淺談綜合物探手段在煤田滅火工程中的運用

周濤

新疆煤田滅火工程局，中國·新疆 烏魯木齊 830063

1 引言

煤炭作為中國最為重要的能源之一，其在整個一次性能源消耗中占有很大的比例。中國現階段可以開采的原煤資源大約在1968.8 億t，而這些煤炭資源每年被煤田大火燒毀的高達2000 萬t。煤田火災不僅會燒毀煤田資源，還會對當前的經濟以及生態環境產生嚴重的影響。因此，采用適當的手段應對煤田火災有著十分重要的意義。應用綜合物探手段，可以大面積、高效率、低成本地開展探勘，有著良好的應用效果。

2 綜合物探手段探火規律

2.1 磁異常的產生

在煤系地層中存在著很多的鐵礦物，在溫度正常的情況下這些鐵礦成分呈現出弱磁性的特征，但是在煤田大火的情況下則會改變鐵礦成分，隨著煤層的不斷燃燒，經過燃燒之后的區域溫度則會逐漸降低，這種由高溫到低溫的過程，會賦予其較強的磁性，受到高溫影響的巖體則會變成磁性巖體[1]。這些鐵磁性物質的主要構成為磁壽，其自身的磁化強度是自發性的，在常溫情況下，受限于矯頑磁力，磁壽的方向并不相同，因此則表現出無磁性。但是在溫度上升的情況下這種矯頑磁力會逐步減少，磁壽的方向則會按照磁場的方向進行配列，并且愈發的飽和，此時火區上的燒變巖則磁性逐步增強。利用這種特性，采用綜合物探手段可以對煤田火區的范圍進行拓展，對煤層燃燒的深度進行界定，并詳細地明確煤層燃燒的發展趨勢。

2.2 自然異常地產生

由于煤層在燃燒和自熱的過程中，火區上的自然電場會因為化學反映的變化產生吸附電場和還原電場[2]。煤層在燃燒的過程中會出現氧化的過程，繼續增加煤層的溫度，而上部煤層的氧化也正是因此逐漸地加劇，形成了一個氧化地帶。同時，由于氧化反應，下部煤層的氧氣逐漸減少，相應會形成一個還原帶。在這種情況下，上部煤層帶正電，下部煤層帶負電，圍巖頂地板與之相反，則形成了一個自然電場。隨著進一步加劇的煤層氧化情況，在此過程中煤層的溫度向四周進行擴散，隨即產生了嚴重熱點偶合電場。針對這種異常的現象，同樣可以利用綜合物探手段明確煤田火災的區域、深度以及發展趨勢。

3 現存的問題

現階段，應用綜合物探手段進行煤田滅火應當注意以下幾個方面的問題：首先，在以往針對煤田火災進行勘探的過程中，更多的是在火災已經發生的情況下被動地進行勘探，工作的應急性特征十分的明顯，預見性、全面性以及超前性十分匱乏[3]。其次，在進行煤田滅火的過程中，不僅要對火災的形成以及發展趨勢進行明確，更需要明確火災的根本原因。這正是以往煤田滅火工程十分欠缺的內容之一[3]。最后，通常情況下，由于礦產勘察的物探方式在煤田滅火工程中同樣可以應用，但是由于地質情況的復雜性以及地形之間起伏的不同，這些方法在應用的過程中都應當進行適當調整。為了充分保障煤田滅火工程的順利開展，急需改變部分的綜合物探手段。

4 綜合物探手段在煤田滅火工程中的應用

4.1 采集數據

以中國《煤田滅火規范》的要求為原則，在開展煤田滅火的過程中物探線的布置應當參照垂直煤層的走向，設置100m 的線距以及5m 的點距。要在無燃燒的正常地層上布置物探線的兩端斷點，以此才能夠更加準確地與火區的情況進行對比。隨后，借助相關儀器的幫助采集野外的數據，這些采集到的數據為原始數據還需要進行進一步的處理，改正自然電位數據、差分磁場值以及改正年度差等。最后，還需要應用相關的軟件參照數據繪制剖面圖以及平面圖，這些繪制好的圖需要用于資料的分析與解釋。

4.2 物探資料的分析與解釋

4.2.1 自然電位的分析與解釋

在煤層燃燒的過程中經常會發生一種氧化還原反應，相應的在火區上則會形成一個氧化還原電場，自然電場值就是我們觀察到的氧化還原電場。煤層在燃燒的過程中自身處于高溫的狀態，而在這種狀態下煤層上部的氧化加劇形成氧化帶，下層由于上層氧化反應的加劇氧氣喪失形成還原帶。在這種情況下，帶電粒子中的正電荷則會在上部煤層幾種，負電荷則在下層幾種，由此形成一個電場回路。根據這種回路，我們可以得出“正在燃燒的煤層其自然電位值為正異常，周圍底層的自然電位值為負異常”的結論。

4.2.2 磁場值分析解釋

由上文所述可知，煤系地層中富有豐富的鐵礦成分，這些鐵礦成分在正常溫度下呈現弱磁性，而在煤層燃燒的過程中則會出現磁性。由此可知，在應用綜合物探手段的過程中，對于一些沒有燃燒的煤層，其自身的磁場值為正常磁場，而正在燃燒的煤層磁場值為負異常，以后的煤層磁場值呈現正異常。利用這一理論，我們可以判斷煤田火災的區域，燃燒過程中的發展趨勢，做出相應的滅火措施。

4.2.3 視電阻率值分析與解釋

從嚴格意義上來講，地層屬于非金屬，換而言之就是半導體。在這類物質中，傳導電流是受激進入導帶電子遷移而引發的現象，熱擾動是這些被激發能量的主要來源。對于非金屬材料而言，其自身的電阻率會隨著溫度的不斷升高而降低。在進行綜合物探的過程中，電導率、介電常數經常受水分的影響，即使少量的巖層水也會對介電常數以及電導率產生嚴重的影響，因此水的導電率在溫度升高的情況下也會增大。由此可知，不含水的底層為半導體，其自身的電阻值在溫度升高的情況下降低，換而言之，煤田火災所在的區域相對干燥，其電阻率相對較低。根據此理論，我們能夠更加準確地判斷出煤田大火的位置。

4.3 火區面積和燃燒深度確定

4.3.1 火區面積確定

通常情況我們在判定火區面積的過程中需要結合多種方式進行綜合判斷。首先，需要將磁場值、自然電位在每一個物探點位進行準確的定位，隨后需要使用相應的處理軟件繪制“自然電位等值線平面圖”與“磁異常等值線平面圖”，最后參照磁異常以及自然電位異常區域來對獲取面積進行確定。

4.3.2 煤層燃燒深度的確定

在判斷煤層燃燒深度的過程中同樣需要應用多種方式進行綜合判定。首先我們需要根據磁場值、自然電位值使用CAD 軟件繪制“磁異常、自然電位等值線剖面圖”，然后參照自然電位正負異常范圍以及磁場值的正負異常范圍對煤層燃燒的深度進行明確。

4.4 采空區與高溫區的探測

在針對采空區以及高溫區進行圈定的過程中我們通常會應用到高分辨視電阻率方法。首先，采集野外的高分辨視電阻率，然后使用探測空洞軟件處理這些數據，繪制“高分辨視電阻率等值線剖面圖”，高溫區以及采空區的位置判斷參照電阻率值的高低進行。但是應用這種方式的過程中應當考量地質、人為等因素。

5 結語

總而言之，在煤田大火中應用綜合物探手段有著十分廣闊的應用前景，但是面對應用過程中出現的種種問題還應當進行進一步的探索，促使其應用水平不斷提升，進而不斷拓展其應用范圍。