密度電阻率法

高密度電阻率法是采用一般的電法裝置，將極距和點(diǎn)距加密，提高對地層的控制程度，獲得豐富的地質(zhì)信息，并采用反應(yīng)電場分布的電阻率層析成像技術(shù)，提高了對地質(zhì)體的水平和垂直分辨率。在煤火探測上具有比較明顯的效果。如圖4中125m-160m處高阻異常為煤火高溫區(qū)域。

(3)瞬變電磁法

瞬變電磁法是基于電性差異的一種交流電法。利用地面的線圈或探頭接收地下渦旋電流產(chǎn)生的二次磁場的感生電動勢，根據(jù)隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律衰減的信號，經(jīng)處理解釋，可了解異常體電阻率分布與賦存深度；電導(dǎo)率愈大，渦流愈強(qiáng)，在地面觀測的場強(qiáng)愈大。利用這種方法可以確定地下采空區(qū)和地下高溫區(qū)的位置；判斷煤層燃燒發(fā)展趨勢和斷層、裂縫的垂向延伸及傾向。瞬變電磁法成果剖面圖與高密度電阻率法相似。

圖3 磁法和自然電位法剖面圖

圖4 高密度電阻率剖面圖

2.3 磁法

磁法勘探是利用煤系地層及其圍巖在高溫作用下的磁場強(qiáng)度異常來圈定煤田火區(qū)范圍；界定煤層燃燒深度；描述煤層燃燒的發(fā)展蔓延趨勢。一般來說這些巖層在不受高溫作用時(shí)是弱磁性，而在煤層自燃的高溫作用下，鐵磁性鐵礦物的矯頑力隨著溫度的升高而減少，在地磁場的作用下磁疇很容易隨著磁場方向而重新排列起來。而巖層在高溫作用下發(fā)生了質(zhì)的變化，形成大面積燒變巖，大部分燒變巖結(jié)構(gòu)破碎，顏色多為褐色和紅色，伴有大面積塌陷，在溫度冷卻過程中將會在煤層頂?shù)装逦恢卯a(chǎn)生很強(qiáng)的磁場強(qiáng)度，磁場強(qiáng)度值可以被地表儀器觀測記錄。如圖3(1)所示，磁異常曲線最大最小值的中間位置為燃燒的煤層露頭處，煤火高溫異常在煤層傾向上的規(guī)模則依據(jù)自然電位異常曲線和地表燃燒特征等信息確定。

2.4 活性炭測氡法

通過在地表布設(shè)活性炭測氡網(wǎng)，統(tǒng)計(jì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，區(qū)域內(nèi)作等值線圖，可以直觀的判斷煤火異常區(qū)。基于上述原理，利用氡氣的濃度異?？梢耘卸夯鹞恢谩Ｈ鐖D5。

圖5 活性炭測氡法識別煤火異常區(qū)

3 煤火探測體系的建立

第四次新疆煤田火區(qū)普查結(jié)果顯示，截至2015年底新疆仍有未治理的在燃火區(qū)46處，火區(qū)總面積669萬m2。不同類型的火區(qū)有著不同的特點(diǎn)，并且不同的探測方法有不同的探測特性，因此，有必要對不同火區(qū)類型進(jìn)行探測方法的討論。

按火區(qū)發(fā)展態(tài)勢可將火區(qū)分為：新發(fā)生火區(qū)、發(fā)展中火區(qū)、熄滅狀態(tài)火區(qū)；按地質(zhì)構(gòu)造分為：急傾斜煤層火區(qū)和緩傾斜煤層火區(qū)；按地形地貌分為：高差較大復(fù)雜地形火區(qū)、相對平坦開闊地形火區(qū)；按火源深度分為：淺部火源火區(qū)和深部火源火區(qū)。

新生火區(qū)煤火燃燒時(shí)間短，燃燒體體積和蓄熱量相對較小，火區(qū)地表無塌陷和裂隙。此時(shí)燃燒體發(fā)火不久，磁異常值微弱，燃燒體磁異常值與圍巖磁場值相差不大，因此此類火區(qū)用磁法很難分辨燃燒邊界。但此時(shí)部分水分子受高溫作用向地表擴(kuò)散，燃燒體正發(fā)生著強(qiáng)烈的氧化還原反應(yīng)，在局部形成較明顯的氧化-還原電場。故這時(shí)采用自然電場法和紅外成像、遙感影像可以有效的捕捉燃燒體的物性異常，如果探測面積較大，適當(dāng)補(bǔ)充鉆探佐證。發(fā)展中的火區(qū)已經(jīng)形成完備的燃燒系統(tǒng)，燃燒動力強(qiáng)，地表開始出現(xiàn)塌陷和裂隙，燃燒體蓄積了大量的熱能，此階段燃燒體及其圍巖的物性發(fā)生了根本的變化。例如：磁場值隨溫度升高而緩慢升高，而當(dāng)溫度達(dá)到或超過720℃(居里溫度)時(shí)磁場值會迅速下降；燃燒體及其圍巖的電阻率也發(fā)生了根本變化，燃燒體中心區(qū)域呈高阻，一般電阻率值大于100Ω，其圍巖由于受高溫蒸餾作用，含有大量的水分和煤焦油，此時(shí)圍巖呈低阻，一般電阻率值小于70Ω；燃燒體在劇烈燃燒時(shí)，形成高溫高壓環(huán)境，并產(chǎn)生大量的水蒸氣、一氧化碳、二氧化碳、甲烷等，加之燃燒區(qū)頂部存在著大量的裂隙，這勢必加快了氡氣上移的速度，此階段在地表能夠形成較高的氡氣異常。因此發(fā)展中的火區(qū)應(yīng)選用磁法、自然電場法、高密度電阻率法、活性炭測氡法等。熄滅狀態(tài)下的火區(qū)，當(dāng)?shù)叵氯紵w熄滅后，溫度是一個(gè)緩慢下降的過程，一般需要幾個(gè)月甚至幾年。此階段燃燒體及其圍巖的物性也發(fā)生著緩慢的變化：燃燒體及其圍巖的磁異常值隨溫度的降低逐漸升高，當(dāng)溫度下降到一定范圍穩(wěn)定不變時(shí)，磁異常值也趨于穩(wěn)定，此時(shí)的磁異常值為正異常，一般為該地區(qū)平均磁場值得20-25倍；燃燒體及其圍巖燃燒所產(chǎn)生的氧化-還原電場也隨溫度的降低逐漸消失，當(dāng)溫度下降到一定范圍穩(wěn)定不變時(shí)，自然電位值得變化率也趨零。因此熄滅狀態(tài)下的火區(qū)應(yīng)選用自然電場法、磁法，同時(shí)，燃燒后的地層與原狀地層的電阻率相比也發(fā)生顯著變化，因此，還可以采用高密度電阻率法監(jiān)測火區(qū)的熄滅狀況。

地形地貌復(fù)雜高差較大的火區(qū)，在實(shí)際野外勘探中經(jīng)常遇見，給野外勘探工作帶來了諸多不便，為降低勘探成本，提高工作效率，可選用磁法、自然電場法和小線圈瞬變電磁法，減小地形影響誤差。若火區(qū)地形平坦開闊，以上所有物探方法均可適用，但為了提高勘探精度，可以選做大電源中心線圈的瞬變電磁法和三維高密度電阻率法，為三維立體解析提供有效的信息。

淺部火源火區(qū)一般為燃燒體較淺的地表明火，這類火區(qū)有發(fā)火時(shí)間較短，燃燒劇烈等特點(diǎn)。根據(jù)燃燒體的物性特征，大部分物探方法都適用于該類型火區(qū)，尤其是紅外成像、遙感影像效率較高，但磁法在物性異常上不是太明顯，因此在探測淺部燃燒體和新發(fā)火區(qū)時(shí)一般不選用磁法。深部火源的火區(qū)一般是由礦井火引起的，有穩(wěn)定的燃燒系統(tǒng)，一般裂隙和塌陷發(fā)育。由于距離地表較遠(yuǎn)，加大了探測難度，多數(shù)物探方法都不能有效探測出地下燃燒體的物性特征，有針對性的選用以活性炭測氡法為主、瞬變電磁法為輔的勘探手段，在勘探區(qū)以碎步點(diǎn)的形式采集單點(diǎn)數(shù)據(jù)，最終結(jié)合單點(diǎn)坐標(biāo)繪制氡異常等值線平面圖和不同深度的視電阻率等值線平面圖，根據(jù)以上兩種平面圖解析地下燃燒體的范圍和深度。

急傾斜煤層由于煤層傾角較大，一般燃燒深度較深，在布設(shè)測線時(shí)，時(shí)常會遇到火區(qū)特征點(diǎn)物性不明顯等問題，可以采用高密度電阻率法法、瞬變電磁法進(jìn)行勘探。緩傾斜煤層由于煤層傾角較小，地下燃燒體及頂?shù)装迨芨邷睾婵疚镄园l(fā)生變化，在地面觀測時(shí)容易相互疊加和干擾，給資料解析帶來諸多干擾，但是總體表現(xiàn)出比較明顯的物性異常，多種勘探方法都可有效識別，尤其是高密度電阻率法可對地下異常體實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)重復(fù)覆蓋的方式進(jìn)行測量，有效的凸顯了異常體，從而達(dá)到精確識別的目的。

根據(jù)上述不同探測方法的特點(diǎn)，根據(jù)不同火區(qū)類型的特點(diǎn)，結(jié)合滅火工程局多年的理論與實(shí)踐的探索，總結(jié)了與各類火區(qū)相適應(yīng)的探測方法。如圖6。在實(shí)際火區(qū)勘探中，可以有針對性地選擇合適的探測方法對火區(qū)進(jìn)行勘探，在時(shí)效和精度上變得高效和精確。

圖6 煤火探測體系的建立

4 結(jié)論與建議

(1)對煤火異常進(jìn)行多種特征參數(shù)的提取對精確探測煤火異常具有重要意義；

(2)多種探測方法與多種不同類型的火區(qū)建立相對應(yīng)的聯(lián)系，建立的煤火探測體系對煤火治理具有指導(dǎo)作用；

(3)煤火高溫異常體內(nèi)的溫度分布不均勻，變化規(guī)律不明顯，加之火區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜燃燒及發(fā)展?fàn)顟B(tài)不可見，建議對火區(qū)采用多種勘探方法相互驗(yàn)證分析。

[1]新疆煤田滅火工程局. 新疆第四次煤田火區(qū)普查報(bào)告[R]. 2014.

[2]鄧軍，李貝，王凱，王彩萍. 我國煤火災(zāi)害防治技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2016，10：1-7+101.