煤田火區探測技術研究及應用

鄧強，劉鋒，王剛

(1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順市 113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順市 113122)

0 引言

西部礦區煤層賦存條件好，開采強度高，上覆巖層破壞嚴重，易誘發采空塌陷和地裂縫等地質災害，造成遺煤自燃，威脅煤礦安全生產。因此，快速、及時、準確地獲取煤田火區信息，不僅為上覆巖層運移規律分析提供數據支撐，還可為煤礦安全生產和礦區環境綜合治理提供支撐。煤田火區探測方法有磁法、電阻法、測氡法、紅外熱成像法、遙感法等。項目組運用測汞法探測煤田火區，研究出了一種全新的煤田火區探測方法。

我國的煤田火災主要發生在干旱少雨的北部區域，如新疆、內蒙古等，上述區域煤田火災燒毀面積將近720 km2，其中世界上最大的煤田火區是燃燒近千年的新疆煤田火區。西部礦區煤炭資源賦存普遍具有埋藏淺、厚度大、基巖薄和松散層厚的特點，開采條件優越。多數礦井采用大采高、放頂煤等采煤工藝，具有明顯的高產、高效和高強度開采特點，地下開采引起的地表沉陷和地裂縫次生地質災害尤為嚴重。地表沉陷和地裂縫誘發采空區遺煤自燃及煤田火災，大氣環境受到煤自燃所釋放的有毒有害氣體污染嚴重，同時嚴重威脅了煤礦人員的生命安全。由于工作面漏風，95%以上的煤自燃發生在人員無法直視或到達的采空區。因此，煤自燃是誘發采空區瓦斯爆炸災害事故的主要點火源，采空區也是煤自燃與瓦斯復合災害發生的重要場所。我國受煤田火區影響的煤礦主要集中在新疆、寧夏、內蒙古、甘肅。

1 煤田火區探測方法

1.1 煤田火區探測方法

針對這種復合熱動力災害，國內外學者使用多種方法對煤田火區探測并進行監測研究，包括地質雷達法、遙感法、高密度電法、磁法、電阻率法、測氡法等。目前應用比較多的探測方法是物探法、遙感法、氡氣測定法和無人機遙感法。

1.1.1 磁探法

1964 年張秀山在寧夏自治區等地采用△Z 異常圈定高溫異常區域和采用定期動態觀測同一斷面磁異常特性點的方法，同時監測火區燃燒方向及速度，這是最早利用磁探法探測煤田火區范圍的研究。1996 年萬兆昌等采用最優化反演法確定火區燒變巖的位置，劃定了火區邊界。2001 年寧靖等在寧夏采取磁導反演圖像獲取技術和高精度磁測剖面得到了地下磁性體異常區域，并與己知火區分布一致。2007 年朱曉穎等發現圍巖的溫度在煤田火區各個燃燒階段的不同，從巖石磁性方面論證了磁法勘定煤田火燒區是可以實現的。磁探法的實質是，煤燃燒時，煤層上覆巖層中的菱礦及黃鐵礦結合受到高溫燃燒后，其中的鐵質要素產生磁化反應后生成磁性礦體，并且燒變巖降溫后仍然具有較強的熱剩余磁化強度。利用這一明顯的磁性特性，可以探測火區高溫異常區域及其燃燒范圍。

1.1.2 電阻率法

1964 年，張秀山在通過樣品試驗及地面觀測發現煤層發火區有顯著的電壓改變，這是在關于電阻率法探測煤田火區最早的文獻。地表雜散電流、測試區域附近的高壓線路、大型機電等裝置產生的磁場會導致測試結果失真，甚至導致錯誤判定火源位置。電阻率法主要用來確定地上開采煤礦或煤層的燃燒層位與邊界。煤燃燒時煤層結構和含水性會有較大改變，這些改變會導致煤層及周圍巖層電阻值變化。

1.1.3 測氡法

測氡法的本質是根據煤層和巖石中氡元素在煤田火區作用下產出率增強的特點，在地面采集氡氣，然后采用數據處理軟件生成氡濃度分布等值線圖、氡濃度表面圖，從而圈定火區高溫異常區域。影響氡氣濃度測定的關鍵因素主要包括以下4 個方面：壓力梯度、滲透率、裂隙寬度和水的飽和度。壓力梯度是由構造應力、承壓巖石、巖石裂隙、局部氣體電離化誘導而產生的。滲透率是控制的多組分氣體對流和氣體上流速度的關鍵參數。裂隙寬度不僅決定了一個裂縫介質裂隙，還對地氣泡狀的流動起控制作用。斷裂寬度的大小直接說明了氡氣快速、長距離運移的可能。

1.1. 4 氣體分析法

煤自燃過程中產生的氣體與煤體的溫度之間存在一定的相關性，氣體分析法就是利用這種相關性對煤自燃燃燒程度進行探測的。通過監測自然發火標志性氣體出現的原始溫度和濃度變化趨勢，對煤自然發火趨勢進行分析，從而確定煤自燃高溫點位置和邊 界。氣體測量法分3 種：示蹤氣體法、地面鉆孔氣體分析法和井下氣體分析法。判斷煤田燃燒狀態時通過采集煤田火區鉆孔內氣樣，氣相色譜儀分析氣樣成分，氣樣出現一氧化碳等標志性氣體并呈現增長趨勢可以判定煤田火區某一區域燃燒狀態，氣體測量法與測溫法結合起來用會取得比較準確的效果。

（1）示蹤氣體法。某些氣體在高溫條件下會發生一系列化學反應，示蹤氣體法就是利用這一特性對煤高溫區域進行探測。將示蹤氣體從釋放點釋放到高溫異常區域，通過接收點監測其氣體產物，從而間接測定出該高溫異常區域的煤體溫度，判斷煤高溫異常區域的位置。

（2）地面鉆孔氣體分析法。該方法在疑似煤田火區火源處對應地表設計鉆孔施工位置，在設計位置處施工鉆孔，用氣囊采集鉆孔內的氣樣，用色譜儀分析氣樣成分，根據測試結果繪制成氣體濃度變化趨勢圖，并根據鉆孔自然發火標志氣體濃度變化規律判定火區著火點的層位和火區的發展趨勢。

（3）井下氣體分析法。井下氣體測定法通過束管監測系統或人工取樣對自然發火區域的氣體進行測定，以判斷采空區或工作面煤氧化的程度和煤著火點的大概位置。通過分析井下氣體成分能夠判斷工作面采空區自然發火程度，由于受井下氣流的影響較難實現對著火點的精準定位。氣體測定法正在向光譜測定法發展，通過光譜分析儀可以實現顯示火區鉆孔內氣體濃度，減少了氣樣采集、送樣、測試的過程，提高了火區監測的效率。

1.1.5 測溫法

煤田火區內煤著火時釋放的熱能，一是在擴散作用下通過裂隙(裂縫)向地面釋放，二是利用巖石的熱傳輸作用在地面形成高溫區域，與附近地面形成熱能交換，根據地面出現的高溫區域，可以大致判斷火區的著火位置。溫度測定法是煤田火區探測中一種常用的方法，分為以下3 種。

（1）地面溫度測定法。在高溫異常區域對應的地表采用測溫儀表探測熱能或利用置入測溫鉆孔內的溫度接收器測定溫度，然后溫度接收器把熱信號轉化成數字信號，根據獲取的溫度值反推煤層著火的層位、著火范圍、發展趨勢。此方法適用煤田火區已經形成，著火層位較淺的煤田火區探查。

（2）井下溫度測定法。井下溫度測定法是把溫度傳感器預先放入工作面和采空區等自然發火位置，根據各個溫度傳感器顯示的數值變化來確定高溫異常區域。這是目前井下準確的測定方法。

（3）紅外測定法。紅外探測主要有兩種儀器:分別為紅外溫度測定儀和紅外熱成像儀，紅外溫度測定儀現場應用比較多。紅外溫度測定儀就是儀器把采集到熱量信息通過A/D 轉換裝置將熱量信息轉換成數字信息，這樣測點的溫度值就顯示到儀器顯示屏上，可以判斷某一點或面的高溫異常情況。紅外測溫法快速，但探測范圍有限。

1.1.6 遙感法探測技術研究現狀

遙感技術具有分辨率高、機動靈活、效率高、運行成本低等顯著優勢，地下煤火的遙感探測主要是利用遙感技術，探測并提取地下煤火在不同遙感影像上所表現出來的影像特征和波譜異常信息。紅外線的波長大于可見光，其穿透性較可見光更強，受外部環境的影響較小。紅外相機對具有明顯紅外熱特性的物體和區域敏感，具有較好的目標探測能力。自然界一切溫度高于絕對零度的物體都能發射紅外輻射，且物體溫度越高，其紅外輻射強度往往越強，從而圈定地下煤田火區的空間范圍，并研究其發生、發展和演變規律。利用熱能信息來辨認地表物質，從而推斷出地表地形特征、高溫異常區域、大氣濕度等數據。

煤田火區的空氣受井下深處相對恒溫且潮濕的條件影響，其溫度與地表的溫度之間具有明顯差異，從而可被紅外相機識別。遙感探測方法可以快速探測大范圍煤田火區，大致確定火區位置和圈定火區范圍。遙感探測方法具有明顯的技術優勢，利用遙感探測獲取的信息與地面地測信息相結合，可以實現全方位、動態監測火區變化和發展趨勢。火區探測方法見表1。實踐證明，利用多光譜、多時相、多種分辨率遙感圖像結合地面測地雷達和地理信息系統等技術完全可以開展全方位的煤火探測與監測。

表1 煤田火區探測方法比較

1.2 測汞法探測煤田火區新技術

式中，λ為稀松煤體在x方向上的導熱能系數（W·m?1·℃?1），將qxd+x按泰勒級數展開至第2 項，則：

圖1 煤體能量守恒單元示意

式中，n為松散煤體的空隙率；gρ、Eg分別為空氣密度（g·cm?3）和比熱（J·g?1·℃?1）；vx為風流在x方向上的流速(cm·s?1)，Tg為空氣的溫度（℃）。同理在y、z方向的熱焓值分別為：

eρ、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、風流帶走的燴變和內部熱源提供的熱能之和，即：

式（5）從傳熱傳質學角度闡述了汞在溫度影響下的遷移機理，汞受到高溫加熱會轉換成氣態汞，通過汞分析測定煤田火區地表氣態汞濃度，當火區燃燒越劇烈對應地表裂隙或煤田火區探測孔（觀測孔）氣態汞濃度越大，從而判定出火區高溫異常區域。

總體上我國煤田火區探測經過了磁法探測電法→探測測氡法→探測遙感法→探測測汞法這幾個階段，遙感法從宏觀上探測煤田火區區域，測氡法和測汞法從微觀上探測煤田火區高溫異常區域，二者結合起來能夠精準探測煤田火區。

2 結論

（1） 本文闡述了目前煤田火區主要探測方法的基本原理，對這些方法進行了比較，使科研工作者根據火區特點有針對性的選擇煤田火區探測方法。

（2）從傳熱傳質學角度推導出汞的遷移方程，闡述了通過測定煤田火區中氣態汞濃度探測煤田火區的過程。

（3）探測煤田火區應從宏觀和微觀兩個方面進行探測，宏觀方面對煤田火區進行初步探測，微觀方面對煤田火區進行詳細探測，實現對煤田火區的精準探測。比如采用遙感探測法對火區進行初步探測，大致圈定火區范圍，最后采用測汞法詳細探測火區高溫和燃燒區域，提高了火區的探測效率。