煤田火災探測技術研究

賈新勇

新疆維吾爾自治區(qū)煤田滅火工程局

煤田火災探測技術研究

賈新勇

新疆維吾爾自治區(qū)煤田滅火工程局

煤田火災探測是煤火治理的關鍵技術之一，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)類型進行了劃分，根據(jù)各火區(qū)類型的特性進行了與之相適應的探測方法的探討。

煤田火災；煤火；火區(qū)類型；探測

0 緒論

煤田火災危害極大，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)，而煤火準確探測是煤火治理的前提和關鍵，探測結(jié)果的準確性直接影響到后續(xù)施工設計及施工過程中人員和設備的安全。

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)的準確提取是煤火探測技術的基礎，在此基礎上有針對性的選擇勘探手段。同時，對不同火區(qū)類型進行總結(jié)，選擇相對應的勘探方法，提出基于異常特征的煤火探測體系，對準確認識煤田火災有著重大意義。

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。當煤層燃燒時處于高溫環(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，當燃燒過程殆盡時溫度下降，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，其磁場強度表現(xiàn)為正異常。煤火異常區(qū)的磁場強度大于200nT。

1.4 視電阻率異常

嚴格的說，地層屬于非金屬，在這類物質(zhì)中，傳導電流是受激進入導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)生速率遠遠趕不上散失速率，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，通過光學處理后形成溫度與圖像直觀對應的成像手段。利用紅外成像技術可以確定煤田火區(qū)的進風區(qū)域和出風區(qū)域；估算煤田火區(qū)的燃燒面積；還原紅外成像的真實溫度等。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，并且對真實溫度的反演校正有一定的困難。因此，在實際火區(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)詳細勘探方法的測線布設提供依據(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)、風險區(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)并進行治理，降低因新生火區(qū)未及時識別所導致的治理難度、治理時間和治理費用；已經(jīng)施工的火區(qū)，進行火區(qū)的監(jiān)測一方面檢驗火區(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燃；利用在燃火區(qū)的時間序列監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合火區(qū)基礎地理地質(zhì)數(shù)據(jù)進行挖掘分析，判斷火區(qū)的發(fā)展和蔓延速度，進行科學合理的確定火區(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)未得到及時治理而導致火區(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行處理分析，提取出了大泉湖火區(qū)范圍(圖2)，同時，利用實地拍攝照片進行了驗證，準確度較高。

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及電化學性質(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間分布規(guī)律，來勘察地質(zhì)目標和解決地質(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)展趨勢和施工時注水的水流方向等。自然電場法的優(yōu)點是裝置簡易，施工方便；缺點是對高溫區(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，自然電位負異常值曲率最大、最小值之間的區(qū)域為煤火高溫異常區(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，并采用反應電場分布的電阻率層析成像技術，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；電導率愈大，渦流愈強，在地面觀測的場強愈大。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)生很強的磁場強度，磁場強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

通過在地表布設活性炭測氡網(wǎng)，統(tǒng)計每個節(jié)點的數(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)?；谏鲜鲈恚秒睔獾臐舛犬惓？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，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。但此時部分水分子受高溫作用向地表擴散，燃燒體正發(fā)生著強烈的氧化還原反應，在局部形成較明顯的氧化-還原電場。故這時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，適當補充鉆探佐證。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，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，而當溫度達到或超過720℃(居里溫度)時磁場值會迅速下降；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，此時圍巖呈低阻，一般電阻率值小于70Ω；燃燒體在劇烈燃燒時，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?shù)叵氯紵w熄滅后，溫度是一個緩慢下降的過程，一般需要幾個月甚至幾年。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，當溫度下降到一定范圍穩(wěn)定不變時，磁異常值也趨于穩(wěn)定，此時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，當溫度下降到一定范圍穩(wěn)定不變時，自然電位值得變化率也趨零。因此熄滅狀態(tài)下的火區(qū)應選用自然電場法、磁法，同時，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。

地形地貌復雜高差較大的火區(qū)，在實際野外勘探中經(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)火時間較短，燃燒劇烈等特點。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，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)以碎步點的形式采集單點數(shù)據(jù)，最終結(jié)合單點坐標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，在布設測線時，時常會遇到火區(qū)特征點物性不明顯等問題，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現(xiàn)了多點重復覆蓋的方式進行測量，有效的凸顯了異常體，從而達到精確識別的目的。

根據(jù)上述不同探測方法的特點，根據(jù)不同火區(qū)類型的特點，結(jié)合滅火工程局多年的理論與實踐的探索，總結(jié)了與各類火區(qū)相適應的探測方法。如圖6。在實際火區(qū)勘探中，可以有針對性地選擇合適的探測方法對火區(qū)進行勘探，在時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)建立相對應的聯(lián)系，建立的煤火探測體系對煤火治理具有指導作用；

(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)條件復雜燃燒及發(fā)展狀態(tài)不可見，建議對火區(qū)采用多種勘探方法相互驗證分析。

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

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