周東東，何啟林，卓 輝，陸 偉

（安徽理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，安徽淮南 232001）

煤礦火源探測(cè)一直是煤田火災(zāi)研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)，其對(duì)于提高煤礦滅火工程的有效性、安全性與經(jīng)濟(jì)性具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。然而，由于存在著復(fù)雜的地質(zhì)條件，以及火災(zāi)區(qū)域擴(kuò)張的隱蔽性，所以對(duì)煤礦火災(zāi)的有效探測(cè)仍然是一個(gè)世界性的問題。根據(jù)煤礦火災(zāi)探測(cè)的研究現(xiàn)狀，地表測(cè)溫法一般用于火區(qū)物探結(jié)果的驗(yàn)證以及滅火工程后火區(qū)熄滅或復(fù)燃情況的監(jiān)測(cè)和判別[1]；遙感法[2]因圖像分辨率低且不能探測(cè)深部火區(qū)的弊端，目前主要用于大面積煤田火區(qū)的前期普查；測(cè)氣和測(cè)氡[3]等地球化學(xué)方法精度低，易受外界條件等影響，抗干擾性差。磁法、自然電位法[4]是目前應(yīng)用較多且有前景的探測(cè)火災(zāi)的地球物理方法，但是單一的磁法或電法探測(cè)火源都存在著無法解釋一些雜散信號(hào)，也容易受到外界干擾信號(hào)的影響。因此，采用信號(hào)過濾，提取因火區(qū)溫度異常形成的異常磁電信號(hào)，并進(jìn)行規(guī)一化處理，得出火區(qū)綜合指數(shù)，并以此完善單一磁法與電法產(chǎn)生的信號(hào)偏差，克服其自身缺陷，提出采用磁電聯(lián)合勘探技術(shù)[5]以此來完成火源精探。

1 概況

新柳礦業(yè)周邊小煤窯數(shù)量眾多，大部分古窯距今有上百年的歷史，位置不清，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在井田范圍內(nèi)，不同年代開采的小煤窯上百個(gè)，到2018年，井田內(nèi)現(xiàn)有生產(chǎn)小煤礦還有36個(gè)，現(xiàn)已基本全部關(guān)閉。小煤礦存在越層、越界現(xiàn)象，他們不同程度地破壞了柳灣煤礦井田范圍內(nèi)的9#、10#、11#煤，給礦井生產(chǎn)與安全帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失與事故隱患。2021年5月，南上莊的煤礦工人在檢查小煤窯的分布情況時(shí)，發(fā)現(xiàn)柳灣煤礦的五盤區(qū)頂部有一個(gè)正在冒煙的廢棄小井口。礦方立即采取措施，決定使用黃泥漿[6]進(jìn)行堵漏，并采集井口冒煙氣樣用色譜分析[7]，連續(xù)采樣分析1個(gè)月，具體測(cè)試結(jié)果如圖1。

圖1 南上莊小井煙氣中CO濃度的變化圖

由于采取了臨時(shí)黃泥封堵措施，5 月份CO 氣體濃度出現(xiàn)持續(xù)下降狀態(tài)，礦方認(rèn)為火區(qū)可能熄滅或處于陰燃狀態(tài)，但到2021 年8 月6 日，從小井冒出的煙氣又變濃，除了從南上莊廢棄小井附近向外冒煙外，五盤所在地面其它有縫隙處還是有煙向外冒出，說明井田下面存在火區(qū)?；鹎榈陌l(fā)生打亂了整個(gè)生產(chǎn)布局，必須進(jìn)行五盤區(qū)火源精準(zhǔn)探測(cè)與滅火工作。

2 磁電異常法聯(lián)合勘探火區(qū)位置

2.1 磁異常法勘探火區(qū)位置

對(duì)南上莊火區(qū)首先采用高精度磁法進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)[8]，根據(jù)火區(qū)地質(zhì)和地形條件設(shè)計(jì)測(cè)線。測(cè)線的設(shè)計(jì)遵循原則：①測(cè)線應(yīng)垂直于火區(qū)走向；②測(cè)線長(zhǎng)度穿過五盤區(qū)對(duì)應(yīng)的地面寬度；③測(cè)線兩端點(diǎn)位于五盤區(qū)邊界?；谝陨显瓌t，在南上莊火區(qū)平行布設(shè)了10條測(cè)線，各測(cè)線走向90°，測(cè)線間距均為15 m，測(cè)線總長(zhǎng)度700 m，測(cè)點(diǎn)間距設(shè)為5 m，具體布置參見等高線圖（圖2）。

圖2 磁異常探法測(cè)定的南上莊火源分布圖

從圖2知，磁異常探測(cè)得火源主要在廢棄的小煤窯井口附近，而且向四周輻射，但中間有一個(gè)塊空白部分，很可能是由于磁力測(cè)定不準(zhǔn)確造成的，這是在小煤窯開采的早期階段被遺棄的舊巷道帶來的，但是又因?yàn)榇盘綔y(cè)法對(duì)高溫火區(qū)不敏感，所以這個(gè)空白區(qū)域也有可能是煤層的自燃區(qū)域或高溫區(qū)域，依據(jù)目前的技術(shù)水平，對(duì)這兩種可能的區(qū)分還有很大的難度。

2.2 電位異常法完善磁探結(jié)果

為彌補(bǔ)缺陷，又利用火區(qū)電位異常探測(cè)法對(duì)磁法測(cè)定結(jié)果進(jìn)一步完善。選用WDJD-1 直流激電儀和一對(duì)Cu-CuSO4非極化電極對(duì)自然電位數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。自然電位的測(cè)量[9]位置是按照磁異常檢測(cè)方法確定的。對(duì)自然電位數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和數(shù)值濾波，得到了五盤所在區(qū)域的煤炭自燃引起的電位異常數(shù)據(jù)，并利用該結(jié)果對(duì)磁異常檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了細(xì)化，利用火區(qū)磁異常檢測(cè)技術(shù)繪制了南上莊火區(qū)分布圖，如圖3。

圖3 磁電異常探法測(cè)定的南上莊火源分布圖

從圖3知，原先僅用磁異常探測(cè)法圈定兩個(gè)火源中間出現(xiàn)了間斷區(qū)原來是煤正在燃燒區(qū)域，溫度最高的位置是磁異常檢測(cè)法無法準(zhǔn)確識(shí)別異常的位置，這一事實(shí)表明自然電位異常方法是對(duì)磁異常檢測(cè)方法產(chǎn)生的結(jié)果的有效補(bǔ)充方法。因此，利用磁電異常聯(lián)用探測(cè)大面積火源方法具有較高可靠性。

3 紅外熱成像技術(shù)勘探火區(qū)位置

3.1 井下探火巷道的施工

由于火區(qū)發(fā)生在井下盤區(qū)內(nèi)，若從地面打鉆滅火成本高，同時(shí)該區(qū)域存在很多早期開采的小煤窯及廢棄巷道，連通性較好，所以從地面鉆孔向下灌漿或注滅火材料效果不好，同時(shí)還可能影響到五盤區(qū)及周邊相鄰礦井的生產(chǎn)。為了進(jìn)一步較準(zhǔn)確探定火區(qū)位置以提高滅火效果，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了從五盤區(qū)西翼回風(fēng)巷向南上莊廢棄井口方向施工一條探火巷道。該探火巷道的作用為：①通過該探火巷道能夠?yàn)閹y(cè)溫桿紅外熱成像技術(shù)提供測(cè)定地點(diǎn)；②為施工火區(qū)位置驗(yàn)證鉆孔與滅火鉆孔提供操作空間；③能為實(shí)現(xiàn)近距離滅火提供通道。

3.2 自燃火源傳熱模型建立

為了研究發(fā)生在火源表面的溫度差異變化，根據(jù)自燃火源的熱平衡建立火源的傳熱模型是非常必要的，從而進(jìn)一步分析紅外熱成像的理論機(jī)制[10]。自然點(diǎn)火是一個(gè)復(fù)雜的過程，自燃的程度因點(diǎn)火的位置和持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短而不同，但整個(gè)過程仍然滿足熱平衡的方程?；鸬膫鳠釢M足兩個(gè)條件：

（1）熱量傳播是以熱源為中心的球面式傳播，從自燃煤層內(nèi)部到表面的熱量傳遞與從煤層表面到探測(cè)煤層的其他方向的熱量散失相當(dāng)[11]。

（2）自燃煤層產(chǎn)生的熱量與從煤層到向下探測(cè)的煤層的傳遞的熱量相同。

當(dāng)傳熱平衡要求得到滿足時(shí)，用紅外熱成像探測(cè)器探測(cè)表面溫度，這樣就可以用反演計(jì)算法確定煤層內(nèi)自燃火源的位置。巖層導(dǎo)熱和發(fā)生自燃的煤層表面所具有的對(duì)流換熱的熱阻分別為R1和R2，則有：

式中：d0為火源的直徑，m；di為火源中心到探測(cè)地點(diǎn)i點(diǎn)的距離，m；tf0為火源的溫度，℃；tfi為探測(cè)點(diǎn)某點(diǎn)i的溫度，℃；tfl為周圍環(huán)境空氣的溫度，℃；λ為巖層的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；α為巖層的對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m·℃)；l為火源長(zhǎng)度，m。

總熱阻R可通過將巖層熱傳導(dǎo)的熱阻和煤層表面的對(duì)流傳熱加在一起計(jì)算，即：

由式(1)和(2)得傳熱量為：

探測(cè)位置表面溫度和探測(cè)點(diǎn)的溫度差為：

3.3 紅外熱成像技術(shù)勘探火源

利用SAT-YRH250 礦用本質(zhì)安全型紅外熱成像儀，采用連續(xù)性對(duì)西翼回風(fēng)巷靠近探火巷側(cè)、探火巷道兩幫、探火巷道迎頭地點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拍攝，各考察點(diǎn)布置圖如圖4。每次都要測(cè)量各考察點(diǎn)的溫度，以掌握各個(gè)考察點(diǎn)溫度變化規(guī)律。所測(cè)數(shù)據(jù)見表1。

表1 各考察點(diǎn)每次測(cè)定溫度結(jié)果/℃

圖4 紅外成像儀考察點(diǎn)布置示意圖

通過各點(diǎn)溫度變化分析五盤區(qū)探火巷道周圍深部煤體溫度變化情況，并在巷道壁面從21℃升到43℃處開始布置測(cè)溫導(dǎo)桿測(cè)定煤層溫度梯度，所測(cè)數(shù)據(jù)見表2。通過反演畫出溫度場(chǎng)分布，最終利用帶有測(cè)溫桿的紅外成像反演技術(shù)探測(cè)火源位置及分布如圖5。礦上依據(jù)該測(cè)定結(jié)果，制定井下抑爆與滅火方案，采用N2 抑爆，采用滅火膠體進(jìn)行滅火，共向火區(qū)壓注了110 t 滅火膠體的粉料，通過65 d 井下滅火工作，將南上莊火區(qū)徹底消滅，保證了五盤工作面布置與后期正常生產(chǎn)。

表2 探火道壁面平均溫度增加梯度

圖5 帶有測(cè)溫桿的紅外火成像反演技術(shù)探測(cè)火源分布圖

為了比較兩種方法探測(cè)火源方法準(zhǔn)確性，將兩種方法探測(cè)出來的圖形，放置到一張圖上（圖6），可見利用磁電異常聯(lián)用探測(cè)大面積火源方法與井下帶有測(cè)溫桿的紅外火成像反演技術(shù)探測(cè)的火源位置分布有較大重疊性，說明磁電異常聯(lián)用探測(cè)火源方法可以作為煤礦大面積火區(qū)初探技術(shù)使用，此探測(cè)結(jié)果可為礦井井下進(jìn)一步準(zhǔn)確探測(cè)火源提供指導(dǎo)。

圖6 兩種探測(cè)方法確定火源位置布置圖

4 結(jié)語(yǔ)

（1）利用磁電異常數(shù)據(jù)聯(lián)用探測(cè)大面積火源方法是可行的，可以提高探測(cè)火源精度。

（2）對(duì)于煤礦出現(xiàn)大面積火區(qū)，利用磁電異常聯(lián)用初探火源位置、利用帶測(cè)溫桿的紅外火成像反演技術(shù)及有限驗(yàn)證鉆孔測(cè)溫驗(yàn)證的綜合探測(cè)方法，能準(zhǔn)確火源位置、火源邊界及火源溫度，為滅火工作提供科學(xué)指導(dǎo)。