利用三維立體空間模式探測(cè)技術(shù)對(duì)烏達(dá)煤田火區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)研究

丁占平 譚浩

作者簡(jiǎn)介：丁占平（1987-），男，寧夏鑫匯礦山勘查設(shè)計(jì)研究院有限公司，工程師。譚浩（1988-），男，寧夏回族自治區(qū)煤炭地質(zhì)調(diào)查院，工程師。

摘 要： 介紹一套標(biāo)準(zhǔn)化火區(qū)監(jiān)測(cè)技術(shù)，針對(duì)烏達(dá)煤田16個(gè)火區(qū)利用空中到地面，地面到地下的三維立體空間模式的探測(cè)手段進(jìn)行全方位監(jiān)測(cè)工作。總結(jié)近5年來火區(qū)監(jiān)測(cè)工作的技術(shù)方法、取得成果，并對(duì)火區(qū)燃燒狀態(tài)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)及評(píng)述火區(qū)治理效果等內(nèi)容。

關(guān)鍵詞： 烏達(dá)煤田;火區(qū);監(jiān)測(cè);技術(shù)方法

【中圖分類號(hào)】V556 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.28.011

1 引言

烏達(dá)煤田煤層著火最早發(fā)生于1961年，經(jīng)歷了三個(gè)階段的燃燒發(fā)展過程，由于其不斷的迅猛發(fā)展，導(dǎo)致了煤田地表遭到嚴(yán)重破壞，地上、地下煤火相互貫通，熱氣、明火通過裂隙沖出地表，并在地表形成了眾多燃燒中心高溫區(qū)和燃燒帶，出現(xiàn)了大量的地表蒸汽口、明火點(diǎn)及硫磺、芒硝等結(jié)晶體，植被隨之出現(xiàn)死亡現(xiàn)象也愈演愈烈，造成的損失不可估量。

為此，礦方及相關(guān)單位積極組織，相繼開展了火區(qū)勘查工作，圈定燃燒最大面積達(dá)349.61萬m2，并將烏達(dá)煤田火區(qū)劃分為蘇海圖火區(qū)、黃白茨火區(qū)和五虎山火區(qū)，共計(jì)16個(gè)分火區(qū)（編號(hào)為Ⅰ號(hào)～ⅩⅥ號(hào)）。隨后在2006年開始對(duì)其實(shí)施精準(zhǔn)滅火治理工程，歷時(shí)8年時(shí)間，于2014年結(jié)束了治理工作。按照《煤田火災(zāi)滅火規(guī)范》的要求，在治理結(jié)束后利用三維立體空間模式探測(cè)手段對(duì)火區(qū)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)工作，并對(duì)滅火后的火區(qū)狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的評(píng)價(jià)。

2 烏達(dá)煤田火區(qū)概況

蘇海圖火區(qū)包括6個(gè)分火區(qū)，編號(hào)為Ⅰ-Ⅵ號(hào)火區(qū)，火區(qū)總面積約為141.43萬m2。火區(qū)涉及6、7、9、10、12號(hào)煤層。起火時(shí)間最早于1977年，從10號(hào)煤層自燃引起。自1985年小煤窯開采后，出現(xiàn)多處火源并蔓延擴(kuò)大。黃白茨火區(qū)為1個(gè)火區(qū)，即Ⅶ號(hào)火區(qū)，火區(qū)面積共約31.94萬m2。起火時(shí)間為1989年，從1、2號(hào)煤層小煤窯開采處自燃后蔓延擴(kuò)大。五虎山火區(qū)包括9個(gè)分火區(qū)，編號(hào)為Ⅷ-ⅩⅥ號(hào)火區(qū)，火區(qū)總面積約為176.24萬m2。起火時(shí)間均為1985年小煤窯開采之后，由于無序?yàn)E采亂掘引起自燃并蔓延擴(kuò)大。表1為烏達(dá)煤田火區(qū)劃分情況及特征表，火區(qū)分布相對(duì)位置具體見圖1。

3 監(jiān)測(cè)技術(shù)路線與方法

3.1 技術(shù)路線

監(jiān)測(cè)工作采用的技術(shù)路線是從面到點(diǎn)、從空中到地面、從地面到地下的三維立體空間模式，以空中監(jiān)測(cè)為依據(jù)，利用地面監(jiān)測(cè)和地下監(jiān)測(cè)等多種方法相結(jié)合進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)，并依據(jù)滅火工程的實(shí)際條件，進(jìn)一步綜合評(píng)價(jià)滅火工程的效果?？罩斜O(jiān)測(cè)方法主要為航空遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)，地面監(jiān)測(cè)方法主要為地面調(diào)查和紅外線測(cè)溫法，地下監(jiān)測(cè)方法主要為同位素測(cè)氡法、磁法、孔中測(cè)溫和氣體分析法。通過各種方法現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)資料，對(duì)獲得的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行處理研究，分析烏達(dá)煤田內(nèi)各分火區(qū)的燃燒狀態(tài)。

3.2 監(jiān)測(cè)方法

3.2.1 空中監(jiān)測(cè)。

空中監(jiān)測(cè)主要為航空遙感監(jiān)測(cè)，分為自然彩色飛行監(jiān)測(cè)和航空高光譜熱紅外飛行監(jiān)測(cè)，共完成面積約50km2。在監(jiān)測(cè)過程中通過利用最新的航空可見光照片，對(duì)整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)地形地貌的變化程度進(jìn)行詳細(xì)的了解;利用航空熱紅外影像圖，對(duì)烏達(dá)煤田全區(qū)地表熱異常信息進(jìn)行整體的了解和掌握。在對(duì)航空遙感監(jiān)測(cè)的綜合信息全方位分析基礎(chǔ)上，結(jié)合以往火區(qū)勘查和研究資料來確定各火區(qū)的后續(xù)不同監(jiān)測(cè)方法的合理安排和工作部署。

本次自然彩色航空飛行利用無人機(jī)搭載高分辨率數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行拍攝，航攝比例尺1：18000-1：25500，平均航高800米，相機(jī)焦距35mm，航線方向南北飛行，旁向重疊度35%-45%，航向重疊度65%-80%，地面分辨率0.2m。航空高光譜熱紅外飛行使用TASI-600熱紅外成像光譜儀，可連續(xù)將大量熱紅外像片拍攝下來并儲(chǔ)存到儀器內(nèi)，然后進(jìn)行圖像的處理與影像拼接等，航攝比例尺1：30000-1：4000，平均航高1000m，航線方向南北飛行，旁向重疊度35%-45%，航向重疊度65%-80%，地面分辨率1.5m，光譜波段32個(gè)。坐標(biāo)系統(tǒng)均采用1954北京坐標(biāo)系，高程基準(zhǔn)均采用1956黃海高程系。

3.2.2 地面監(jiān)測(cè)。

地面監(jiān)測(cè)所采用方法主要為地面調(diào)查和紅外線測(cè)溫法，利用這兩種方法能夠直接有效的判斷火區(qū)燃燒狀態(tài)。地面調(diào)查通過用手持式GPS采集特征點(diǎn)的坐標(biāo)、用測(cè)溫儀測(cè)量異常點(diǎn)溫度、用數(shù)碼相機(jī)拍攝照片、記錄并描述特征點(diǎn)的屬性，主要以地面大面積熱異常區(qū)，明火點(diǎn)、地面塌陷區(qū)、裂隙、采掘坑、燒變巖、煤層露頭、早期老窯等的燃燒狀況作為調(diào)查內(nèi)容。紅外線測(cè)溫法采用VC170I型便攜式紅外線測(cè)溫儀，利用地下煤層燃燒產(chǎn)生的熱異常區(qū)與周圍地表形成的熱反差，通過紅外線輻射強(qiáng)度探測(cè)直接獲得被測(cè)物體表面溫度，圈定熱異常范圍，繪制地表熱異常等溫線圖。

3.2.3 地下監(jiān)測(cè)。由于地下煤火燃燒后能夠產(chǎn)生多種異常，其中熱異常和磁異常主要利用同位素測(cè)氡法、磁法等物探方法來進(jìn)行探測(cè)，煤火燃燒所產(chǎn)生的溫度變化和所釋放的氣體，利用監(jiān)測(cè)鉆孔進(jìn)行孔中測(cè)溫及氣體分析的方法來進(jìn)行監(jiān)測(cè)，進(jìn)而能夠有效的判斷地下煤火燃燒的狀態(tài)。同位素測(cè)氡法使用KZ-D02型低本底α杯測(cè)氡儀，根據(jù)測(cè)得的氡氣值大小，編制氡異常等值線圖圈定氡值異常區(qū)，來判斷地下煤層是否燃燒。磁法使用CZM-4型質(zhì)子磁力儀，通過在不同時(shí)間測(cè)得磁異常特征編制磁異常平面剖面圖進(jìn)行對(duì)比分析，判斷地下煤層的燃燒狀態(tài)?？字袦y(cè)溫法采用XMZ-102型數(shù)字式熱敏電阻鉆孔溫度測(cè)量?jī)x，通過不同時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，獲得溫度場(chǎng)分布隨時(shí)間的變化規(guī)律，評(píng)價(jià)煤田滅火效果。氣體分析法采用旋片式真空泵及橡膠集氣球膽，根據(jù)化驗(yàn)分析O2、N2、CO、CO2、CH4、C2H2、C2H6、C2H4等8種氣體濃度結(jié)果隨時(shí)間的變化規(guī)律來判斷滅火工程效果。

4 火區(qū)監(jiān)測(cè)研究

4.1 測(cè)網(wǎng)布設(shè)及完成工作量

本次火區(qū)監(jiān)測(cè)研究物探工作布設(shè)網(wǎng)度為50m×10m，監(jiān)測(cè)孔布設(shè)78個(gè)網(wǎng)度為100m×100m。共完成航空遙感監(jiān)測(cè)50km2，地面調(diào)查8.59km2，物探測(cè)線300條，同位素測(cè)氡法物理點(diǎn)12870個(gè)，紅外線測(cè)溫點(diǎn)12887個(gè)，磁法物理點(diǎn)12870個(gè)，孔中測(cè)溫584個(gè)，氣體分析567組。

4.2 火區(qū)熄滅標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《煤田火災(zāi)滅火規(guī)范》要求，煤田火區(qū)達(dá)到熄滅需滿足以下標(biāo)準(zhǔn)：

（1）地表著火征狀消失;

（2）各觀測(cè)孔內(nèi)氣體溫度呈持續(xù)下降趨勢(shì)，全孔最高溫度小于100℃，且90%以上觀測(cè)孔最高溫度穩(wěn)定在70℃以下;

（3）各觀測(cè)孔內(nèi)一氧化碳濃度呈持續(xù)下降，孔內(nèi)最高值小于500ppm，且90%以上觀測(cè)孔一氧化碳最大濃度穩(wěn)定在l00ppm以下;

（4）火區(qū)內(nèi)磁場(chǎng)異常值基本穩(wěn)定;

（5）火區(qū)內(nèi)電異常有消失趨向;

（6）各觀測(cè)孔內(nèi)氣體溫度和一氧化碳濃度的月平均值連續(xù)6個(gè)月呈下降趨勢(shì)。

4.3 監(jiān)測(cè)工作

由于烏達(dá)煤田火區(qū)相對(duì)較多，本文重點(diǎn)以Ⅵ號(hào)火區(qū)進(jìn)行詳細(xì)敘述，以此來說明三維立體空間模式監(jiān)測(cè)方法的應(yīng)用效果。

Ⅵ號(hào)火區(qū)位于蘇海圖火區(qū)西南部，燃燒煤層為9號(hào)煤層，包括Ⅵ號(hào)和Ⅵ-Ⅱ號(hào)兩個(gè)子火區(qū)，面積大范圍廣，主要分為回填治理區(qū)和渣堆覆蓋區(qū)，布設(shè)監(jiān)測(cè)鉆孔18個(gè)，分布在火區(qū)的中東部回填治理區(qū)內(nèi)，見圖4-3-1。

圖4-3-2左為航空遙感監(jiān)測(cè)解譯成果圖，紅色表示煤火高溫區(qū)，黃色表示煤火異常區(qū)，藍(lán)色表示熱異常區(qū)。圖4-3-2右為航空遙感監(jiān)測(cè)圈定火區(qū)邊界圖，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證后，Ⅵ-1號(hào)火區(qū)面積為2.17萬m2，Ⅵ-2號(hào)火區(qū)面積5.71萬m2，Ⅵ-3號(hào)火區(qū)面積為0.29萬m2。

通過地面調(diào)查發(fā)現(xiàn)，Ⅵ號(hào)火區(qū)內(nèi)地表大多被黃土或渣石堆覆蓋，存在多個(gè)溫個(gè)異常點(diǎn)，分布在渣堆邊緣及坡腳。圖4-3-3為回填覆蓋渣堆燃燒溫度異常點(diǎn)，在經(jīng)黃土覆蓋后，地表周圍可見大片呈濕潤、膨松、返潮的現(xiàn)象，并有硫磺、芒硝等物質(zhì)析出，伴有刺鼻性氣味的青煙冒出。

圖4-3-4為Ⅵ號(hào)火區(qū)紅外線測(cè)溫法監(jiān)測(cè)平面等值線圖，顏色由藍(lán)至紅溫度逐漸升高，溫度異常主要分布在D15線200點(diǎn)～220點(diǎn)處、D21線270點(diǎn)～300點(diǎn)處和D22線190點(diǎn)～230點(diǎn)范圍內(nèi)，說明在測(cè)線D15線200m～220m處、D21線270m～300m處和D22線190m～230m處實(shí)測(cè)溫度值與區(qū)域背景溫度值相差較大，由此推斷該火區(qū)存在溫度異常區(qū)。

圖4-3-5為Ⅵ號(hào)火區(qū)D21線同位素測(cè)氡法監(jiān)測(cè)曲線圖，氡值曲線呈“鋸齒狀”不斷跳躍，主要在260點(diǎn)～300點(diǎn)之間異常明顯增大，測(cè)氡值最大達(dá)到53N/min。由此可推斷，該測(cè)線260～300m范圍內(nèi)為測(cè)氡異常區(qū)。

圖4-3-6為Ⅵ號(hào)火區(qū)同位素測(cè)氡法監(jiān)測(cè)平面等值線圖，該火區(qū)內(nèi)存在兩處異常區(qū)，主要分布在D15線200m～220m處、D21線270m～300m處和D22線190m～230m處范圍內(nèi)，異常反映較為明顯，根據(jù)監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)的異常幅值和異常背景值的判斷，選擇“閥值”在計(jì)數(shù)值大于23N/3min的為氡異常，因此判斷在D15線200m～220m、D21線270m～300m和D22線190m～230m范圍為測(cè)氡異常區(qū)。

圖4-3-7為Ⅵ號(hào)火區(qū)磁法監(jiān)測(cè)平剖圖，各測(cè)線上曲線異常形態(tài)基本一致，圖中有兩處異常區(qū)存在，異常表現(xiàn)較為明顯，主要分布在D15線200點(diǎn)～220點(diǎn)、D21線270點(diǎn)～300點(diǎn)、D22線190點(diǎn)～230點(diǎn)區(qū)域，說明該范圍內(nèi)存在燃燒異常。

表4-3-1為18個(gè)監(jiān)測(cè)鉆孔孔中測(cè)溫和氣體分析CO濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，從表中可看到，監(jiān)測(cè)鉆孔內(nèi)溫度連續(xù)7次監(jiān)測(cè)均保持在70℃以下;氣體分析CO濃度在整個(gè)監(jiān)測(cè)過程中均為0ppm，并保持穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4-3-8為Ⅵ-17號(hào)鉆孔孔中測(cè)溫和氣體分析CO濃度監(jiān)測(cè)曲線圖，隨著監(jiān)測(cè)工作的逐步進(jìn)行，孔內(nèi)溫度持續(xù)穩(wěn)定在70℃以下，CO濃度持續(xù)為0ppm，說明該孔內(nèi)煤火逐漸熄滅，最終歸為正常狀態(tài)。

結(jié)合Ⅵ號(hào)火區(qū)各方法監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來看，該火區(qū)內(nèi)存在兩處異常區(qū)域，均為渣堆覆蓋區(qū)燃燒引起的溫度異常點(diǎn)，經(jīng)過對(duì)渣堆燃燒的情況進(jìn)行核實(shí)調(diào)查分析后發(fā)現(xiàn)，該異常點(diǎn)均為滅火治理工程在后期排放的渣石堆自燃所引起，與地下煤火燃燒并無關(guān)聯(lián);結(jié)合孔中測(cè)溫和氣體分析監(jiān)測(cè)來看，Ⅵ號(hào)火區(qū)內(nèi)各監(jiān)測(cè)鉆孔溫度連續(xù)7次監(jiān)測(cè)均保持在70℃以下，氣體分析CO濃度在整個(gè)監(jiān)測(cè)過程中均為0ppm，并保持穩(wěn)定狀態(tài)。

綜合分析表明，Ⅵ號(hào)火區(qū)在經(jīng)過滅火工程治理后地下煤火燃燒已熄滅，整個(gè)火區(qū)也已從燃燒狀態(tài)逐漸恢復(fù)為正常狀態(tài)。

4.4 監(jiān)測(cè)結(jié)論

通過對(duì)烏達(dá)煤田內(nèi)16個(gè)分火區(qū)進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)后，各火區(qū)燃燒狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)如下：Ⅰ號(hào)火區(qū)：已經(jīng)熄滅，逐漸恢復(fù)為正常狀態(tài);Ⅱ號(hào)火區(qū)：已經(jīng)熄滅，已恢復(fù)為正常狀態(tài);Ⅲ號(hào)火區(qū)：已經(jīng)熄滅，逐漸恢復(fù)為正常狀態(tài);Ⅳ號(hào)火區(qū)：已經(jīng)熄滅，已恢復(fù)為正常狀態(tài);Ⅴ號(hào)火區(qū)：已經(jīng)熄滅，逐漸恢復(fù)為正常狀

態(tài);Ⅵ號(hào)火區(qū)：已經(jīng)熄滅，逐漸恢復(fù)為正常狀態(tài);Ⅶ號(hào)火區(qū)：尚未完全熄滅，有待熄滅;Ⅷ號(hào)火區(qū)：已經(jīng)熄滅，已恢復(fù)為正常狀態(tài);Ⅸ號(hào)火區(qū)：已經(jīng)熄滅，逐漸恢復(fù)為正常狀態(tài);Ⅹ號(hào)火區(qū)：

已經(jīng)熄滅，已恢復(fù)為正常狀態(tài);Ⅺ號(hào)火區(qū)：已經(jīng)熄滅，逐漸恢復(fù)為正常狀態(tài);Ⅻ號(hào)火區(qū)：已經(jīng)熄滅，已恢復(fù)為正常狀態(tài);ⅩⅢ號(hào)火區(qū)：已經(jīng)熄滅，已恢復(fù)為正常狀態(tài);ⅩⅣ號(hào)火區(qū)：已經(jīng)熄滅，已恢復(fù)為正常狀態(tài);ⅩⅤ號(hào)火區(qū)：已經(jīng)熄滅，已恢復(fù)為正常狀態(tài);ⅩⅥ號(hào)火區(qū)：已經(jīng)熄滅，已恢復(fù)為正常狀態(tài)。

最終對(duì)火區(qū)治理效果評(píng)述為合格，16個(gè)火區(qū)均達(dá)到煤田火區(qū)熄滅標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

（1）利用三維空間立體模式的探測(cè)方法對(duì)各火區(qū)完成了異常監(jiān)測(cè)工作，了解和掌握了正在熄滅的火區(qū)溫度變化情況，圈定了地表熱異常和地下氡異常分布范圍，確定了地下煤火燃燒或熄滅的狀態(tài)，最終對(duì)各火區(qū)滅火工程治理后的狀態(tài)作出了綜合性評(píng)價(jià)，從而達(dá)到了檢驗(yàn)滅火工程的效果。

（2）本次火區(qū)監(jiān)測(cè)研究工作的方法正確，技術(shù)路線合理有效，通過創(chuàng)新達(dá)到了預(yù)期的效果，對(duì)今后其他火區(qū)的監(jiān)測(cè)工作有著重大的研究意義和實(shí)際應(yīng)用潛能。

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