王 剛

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

主要有：地下煤火造成的災(zāi)害是在煤田利用和開(kāi)發(fā)中形成的，已經(jīng)在奧大利亞、中國(guó)、美國(guó)等國(guó)家和區(qū)域經(jīng)常發(fā)生[1]。煤田火災(zāi)已經(jīng)成為涉及資源保護(hù)、環(huán)境治理、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口的問(wèn)題，也是阻礙中國(guó)煤炭資源可持續(xù)開(kāi)發(fā)與礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展的重要議題。煤田火區(qū)探測(cè)方法主要有：磁法、電阻法、測(cè)氡法、紅外熱成像法、遙感法，這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，基于此，研究了測(cè)汞法探測(cè)煤田火區(qū)和露天煤礦火區(qū)，開(kāi)辟了一種全新的煤田火區(qū)探測(cè)方法。

1 我國(guó)煤田火區(qū)現(xiàn)狀

我國(guó)的煤田火災(zāi)主要發(fā)生在干旱少雨的西北部區(qū)域，包括新疆、內(nèi)蒙古等區(qū)域，上述區(qū)域煤田火災(zāi)燒毀面積將近720 km2，其中世界上最大的煤田火區(qū)是燃燒近千年的新疆煤田火區(qū)。新疆區(qū)域煤田火區(qū)共有44 個(gè)，火區(qū)面積為992 萬(wàn)m2[2]。內(nèi)蒙古烏海、桌子山、東勝等區(qū)域有1 903 萬(wàn)m2的煤田火區(qū)，其中2009 年國(guó)家權(quán)威部門(mén)探測(cè)得出僅在烏海煤田就有481.2 萬(wàn)m2的煤田火區(qū)。據(jù)估算在寧夏地區(qū)有394.56 萬(wàn)m2煤田火區(qū)，受火區(qū)影響7 872.58 萬(wàn)t 煤不能開(kāi)采，每年100 萬(wàn)t 煤被燒毀。煤炭自燃不僅造成大量煤炭被燒毀，而且大氣環(huán)境受到煤自燃所釋放的有毒有害氣體的嚴(yán)重污染，同時(shí)嚴(yán)重威脅了煤礦人員的生命安全[3-4]。

2 煤田火區(qū)的探測(cè)方法

2.1 煤田火區(qū)探測(cè)目前主要采用的方法

煤田火區(qū)探測(cè)方面主要方法有物探法（磁探法、電阻率法、測(cè)氡法、氣體測(cè)量法、測(cè)溫法）、化探法、鉆探法、遙感法，目前應(yīng)用比較多的探測(cè)方法是物探法和遙感法，如氡氣測(cè)定法、無(wú)人機(jī)遙感法等。煤田火區(qū)探測(cè)方法比較見(jiàn)表1。

表1 煤田火區(qū)探測(cè)方法比較

2.1.1 物探法探測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀

物探是利用巖（礦）石、地下煤層等介質(zhì)具備的物理性質(zhì)，利用儀器觀測(cè)此介質(zhì)引起的地球物理參數(shù)的變化，通過(guò)數(shù)據(jù)處理、地質(zhì)解釋等手段來(lái)反演地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)和礦藏分布等問(wèn)題的一門(mén)科學(xué)[5-6]。物探法現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較多的方法是磁探法、電阻率法、測(cè)氡法。

1）磁探法。磁探法的實(shí)質(zhì)是:煤燃燒時(shí)，煤層上覆巖層中的菱礦及黃鐵礦結(jié)合受到高溫燃燒后，其中的鐵質(zhì)要素產(chǎn)生磁化反應(yīng)后生成磁性礦體，并且燒變巖由降溫后仍然具有有較強(qiáng)的熱剩余磁化強(qiáng)度。利用這一明顯的磁性特性，可以探測(cè)火區(qū)高溫異常區(qū)域及其燃燒范圍。

2）電阻率法。煤燃燒時(shí)煤層結(jié)構(gòu)和含水性會(huì)有較大改變，這些改變會(huì)導(dǎo)致煤層及周?chē)鷰r層電阻值變化。電阻率法就是在地表測(cè)試斷面各個(gè)位置電阻值的變化，然后比較未發(fā)火區(qū)和發(fā)火區(qū)電阻值的差異，從而判斷自燃發(fā)火點(diǎn)的區(qū)域與范圍。電阻率法主要用來(lái)確定煤層的燃燒層位與邊界。

3）測(cè)氡法。測(cè)氡法的本質(zhì)是根據(jù)煤層和巖石中氡元素在煤田火區(qū)作用下產(chǎn)出率增強(qiáng)的特點(diǎn)，在地面采集氡氣，然后采用數(shù)據(jù)處理軟件生成氡體積分?jǐn)?shù)分布等值線圖、氡體積分?jǐn)?shù)表面圖，從而圈定火區(qū)高溫異常區(qū)域。

劉洪福[7]等在1995 年的實(shí)驗(yàn)成果系統(tǒng)闡述了測(cè)氡法探查煤田火區(qū)高溫異常區(qū)域的原理和方法，并建立了測(cè)氡實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，確定了氡析出與溫度的相關(guān)性，研發(fā)了測(cè)氡探火專(zhuān)用軟件，專(zhuān)用軟件在多個(gè)煤礦得到了廣泛應(yīng)用。此后，太原理工大學(xué)鄔劍明等、西安科技大學(xué)鄧軍等、長(zhǎng)春科技大學(xué)、寧夏煤炭地質(zhì)勘查院等單位用此方法圈定地下煤層火區(qū)范圍做了大量研究工作，并在實(shí)際生產(chǎn)中取得了很好的效果。物探法還有氣體測(cè)量法和測(cè)溫法。氣體測(cè)量法包括示蹤氣體法、地面鉆孔氣體分析法和井下氣體分析法，測(cè)溫法包括地面溫度測(cè)定法、井下溫度測(cè)定法、紅外溫度測(cè)定法，由于篇幅原因這里不做具體闡述。

2.1.2 遙感法探測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀

遙感探測(cè)方法是利用衛(wèi)星熱紅外遙感、機(jī)載或無(wú)人機(jī)搭載的熱紅熱成像設(shè)備獲取地表熱成像資料，然后結(jié)合地質(zhì)資料來(lái)圈定火區(qū)位置與邊界。目前，航空紅外遙感方法主要是應(yīng)用于精準(zhǔn)探查火區(qū)位置和范圍。

美國(guó)在1963 年利用熱感圖像RECONOFAX 紅外裝置成功確定和探測(cè)煤巖石中的煤火，這是世界上首次使用熱紅外遙感設(shè)備探測(cè)煤火[8]。1999 年北遙公司采用紅外遙感結(jié)合地表紅外溫度測(cè)定儀的綜合方法對(duì)我國(guó)北方煤田火區(qū)勘查和火區(qū)環(huán)境災(zāi)害進(jìn)行了動(dòng)態(tài)探查工作，以地學(xué)信息設(shè)備為工具，研發(fā)了用于煤田火區(qū)探查的信息管理系統(tǒng)[9-11]。

遙感探測(cè)方法可以快速探測(cè)大范圍煤田火區(qū)，大致確定火區(qū)位置和圈定火區(qū)范圍。遙感探測(cè)方法具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，利用遙感探測(cè)獲取的信息與地面地測(cè)信息相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)全方位、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)火區(qū)變化和發(fā)展趨勢(shì)。

2.2 測(cè)汞法探測(cè)煤田火區(qū)新技術(shù)

2.2.1 溫度影響下的汞遷移機(jī)理

把自燃的煤看作一個(gè)微元體，煤體能量守恒單元示意圖如圖1。

圖1 煤體能量守恒單元示意圖

在單位時(shí)間內(nèi)從微元體左側(cè)dydz 流入的熱能為qxdydz，經(jīng)右界面流出的熱能為qx+dxdydz，則流入的凈熱能為（qx-qx+dx）dydz。固體在熱傳輸時(shí)符合傅里葉定理，則熱能可以表示為：

式中：qx為微元體流入x 方向的熱能；λx為稀松煤體在x 方向上的導(dǎo)熱能系數(shù)，W·（/m·℃）;為熱能在x 方向求偏導(dǎo)。

將式（1）按泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)至第2 項(xiàng)得到式（2）：

式中：qx+dx為微原體流出x 方向的熱能，表示熱能在x 方向求二階偏導(dǎo)。

式（3）減去式（4）就得到沿x 方向的靜流量，如式（3）。

式中：n 為松散煤體的空隙率；ρg、Eg分別為空氣密度和比熱容；vx為風(fēng)流在x 方向上的流速；Tg為空氣的溫度；為熱能在x 方向求偏導(dǎo)；dxdydz 為1 個(gè)微元體。

假想煤田火區(qū)中的煤在自燃過(guò)程中，單位體積單位時(shí)間內(nèi)的煤與氧反應(yīng)釋放的熱能為q（T），則在微元體dxdydz 中，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱能為q（T）dxdydz，q（T）為煤體在溫度為T(mén) 時(shí)的放熱強(qiáng)度。與此同時(shí)，在時(shí)間dτ 內(nèi)，微元體中煤體由于溫度升高所接收的熱能為ρeEedτdxdydz。ρe、Ee分別為松散煤體的等效密度（g·cm-3）和等效比熱（J·g-1·℃-1）。根據(jù)熱能的平衡理論，溫度上升所吸收的熱能必須等于從外界流入的凈熱能、風(fēng)流帶走的燴變和內(nèi)部熱源提供的熱能之和，即：

式中：vy為示風(fēng)流在y 方向的流速，cm/s;vz風(fēng)流在z 方向的流速，cm/s。

上述公式從傳熱傳質(zhì)學(xué)角度闡述了汞在溫度影響下的遷移機(jī)理，汞受到高溫加熱下會(huì)轉(zhuǎn)換成氣態(tài)汞，通過(guò)汞分析測(cè)定煤田火區(qū)地表氣態(tài)汞體積分?jǐn)?shù)，火區(qū)燃燒越劇烈對(duì)應(yīng)地表裂隙或煤田火區(qū)探測(cè)孔（觀測(cè)孔）氣態(tài)汞體積分?jǐn)?shù)越大，從而判定火區(qū)高溫異常區(qū)域。

3 結(jié)語(yǔ)

1）闡述了目前煤田火區(qū)主要探測(cè)方法的原理，并對(duì)這些方法進(jìn)行了比較，使科研工作者能夠根據(jù)火區(qū)特點(diǎn)有針對(duì)性的選擇火區(qū)探測(cè)方法。

2）從傳熱傳質(zhì)學(xué)角度推導(dǎo)出汞的遷移方程，闡述了通過(guò)測(cè)定煤田火區(qū)中氣態(tài)汞濃度探測(cè)煤田火區(qū)的過(guò)程。

3）探測(cè)煤田火區(qū)應(yīng)采取2 種方法進(jìn)行探測(cè)，一種方法對(duì)煤田火區(qū)進(jìn)行初步探測(cè)，然后采用另一種方法詳細(xì)探測(cè)。比如采用遙感探測(cè)法對(duì)火區(qū)進(jìn)行初步探測(cè)，大致圈定火區(qū)范圍，最后采用測(cè)汞法詳細(xì)探測(cè)火區(qū)高溫和燃燒區(qū)域，提高了火區(qū)的探測(cè)效率。