現(xiàn)代勘查技術在蒙東地區(qū)煤炭火區(qū)中的應用

吉宏泰 梁 璐

(1.內(nèi)蒙古煤田地質局煤炭地質調(diào)查院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；2.上海海洋大學海洋科學學院，上海 201306)

現(xiàn)代勘查技術在蒙東地區(qū)煤炭火區(qū)中的應用

吉宏泰1梁 璐2

(1.內(nèi)蒙古煤田地質局煤炭地質調(diào)查院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；2.上海海洋大學海洋科學學院，上海 201306)

內(nèi)蒙古自治區(qū)東部五盟市地區(qū)即蒙東地區(qū),其褐煤資源豐富，煤炭自燃等級達Ⅰ～Ⅱ級，自燃傾向性為容易自燃—自燃。該地區(qū)煤炭資源的燃燒造成嚴重的人類健康、環(huán)境污染和經(jīng)濟損失問題。收集了蒙東地區(qū)26處煤(礦)田火區(qū)勘查報告、物探總結等資料，結合蒙東地區(qū)環(huán)境、地質和煤質特點，以現(xiàn)代勘查技術在該區(qū)域的實際應用為基礎，總結了蒙東地區(qū)煤炭火區(qū)的遙感影響和地球物理技術特征，綜合利用勘探提供的信息圈定火燒區(qū)范圍、建立燃燒模型，各區(qū)均成功地完成了深部鉆探驗證工作，為災害區(qū)的治理提供了準確的依據(jù)。蒙東地區(qū)煤炭火區(qū)勘查的經(jīng)驗，能夠為今后的煤炭火區(qū)勘查工作提供指導。

勘查 煤田火區(qū) 褐煤 蒙東地區(qū)

蒙東地區(qū)即內(nèi)蒙古東部呼倫貝爾、興安盟、通遼、赤峰、錫林郭勒盟五盟市。總面積66.49萬km2，占全內(nèi)蒙古自治區(qū)土地面積的56.2%。全國五大露天煤礦中伊敏(呼倫貝爾)、霍林河(通遼)、元寶山(赤峰)三大露天煤礦都在該地區(qū)。蒙東地區(qū)煤炭資源的特點：分布廣、儲量大，以褐煤(低灰褐煤)為主，煤層埋藏淺、厚煤層多、地質構造和水文地質條件簡單、層位穩(wěn)定、煤田規(guī)模大、易開采。在該地區(qū)煤(礦)田煤炭資源的燃燒浪費了大量資源，同時對區(qū)域內(nèi)的人類健康和環(huán)境造成很大影響。截至2011年，內(nèi)蒙古自治區(qū)經(jīng)濟委員會統(tǒng)計蒙東地區(qū)存在煤(礦)田火區(qū)：呼倫貝爾市2個，通遼市6個，興安盟未發(fā)現(xiàn)火區(qū)，赤峰市和錫林郭勒盟各有9個火區(qū)，共計26處煤(礦)田火區(qū)?；饏^(qū)總面積統(tǒng)計近300萬m2，直接經(jīng)濟損失超過10億元。針對該地區(qū)出現(xiàn)的煤(礦)田火區(qū)災害，采用現(xiàn)代勘查技術方法和滅火治理工作，成功地完成了災害的治理工作，為后續(xù)的火區(qū)治理工作提供研究依據(jù)。

1 蒙東區(qū)域地質環(huán)境、煤炭及火區(qū)成因特征概述

1.1 區(qū)域地質環(huán)境特點

蒙東地區(qū)屬寒溫帶和中溫帶大陸性季風氣候，屬干旱和半干旱季風氣候。屬草原覆蓋地貌景觀區(qū)，巖層露頭連續(xù)性較差。地處華北陸臺與西伯利亞板塊之間的古生代構造-巖漿巖帶內(nèi)。該區(qū)域主要構造-地質單元形成和演化劃分為兩階段：①晚二疊世之前，華北陸臺與西伯利亞板塊頻繁構造活動期；下部為前中生代變質巖塊體和海相火山巖-沉積巖;②晚二疊世后兩大古板塊拼接為統(tǒng)一大陸。上部為中新生代陸相含煤(油氣)沉積巖和中酸性火山巖。

除缺失太古宇和中生界三疊系外，其余地質時期地層均有出露。前寒武紀—古生代地層分布廣泛和海西—印支期巖漿巖十分發(fā)育[1]。

1.2 蒙東主要成煤時期和煤質特點

該地區(qū)主要的成煤時期為侏羅系和白堊系。

侏羅系分區(qū)地層特點：主要為興安地層分區(qū)(活動型)和二連地層分區(qū)(過渡型)東北部[2]，在中、下侏羅統(tǒng)集中賦存煤礦，如錫林郭勒盟地區(qū)阿拉坦合力群、大興安嶺地區(qū)的太平川組、紅旗組、新民組、呼倫貝爾地區(qū)侏羅系下統(tǒng)扎賚諾爾群(伊敏組、大磨拐河組)等。

煤的物理性質和化學特征：煤的顏色為黑色至深褐色，無光澤至玻璃光澤，煤巖組分以暗煤為主，少量亮煤和鏡煤，條帶結構。如海拉爾伊敏煤田侏羅系下統(tǒng)扎賚諾爾群大磨拐組煤質化學特點：煤水分(Mad)5.60%～16.58%，以中水分煤為主，灰分(Ad)0.82%～22.28%，揮發(fā)分(Vdaf)14.7%～26.29%，硫分(St.d)0.44%～0.70%，發(fā)熱量(Qgr,d)24.92～29.45 MJ/kg，低灰、低硫高熱值褐煤。

白堊系分區(qū)地層特點：主要為戈壁地層區(qū)(二連地層分區(qū)、海拉爾地層分區(qū))，東北地層區(qū)，部分華北地層區(qū)(赤峰地層分區(qū))。早白堊世小型斷陷盆地和融合性盆地發(fā)展的后期，普遍形成煤層，尤其隆起區(qū)的小型斷陷盆地，可形成規(guī)模巨大的煤礦。融合性盆地邊緣地帶沉積中，同樣存在較多的煤層[2]。錫林郭勒地區(qū)的巴彥花組等。

煤的物理性質和化學特征：煤的顏色為黑褐色至黑灰色，無光澤至油脂光澤，煤巖組分為鏡煤、亮煤、暗煤組成，以暗淡煤為主，夾絲炭層，具貝殼狀斷口，含黏土質黃鐵礦結核及方解石等礦物雜質。煤吸水性強，極易風化和自燃發(fā)火。煤的層理是連續(xù)的，有時有少許斷續(xù)的水平層理或緩波狀層理。如赤峰平莊煤田白堊系下統(tǒng)阜新組煤的化學性質：煤水分(Mad)1.72%～22.3%，平均14.81%，灰分(Ad)6.04%～36.96%，平均16.24%，硫分(St.d)0.53%～2.26%，平均1.13%，揮發(fā)分(Vdaf)10.5%～52.61%，干燥基高位發(fā)熱量(Qgr，d)>18.78 MJ/kg，低中灰、中硫、高熱值褐煤。

1.3 煤(礦)田火區(qū)成因

總結蒙東地區(qū)26處火區(qū)的起火原因和現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)的問題，將該地區(qū)煤層火區(qū)成因分為以下幾點：

(1)蒙東地區(qū)屬大陸性季風氣候，氣候極為干燥，加之煤層埋藏較淺，煤炭種類主要以褐煤為主，燃點低，易風化碎裂，煤炭自燃等級達Ⅰ～Ⅱ級，自燃傾向性為容易自燃—自燃。

(2)深部煤層中典型氣態(tài)碳氫化合物(甲烷等)和含硫化合物(黃鐵礦等)氧化后放熱，其熱量蓄積引起煤層自燃。

(3)濫挖亂采形成多處小窯口、剝挖區(qū)以及塌陷裂隙帶，而沒有進行回填或封閉為煤層燃燒提供了供氧通道，使煤層能得到充分的通風供氧條件。

(4)煤礦開采中的人為因素引起煤炭自燃，如進行爆破、焊接等易產(chǎn)生放熱現(xiàn)象的工作?；蛘吖ぷ魅藛T違規(guī)吸煙等引起火災[4]。

(5)煤炭賦存地區(qū)的自然災害，由于雷擊、植物燃燒、森林火災等引發(fā)的火災。

(6)為達到開采目的，進行人工縱火。

2 現(xiàn)代勘查技術在蒙東地區(qū)煤(礦)田火區(qū)應用

根據(jù)火源位置不同將火區(qū)分為地表燃燒區(qū)、地下燃燒區(qū)；根據(jù)燃燒程度不同分為充分燃燒區(qū)、燃燒區(qū)、半燃燒區(qū)、低燃燒區(qū)。根據(jù)不同情況所采取的主要勘查方法不同。

2.1 遙感技術

主要應用于工作區(qū)內(nèi)人工勘查困難、地表大面積燃燒和完全燃燒區(qū)域。煤層自燃為耗散結構開放系統(tǒng)[5-6]，與外界存在物質能量交換引起物質成分和結構發(fā)生變化，引起遙感圖像光譜特征、結構特征和熱輻射等異常現(xiàn)象。煤層燃燒后，熱量沿裂隙向上逸出，在地表通過溫度測量可以發(fā)現(xiàn)熱異常區(qū)。由于熱異常區(qū)比地面溫度高，會形成較強的熱輻射，溫度越高，輻射越強。

(1)遙感結構信息分析特點。蒙東地區(qū)以褐煤為主，其抗壓強度弱。煤炭自燃過程中，當溫度達到擠壓強度的臨界點后，其擠壓強度隨溫度的增加快速下降。同時由于蒙東地區(qū)四季溫度變化明顯，圍巖易產(chǎn)生破碎，形成裂隙。在煤(礦)田火區(qū)范圍形成了彎曲沉降帶、裂隙帶和冒落帶。在高溫作用(大于500 ℃)強烈時，巖石發(fā)生熱破碎，在地表形成連續(xù)的裂隙帶。通過遙感衛(wèi)星QuickBird的圖像的色調(diào)和空間信息，對比圖像解譯如表1，環(huán)狀影像特征未很好對應地質環(huán)境意義。

表1 遙感影像特征及地質意義

(2)多光譜特征分析特點。用Landsat系列衛(wèi)星第6波段進行信息提取，TM從1～7進行分析，空間精度60～120 m。燃燒區(qū)光譜剖面特征：火區(qū)的反射光譜總體表現(xiàn)為TM5、TM7波段梯度變化很明顯，TM5>TM7>TM3，燃燒區(qū)呈明顯的峰值形態(tài)；煤炭燃燒區(qū)積雪的光譜剖面特征，主要反應為TM3>TM5>TM7特點；土壤光譜特征，顯示為燃燒的燒變土壤TM5>TM7>TM3，非火區(qū)土壤光譜特征TM5>TM7>TM3。

(3)熱輻射信息分析特點。主要測量地下燃燒煤層產(chǎn)生的熱量經(jīng)裂隙或巖層傳導到地表形成的熱異常。其測量溫度一般高于地面環(huán)境溫度。熱輻射信息的遙感傳感器工作光譜波段選擇在中遠紅外波段，發(fā)射率數(shù)值選擇0.85[6]。火區(qū)地表一般呈弱熱輻射異常，而在裂縫或巖石松散地段，地下火區(qū)反映比較顯著，溫度50～500 ℃。在上覆地層小于100 m時，地表形成的熱異?；九c火區(qū)范圍對應，當深度增加時，無明火點的情況下，僅依靠巖層傳導到地表的熱輻射熱量有限。

2.2 地球物理技術

(1)磁法探測。在蒙東地區(qū)勘查主要采用地面高精度磁法測量，針對煤(礦)田地下的燃燒、半燃燒區(qū)或低燃燒區(qū)進行。從上世紀60年代初至今，已經(jīng)證明煤炭火區(qū)燃燒當溫度達到400～800 ℃，磁場垂直分量增加到最高[5]，弱磁性礦物轉變?yōu)榇判缘V物。在無氧、低磁場條件下煤炭和圍巖的鐵、磁性物質磁化率在400～500 ℃明顯升高2～3個數(shù)量級[7]。通過對蒙東地區(qū)煤(礦)田火區(qū)勘查中高精度磁法測量資料分析，發(fā)現(xiàn)在該區(qū)域煤炭火區(qū)高精度磁法反應的異常值并不高(除部分玄武巖蓋層地區(qū)異常值達到+1 000 nT以上)，基本在+100～+500 nT之間，通過反演計算可以推測煤層火區(qū)埋藏深度。值得注意的是煤層自燃區(qū)域，不僅表現(xiàn)出高的正磁異常特點，在淺部(50～100 m)深度，煤層燃燒、半燃燒區(qū)域，出現(xiàn)明顯的由負到正梯度變化(-100～+100)nT。通過對多個勘查區(qū)砂巖樣品進行磁化率測量發(fā)現(xiàn)，無火區(qū)砂巖磁化率(10～30)×10-5SI，火區(qū)砂巖磁化率(200～1 000)×10-5SI。

(2)電法探測。電法勘探種類較多，在煤炭火區(qū)勘查中主要采用自然電位法、高密度電阻率法、瞬變電磁法等。自然電位法因為設備便攜、測量速度快、異常特征明顯優(yōu)勢為主要采用方法；高密度電阻率法在尋找充分燃燒區(qū)、地下塌陷區(qū)方面具有良好的效果；瞬變電磁法主要可應用于深度較大的隱伏煤層火區(qū)探測。蒙東地區(qū)26處火區(qū)勘查地區(qū)，應用自然電位法，普遍發(fā)現(xiàn)，在無明火點的半燃燒、低燃燒區(qū)自然電位異常主要成負值出現(xiàn)。進行測量時需要注意在煤層燃燒引起的塌陷區(qū)域內(nèi)，有以前的積雪、積水應當盡量回避，在沒有礦井和電車產(chǎn)生游離電場等影響下，露天煤礦測量結果較好。在明火點位置上，測量時經(jīng)常出現(xiàn)跳躍數(shù)值，需要多次測量取平均值。在圈定自然電位異常時，不能單純依靠等值線平面圖中的正負異常劃定范圍，還要注意到剖面平面圖中，各條剖面中強梯度變化點連線圈定的異常區(qū)域。

(3)放射性探測。依據(jù)煤層燃燒形成放射性氣體(氡氣、釷射氣)，常規(guī)采用放射性同位素氡氣測量方法。特別是在煤層火區(qū)燃燒時，其溫度越高，產(chǎn)生的氡濃度也越高，是比較理想的方法。蒙東地區(qū)采用土壤測量同位素氡法，以活性炭為吸附介質，在距地表80 cm左右，埋藏收集瓶，4～5 d后采集測量，采用CDTH(測氡探火)軟件處理。通過測氡方法，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域采空區(qū)、塌陷區(qū)、井下巷道區(qū)和火燒冒煙區(qū)氡氣異常偏高，特別是在冒煙區(qū)，部分地區(qū)測氡值異常值最高，直接反應出著火點的位置。在地表(明火區(qū))覆蓋層儲氣性較差的地層(基巖風化層、煤層風化層)測氡效果較差。測氡高異常與溫度高異常能較好地對應，但與磁法反應的正異常有一定位移偏差，推測可能由于磁法在燒變巖區(qū)仍可以測到較剩磁異常，測氡主要針對著火點位置反應偏高異常。

(4)溫度探測。主要采用地面測溫槍進行溫度測量。測溫法對明火和近地表火區(qū)反映明顯，效果較好，隨深度的增加，效果逐漸變差，需要注意的就是測溫異常受日溫變化影響較大。根據(jù)米溫度測量原理，在覆蓋層小于50 m時，溫度異常基本與淺地表煤層燃燒區(qū)中心位置對應；50～100 m時，熱量沿裂隙、巷道、通風口等散失；大于100 m時，熱量基本不傳導到地表。在50 m以內(nèi)可以在地表形成熱異常，通過勘查區(qū)內(nèi)溫度探測結果建立火區(qū)的燃燒模型[5]，按照溫度和地面調(diào)查特征將蒙東地區(qū)出現(xiàn)的煤(礦)田火區(qū)分為10個燃燒發(fā)展期：①風化期(地表溫度)無明顯燃燒現(xiàn)象，地表露頭出現(xiàn)風化碎裂；②氧化期(31～60 ℃)出現(xiàn)冒白氣和冒H2S氣體；③自燃期(61～100 ℃)冒白煙或者黑煙；④燃燒中心形成期(101～200 ℃)出現(xiàn)白煙或黑煙噴發(fā)現(xiàn)象；⑤燃燒系統(tǒng)形成期(201～300 ℃)裂隙熱流噴發(fā)，黑色濃煙；⑥全面燃燒期(300～500 ℃)出現(xiàn)紅火、高溫氣流噴出，燃燒區(qū)有白色燃燒殘留物；⑦持續(xù)燃燒期(大于500 ℃)在已開采小型煤窯口位置出現(xiàn)灰煙，高溫氣流噴出；⑧燒變巖形成期(500～201 ℃)出現(xiàn)白色粉末燒變板巖，橙紅色燒變砂巖，深黃色燒變黃土等；⑨休眠期(50～30 ℃)在未封閉的老窯，窯口有刺激性氣味；⑩熄滅期(30～地表溫度)封閉的老窯，窯口有燒變巖，呈白色灰燼狀。

通過歸納蒙東地區(qū)26處煤(礦)田火區(qū)在遙感和地球物理技術信息方面的特征得出的結果見表2。

表2 蒙東地區(qū)煤(礦)田火區(qū)遙感與地球物理信息特征分析

3 驗證及治理工作

3.1 驗證工作

根據(jù)勘查信息、燃燒模型圈定的火區(qū)范圍，與磁法、測氡反演推測的煤層火區(qū)深度進行驗證工作，在每個詳查區(qū)安排3～5個鉆孔，分為探火鉆孔、驗證火區(qū)邊界鉆孔和機動鉆孔。在鉆探驗證過程中，其中77%鉆孔在5～20 m，30～35 m,50～60 m發(fā)現(xiàn)煤層火區(qū)，僅個別區(qū)發(fā)現(xiàn)100 m左右的煤層火燒區(qū)，驗證效果良好。同時對見火鉆孔的井溫資料進行匯總，發(fā)現(xiàn)在熄滅后煤層及燒變巖層基本不存在井溫異常；而在自燃煤層頂?shù)装宓哪鄮r層中，由于形成堅固蓋層，一般反應井溫異常高于煤層本身。

3.2 治理工作

蒙東地區(qū)的煤(礦)田交通較便利，多數(shù)為露天開采，有排土場，土源充足、便捷。該地區(qū)僅有季節(jié)性水源，水源不充足。針對蒙東地區(qū)的煤(礦)田火區(qū)特點，以阻斷地表、地下供氧通道的方式，采用剝離、黃土覆蓋為主要方法，注水、注漿并用的綜合方法進行治理達到滅火效果。截止到2012年年底，蒙東地區(qū)26處火區(qū)已經(jīng)全部治理完成。

4 結 論

(1)蒙東地區(qū)氣候特點突出，以干旱、半干旱為主，煤質主要以侏羅、白堊系褐煤為主，煤層出露淺，煤質水分含量中—少，易風化，易碎，容易發(fā)生煤層自燃現(xiàn)象。

(2)蒙東地區(qū)采用的現(xiàn)代勘查方法，遙感影像能夠較為準確地反應地表出現(xiàn)的一定寬度(30～50 m)左右范圍的燃燒區(qū)、明火區(qū)。在充分燃燒區(qū)、燃燒區(qū)、半燃燒區(qū)，地面高精度磁法能夠較為準確地圈定火區(qū)邊界，結合自然電位法異常范圍能夠確定火區(qū)面積范圍。同位素測氡法同樣可以確定火區(qū)邊界范圍，但針對火區(qū)邊界上著火點反應更加突出。

(3)勘查方法在應用過程中遇到的問題，遙感方法受圖像分辨率影響，地球物理技術中多數(shù)地面測量方法，不能在大面積明火區(qū)和嚴重塌陷區(qū)實施，自然電位法需避免地表游離電場的影響，同位素測氡地面溫度測量受到的干擾因素較多。

(4)結合遙感熱輻射特點和地表測溫測量，可建立煤層火區(qū)燃燒模型，根據(jù)燃燒模型、綜合勘查方法圈定的火區(qū)范圍及反演結果進行鉆探驗證，為災害治理工作提供準確詳實的依據(jù)。

[1] 內(nèi)蒙古自治區(qū)地質礦產(chǎn)局.內(nèi)蒙古區(qū)域地質志[M].北京：地質出版社，1991：237-300. Bureau of Geology and Mineral Resources Inner Mongolia.Regional Geology of Nei Mongolia(Inner Mongolia)Autonomous Region[M].Beijing：Geological Publishing House，1991：237-300.

[2] 聶風軍.中蒙邊境中段金屬礦床成礦規(guī)律和找礦方向[M].北京：地質出版社，2005：194-200. Nie Fengjun.Laws and Prospecting Direction of the Mineral Deposits Border in the Middle Section of the Sino-Mongolian [M].Beijing：Geological Publishing House，2005：194-200.

[3] 陳冰冰，池 海.伊敏五牧場區(qū)煤質特征及變質規(guī)律[J].中國煤田地質，2005，17(5)：34-36. Chen Bingbing,Chi Hai.Coal quality characters and metamorphic pattern in Wumuchang Area，Yimin[J].Coal Geology of China，2005，17(5)：34-36.

[4] Glenn B Stracher，Robert B Finkelman.Natural and anthropogenic coal fires[J].The Encyclopedia of Earth，2012(1)：1-6.

[5] 熊盛靑，陳 斌，等.地下煤層自燃遙感與地球物理探測技術[M].北京：地質出版社，2006：14-38. Xiong Shengqing，Chen Bin，et al.The Key Technology Research of Remote Sensing and Geophysical Detection of Underground Coal Spontaneous Combustion[M].Beijing：Geological Publishing House，2006：14-38.

[6] 鐘茂華，符泰然，等.新疆煤田火區(qū)現(xiàn)狀調(diào)查研究——小尺度區(qū)域熱輻射信息分析[J].中國工程科學，2010，12(1)：12-17. Zhong Maohua，F(xiàn)u Tairan，et al.Small-scale area survey and analyses of Xinjiang's coal field fire in China[J].Engineering Sciences，2010，12(1)：12-17.

[7] 朱曉穎，于長春，等.磁法在煤火探測中的應用[J].物探與化探，2007(2)：115-119. Zhu Xiaoying，Yu Changchun，et al.The application of the magnetic method to the detection of underground coal fires[J].Geophysical and Geochemical Exploration，2007(2)：115-119.

(責任編輯 石海林)

Application of Modern Prospecting Technology in Finding Coalfield Fires in Eastern Inner Mongolia

Ji Hongtai1Liang Lu2

(1.CoalfieldGeologicalResearchInstitute，CoalfieldGeologyBureauofInnerMongolia，Hohhot010010，China；2.CollegeofMarineSciences，ShanghaiOceanUniversity，Shanghai201306，China)

The eastern Inner Mongolia consists of five cities.The lignite resources are rich in the Eastern.The levels of coal spontaneous combustion reach I-II，belonging to the easy spontaneous combustion or spontaneous combustion.Coalfield fires in this area greatly affect the health of humans and results in the pollution of the environment and economic loss.After collecting the reports of the exploration and the papers of geophysics in the different 26 coal fires in Eastern Inner Mongolia，combining with the environment，geology and coals characteristics in this area，and also based on modern prospecting technology，the characteristics in remote sensing and geophysics in the Eastern are summarized.With the use of the exploration data，the boundary lines of coalfield fires are delineated and the model of coalfield fires is set up.Deep drills in each zone provide an accurate basis for the treatment of disaster zone.The experience of fire prospecting in the Eastern supplies a guide for the exploration of other coalfield fires in future.

Exploration，Coalfield fires，Lignite，Eastern Inner Mongolia

2015-02-07

內(nèi)蒙古自治區(qū)煤田火區(qū)治理專項資金項目(編號：0651-Z09020168-7、BJMSJYNM-100008-1)。

吉宏泰(1984—)，男，工程師，碩士研究生。

TD17，TD752

A

1001-1250(2015)-04-186-05