煤田火灾探测技术研究

贾新勇

新疆维吾尔自治区煤田灭火工程局

煤田火灾探测技术研究

贾新勇

新疆维吾尔自治区煤田灭火工程局

煤田火灾探测是煤火治理的关键技术之一，也是地球物理勘探面临的新课题。本文总结了煤田火灾异常的地球物理特征参数，提出了基于异常特征的煤火探测体系，针对不同的特征对火区类型进行了划分，根据各火区类型的特性进行了与之相适应的探测方法的探讨。

煤田火灾；煤火；火区类型；探测

0 绪论

煤田火灾危害极大，煤炭燃烧不仅对煤炭资源造成巨大损失，而且破坏地表水土、污染大气环境。煤火治理一直是人类面临的巨大挑战，而煤火准确探测是煤火治理的前提和关键，探测结果的准确性直接影响到后续施工设计及施工过程中人员和设备的安全。

煤炭在地下的高温燃烧改变了火区周边的热场、地磁场、电场，火区发生、发展不同阶段的地球物理响应特征也不尽相同。通过对特征参数的提取、分析，可对火区燃烧的范围、规模做出判断和确定。

煤火异常的地球物理特征参数的准确提取是煤火探测技术的基础，在此基础上有针对性的选择勘探手段。同时，对不同火区类型进行总结，选择相对应的勘探方法，提出基于异常特征的煤火探测体系，对准确认识煤田火灾有着重大意义。

1 煤火异常地球物理特征及参数提取

1.1 温度异常

温度升高是煤层燃烧释放热量最直接的表现。煤田火灾中的温度异常表现为高温异常。煤火温度超过100℃，高温区域中心温度超过600℃。

1.2 自然电位异常

煤层从氧化自热到燃烧是一个氧化过程，在火区上观测到的自然电场是氧化——还原电场。当煤层燃烧时处于高温环境中，在高温作用下加速了上部煤层的氧化，形成氧化带，而下部煤层由于缺氧，形成还原带，因此上部煤层带正电，下部煤层带负电，其周围岩层顶底板就形成了自然电场回路。地表观测的自然电位异常持续到燃烧过程殆尽。煤火的自然电场电位差大于60mV。

1.3 磁异常

煤系地层顶底板中赋存着大量的含铁矿物成分，这些铁矿物在不受高温作用时表现为弱磁性，而在煤层自燃的高温作用下，铁磁性铁矿物的矫顽力随着温度的升高而减少，当燃烧过程殆尽时温度下降，在磁场的作用下磁畴的矫顽性随着磁场方向而重新排列起来，形成强磁性。因此，未燃烧的煤层，其磁场值为大地磁场(正常磁场)；燃烧后的煤层，其磁场强度表现为正异常。煤火异常区的磁场强度大于200nT。

1.4 视电阻率异常

严格的说，地层属于非金属，在这类物质中，传导电流是受激进入导带的电子迁移引起的，被激发的能量来自热扰动，因此非金属材料的电阻率一般随温度的升高而降低。另外，岩石中的水对电导率有决定性的影响，即使存在极少量的水，岩石的电阻率会急剧降低。因此，处于燃烧初期的煤层，燃烧产生大量水，水的产生速率大于散失速率，并且地层视电阻率值随温度的升高而降低，视电阻率值低；燃烧中期的干燥煤层，燃烧水的产生速率远远赶不上散失速率，一般为高电阻率值。燃烧过程中后期的电阻率值大于100Ω·m。

1.5 氡气异常

氡气广泛存在于地球表面的岩石和土壤中。煤层开采或者煤层燃烧后，在地下形成大面积的采空区或者塌陷区，对氡气的运移与富集具有一定的控制作用。采空区或者塌陷区形成以后造成的向采空区或者塌陷区倾斜的裂隙带，在地表能观测到氡气异常。煤火异常区域的氡气浓度值为2~3倍本底值。

2 基于异常特征的煤火探测体系

2.1 红外成像

不同温度的物体辐射出的红外波频率不同，红外成像是利用物体本身的温度差异，通过光学处理后形成温度与图像直观对应的成像手段。利用红外成像技术可以确定煤田火区的进风区域和出风区域；估算煤田火区的燃烧面积；还原红外成像的真实温度等。如图1。

红外成像是一种简单便捷的火区勘探方法，然而勘探精度受限，并且对真实温度的反演校正有一定的困难。因此，在实际火区勘查中，红外成像作为一种辅助的前期勘查手段，大致识别地表高温异常区，为后续详细勘探方法的测线布设提供依据。

图1 红外成像与可见光图像对比图

2.2 遥感影像

遥感影像可以大面积监测火区，通过获取全疆已治理火区、在燃火区、风险区域的航空航天红外和可见光影像，提早发现新生火区并进行治理，降低因新生火区未及时识别所导致的治理难度、治理时间和治理费用；已经施工的火区，进行火区的监测一方面检验火区的灭火效果，另一方面确保火区的灭火效果，减少火区因不合法的乱采乱挖复燃；利用在燃火区的时间序列监测数据，结合火区基础地理地质数据进行挖掘分析，判断火区的发展和蔓延速度，进行科学合理的确定火区治理优先级，从而减少在资金人力有限的情况在燃火区未得到及时治理而导致火区规模和治理难度加大。

对2014年12月16日高分二号可见光影像进行处理分析，提取出了大泉湖火区范围(图2)，同时，利用实地拍摄照片进行了验证，准确度较高。

图2 大泉湖火区2014年12月16高分影像

2.2 电法

电法勘探是当前解决煤田火区勘察中煤层燃烧深度、火区面积、地下采空区、地下高温区和煤层燃烧发展趋势等问题的重要勘探方法。它利用煤层和周围岩层之间电磁学及电化学性质的差异，通过观测和研究天然存在或建立人工的电磁场空间和时间分布规律，来勘察地质目标和解决地质问题。在煤田火区勘探中，电法勘探是使用频率最高、应用面最广和解决问题较好的方法。

(1)自然电场法

煤层的燃烧形成一个相对稳定的氧化——还原电场，上部煤层带正电，下部煤层带负电，其周围岩层顶底板就形成了自然电场回路。在燃烧煤层上方的地表可观测到相对正常背景值的自然电位变化，可以利用这种自然电位差异圈定煤田火区范围；结合地层产状界定煤层燃烧深度；确定煤层燃烧的发展趋势和施工时注水的水流方向等。自然电场法的优点是装置简易，施工方便；缺点是对高温区的分辨率较低，对燃烧末期的煤火识别效果不佳。如图3(2)曲线所示，自然电位负异常值曲率最大、最小值之间的区域为煤火高温异常区。

(2)高密度电阻率法

高密度电阻率法是采用一般的电法装置，将极距和点距加密，提高对地层的控制程度，获得丰富的地质信息，并采用反应电场分布的电阻率层析成像技术，提高了对地质体的水平和垂直分辨率。在煤火探测上具有比较明显的效果。如图4中125m-160m处高阻异常为煤火高温区域。

(3)瞬变电磁法

瞬变电磁法是基于电性差异的一种交流电法。利用地面的线圈或探头接收地下涡旋电流产生的二次磁场的感生电动势，根据随时间按指数规律衰减的信号，经处理解释，可了解异常体电阻率分布与赋存深度；电导率愈大，涡流愈强，在地面观测的场强愈大。利用这种方法可以确定地下采空区和地下高温区的位置；判断煤层燃烧发展趋势和断层、裂缝的垂向延伸及倾向。瞬变电磁法成果剖面图与高密度电阻率法相似。

图3 磁法和自然电位法剖面图

图4 高密度电阻率剖面图

2.3 磁法

磁法勘探是利用煤系地层及其围岩在高温作用下的磁场强度异常来圈定煤田火区范围；界定煤层燃烧深度；描述煤层燃烧的发展蔓延趋势。一般来说这些岩层在不受高温作用时是弱磁性，而在煤层自燃的高温作用下，铁磁性铁矿物的矫顽力随着温度的升高而减少，在地磁场的作用下磁畴很容易随着磁场方向而重新排列起来。而岩层在高温作用下发生了质的变化，形成大面积烧变岩，大部分烧变岩结构破碎，颜色多为褐色和红色，伴有大面积塌陷，在温度冷却过程中将会在煤层顶底板位置产生很强的磁场强度，磁场强度值可以被地表仪器观测记录。如图3(1)所示，磁异常曲线最大最小值的中间位置为燃烧的煤层露头处，煤火高温异常在煤层倾向上的规模则依据自然电位异常曲线和地表燃烧特征等信息确定。

2.4 活性炭测氡法

通过在地表布设活性炭测氡网，统计每个节点的数据，区域内作等值线图，可以直观的判断煤火异常区。基于上述原理，利用氡气的浓度异常可以判定煤火位置。如图5。

图5 活性炭测氡法识别煤火异常区

3 煤火探测体系的建立

第四次新疆煤田火区普查结果显示，截至2015年底新疆仍有未治理的在燃火区46处，火区总面积669万m2。不同类型的火区有着不同的特点，并且不同的探测方法有不同的探测特性，因此，有必要对不同火区类型进行探测方法的讨论。

按火区发展态势可将火区分为：新发生火区、发展中火区、熄灭状态火区；按地质构造分为：急倾斜煤层火区和缓倾斜煤层火区；按地形地貌分为：高差较大复杂地形火区、相对平坦开阔地形火区；按火源深度分为：浅部火源火区和深部火源火区。

新生火区煤火燃烧时间短，燃烧体体积和蓄热量相对较小，火区地表无塌陷和裂隙。此时燃烧体发火不久，磁异常值微弱，燃烧体磁异常值与围岩磁场值相差不大，因此此类火区用磁法很难分辨燃烧边界。但此时部分水分子受高温作用向地表扩散，燃烧体正发生着强烈的氧化还原反应，在局部形成较明显的氧化-还原电场。故这时采用自然电场法和红外成像、遥感影像可以有效的捕捉燃烧体的物性异常，如果探测面积较大，适当补充钻探佐证。发展中的火区已经形成完备的燃烧系统，燃烧动力强，地表开始出现塌陷和裂隙，燃烧体蓄积了大量的热能，此阶段燃烧体及其围岩的物性发生了根本的变化。例如：磁场值随温度升高而缓慢升高，而当温度达到或超过720℃(居里温度)时磁场值会迅速下降；燃烧体及其围岩的电阻率也发生了根本变化，燃烧体中心区域呈高阻，一般电阻率值大于100Ω，其围岩由于受高温蒸馏作用，含有大量的水分和煤焦油，此时围岩呈低阻，一般电阻率值小于70Ω；燃烧体在剧烈燃烧时，形成高温高压环境，并产生大量的水蒸气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷等，加之燃烧区顶部存在着大量的裂隙，这势必加快了氡气上移的速度，此阶段在地表能够形成较高的氡气异常。因此发展中的火区应选用磁法、自然电场法、高密度电阻率法、活性炭测氡法等。熄灭状态下的火区，当地下燃烧体熄灭后，温度是一个缓慢下降的过程，一般需要几个月甚至几年。此阶段燃烧体及其围岩的物性也发生着缓慢的变化：燃烧体及其围岩的磁异常值随温度的降低逐渐升高，当温度下降到一定范围稳定不变时，磁异常值也趋于稳定，此时的磁异常值为正异常，一般为该地区平均磁场值得20-25倍；燃烧体及其围岩燃烧所产生的氧化-还原电场也随温度的降低逐渐消失，当温度下降到一定范围稳定不变时，自然电位值得变化率也趋零。因此熄灭状态下的火区应选用自然电场法、磁法，同时，燃烧后的地层与原状地层的电阻率相比也发生显著变化，因此，还可以采用高密度电阻率法监测火区的熄灭状况。

地形地貌复杂高差较大的火区，在实际野外勘探中经常遇见，给野外勘探工作带来了诸多不便，为降低勘探成本，提高工作效率，可选用磁法、自然电场法和小线圈瞬变电磁法，减小地形影响误差。若火区地形平坦开阔，以上所有物探方法均可适用，但为了提高勘探精度，可以选做大电源中心线圈的瞬变电磁法和三维高密度电阻率法，为三维立体解析提供有效的信息。

浅部火源火区一般为燃烧体较浅的地表明火，这类火区有发火时间较短，燃烧剧烈等特点。根据燃烧体的物性特征，大部分物探方法都适用于该类型火区，尤其是红外成像、遥感影像效率较高，但磁法在物性异常上不是太明显，因此在探测浅部燃烧体和新发火区时一般不选用磁法。深部火源的火区一般是由矿井火引起的，有稳定的燃烧系统，一般裂隙和塌陷发育。由于距离地表较远，加大了探测难度，多数物探方法都不能有效探测出地下燃烧体的物性特征，有针对性的选用以活性炭测氡法为主、瞬变电磁法为辅的勘探手段，在勘探区以碎步点的形式采集单点数据，最终结合单点坐标绘制氡异常等值线平面图和不同深度的视电阻率等值线平面图，根据以上两种平面图解析地下燃烧体的范围和深度。

急倾斜煤层由于煤层倾角较大，一般燃烧深度较深，在布设测线时，时常会遇到火区特征点物性不明显等问题，可以采用高密度电阻率法法、瞬变电磁法进行勘探。缓倾斜煤层由于煤层倾角较小，地下燃烧体及顶底板受高温烘烤物性发生变化，在地面观测时容易相互叠加和干扰，给资料解析带来诸多干扰，但是总体表现出比较明显的物性异常，多种勘探方法都可有效识别，尤其是高密度电阻率法可对地下异常体实现了多点重复覆盖的方式进行测量，有效的凸显了异常体，从而达到精确识别的目的。

根据上述不同探测方法的特点，根据不同火区类型的特点，结合灭火工程局多年的理论与实践的探索，总结了与各类火区相适应的探测方法。如图6。在实际火区勘探中，可以有针对性地选择合适的探测方法对火区进行勘探，在时效和精度上变得高效和精确。

图6 煤火探测体系的建立

4 结论与建议

(1)对煤火异常进行多种特征参数的提取对精确探测煤火异常具有重要意义；

(2)多种探测方法与多种不同类型的火区建立相对应的联系，建立的煤火探测体系对煤火治理具有指导作用；

(3)煤火高温异常体内的温度分布不均匀，变化规律不明显，加之火区地质条件复杂燃烧及发展状态不可见，建议对火区采用多种勘探方法相互验证分析。

[1]新疆煤田灭火工程局. 新疆第四次煤田火区普查报告[R]. 2014.

[2]邓军，李贝，王凯，王彩萍. 我国煤火灾害防治技术研究现状及展望[J]. 煤炭科学技术，2016，10：1-7+101.