淺談綜合物探手段在煤田滅火工程中的運(yùn)用

周濤

新疆煤田滅火工程局，中國(guó)·新疆 烏魯木齊 830063

1 引言

煤炭作為中國(guó)最為重要的能源之一，其在整個(gè)一次性能源消耗中占有很大的比例。中國(guó)現(xiàn)階段可以開(kāi)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(dá)2000 萬(wàn)t。煤田火災(zāi)不僅會(huì)燒毀煤田資源，還會(huì)對(duì)當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)以及生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。因此，采用適當(dāng)?shù)氖侄螒?yīng)對(duì)煤田火災(zāi)有著十分重要的意義。應(yīng)用綜合物探手段，可以大面積、高效率、低成本地開(kāi)展探勘，有著良好的應(yīng)用效果。

2 綜合物探手段探火規(guī)律

2.1 磁異常的產(chǎn)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(xiàn)出弱磁性的特征，但是在煤田大火的情況下則會(huì)改變鐵礦成分，隨著煤層的不斷燃燒，經(jīng)過(guò)燃燒之后的區(qū)域溫度則會(huì)逐漸降低，這種由高溫到低溫的過(guò)程，會(huì)賦予其較強(qiáng)的磁性，受到高溫影響的巖體則會(huì)變成磁性巖體[1]。這些鐵磁性物質(zhì)的主要構(gòu)成為磁壽，其自身的磁化強(qiáng)度是自發(fā)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(xiàn)出無(wú)磁性。但是在溫度上升的情況下這種矯頑磁力會(huì)逐步減少，磁壽的方向則會(huì)按照磁場(chǎng)的方向進(jìn)行配列，并且愈發(fā)的飽和，此時(shí)火區(qū)上的燒變巖則磁性逐步增強(qiáng)。利用這種特性，采用綜合物探手段可以對(duì)煤田火區(qū)的范圍進(jìn)行拓展，對(duì)煤層燃燒的深度進(jìn)行界定，并詳細(xì)地明確煤層燃燒的發(fā)展趨勢(shì)。

2.2 自然異常地產(chǎn)生

由于煤層在燃燒和自熱的過(guò)程中，火區(qū)上的自然電場(chǎng)會(huì)因?yàn)榛瘜W(xué)反映的變化產(chǎn)生吸附電場(chǎng)和還原電場(chǎng)[2]。煤層在燃燒的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)氧化的過(guò)程，繼續(xù)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(gè)氧化地帶。同時(shí)，由于氧化反應(yīng)，下部煤層的氧氣逐漸減少，相應(yīng)會(huì)形成一個(gè)還原帶。在這種情況下，上部煤層帶正電，下部煤層帶負(fù)電，圍巖頂?shù)匕迮c之相反，則形成了一個(gè)自然電場(chǎng)。隨著進(jìn)一步加劇的煤層氧化情況，在此過(guò)程中煤層的溫度向四周進(jìn)行擴(kuò)散，隨即產(chǎn)生了嚴(yán)重?zé)狳c(diǎn)偶合電場(chǎng)。針對(duì)這種異常的現(xiàn)象，同樣可以利用綜合物探手段明確煤田火災(zāi)的區(qū)域、深度以及發(fā)展趨勢(shì)。

3 現(xiàn)存的問(wèn)題

現(xiàn)階段，應(yīng)用綜合物探手段進(jìn)行煤田滅火應(yīng)當(dāng)注意以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：首先，在以往針對(duì)煤田火災(zāi)進(jìn)行勘探的過(guò)程中，更多的是在火災(zāi)已經(jīng)發(fā)生的情況下被動(dòng)地進(jìn)行勘探，工作的應(yīng)急性特征十分的明顯，預(yù)見(jiàn)性、全面性以及超前性十分匱乏[3]。其次，在進(jìn)行煤田滅火的過(guò)程中，不僅要對(duì)火災(zāi)的形成以及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行明確，更需要明確火災(zāi)的根本原因。這正是以往煤田滅火工程十分欠缺的內(nèi)容之一[3]。最后，通常情況下，由于礦產(chǎn)勘察的物探方式在煤田滅火工程中同樣可以應(yīng)用，但是由于地質(zhì)情況的復(fù)雜性以及地形之間起伏的不同，這些方法在應(yīng)用的過(guò)程中都應(yīng)當(dāng)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。為了充分保障煤田滅火工程的順利開(kāi)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(yīng)用

4.1 采集數(shù)據(jù)

以中國(guó)《煤田滅火規(guī)范》的要求為原則，在開(kāi)展煤田滅火的過(guò)程中物探線的布置應(yīng)當(dāng)參照垂直煤層的走向，設(shè)置100m 的線距以及5m 的點(diǎn)距。要在無(wú)燃燒的正常地層上布置物探線的兩端斷點(diǎn)，以此才能夠更加準(zhǔn)確地與火區(qū)的情況進(jìn)行對(duì)比。隨后，借助相關(guān)儀器的幫助采集野外的數(shù)據(jù)，這些采集到的數(shù)據(jù)為原始數(shù)據(jù)還需要進(jìn)行進(jìn)一步的處理，改正自然電位數(shù)據(jù)、差分磁場(chǎng)值以及改正年度差等。最后，還需要應(yīng)用相關(guān)的軟件參照數(shù)據(jù)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(guò)程中經(jīng)常會(huì)發(fā)生一種氧化還原反應(yīng)，相應(yīng)的在火區(qū)上則會(huì)形成一個(gè)氧化還原電場(chǎng)，自然電場(chǎng)值就是我們觀察到的氧化還原電場(chǎng)。煤層在燃燒的過(guò)程中自身處于高溫的狀態(tài)，而在這種狀態(tài)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(yīng)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(huì)在上部煤層幾種，負(fù)電荷則在下層幾種，由此形成一個(gè)電場(chǎng)回路。根據(jù)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?chē)讓拥淖匀浑娢恢禐樨?fù)異?！钡慕Y(jié)論。

4.2.2 磁場(chǎng)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(xiàn)弱磁性，而在煤層燃燒的過(guò)程中則會(huì)出現(xiàn)磁性。由此可知，在應(yīng)用綜合物探手段的過(guò)程中，對(duì)于一些沒(méi)有燃燒的煤層，其自身的磁場(chǎng)值為正常磁場(chǎng)，而正在燃燒的煤層磁場(chǎng)值為負(fù)異常，以后的煤層磁場(chǎng)值呈現(xiàn)正異常。利用這一理論，我們可以判斷煤田火災(zāi)的區(qū)域，燃燒過(guò)程中的發(fā)展趨勢(shì)，做出相應(yīng)的滅火措施。

4.2.3 視電阻率值分析與解釋

從嚴(yán)格意義上來(lái)講，地層屬于非金屬，換而言之就是半導(dǎo)體。在這類(lèi)物質(zhì)中，傳導(dǎo)電流是受激進(jìn)入導(dǎo)帶電子遷移而引發(fā)的現(xiàn)象，熱擾動(dòng)是這些被激發(fā)能量的主要來(lái)源。對(duì)于非金屬材料而言，其自身的電阻率會(huì)隨著溫度的不斷升高而降低。在進(jìn)行綜合物探的過(guò)程中，電導(dǎo)率、介電常數(shù)經(jīng)常受水分的影響，即使少量的巖層水也會(huì)對(duì)介電常數(shù)以及電導(dǎo)率產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，因此水的導(dǎo)電率在溫度升高的情況下也會(huì)增大。由此可知，不含水的底層為半導(dǎo)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(zāi)所在的區(qū)域相對(duì)干燥，其電阻率相對(duì)較低。根據(jù)此理論，我們能夠更加準(zhǔn)確地判斷出煤田大火的位置。

4.3 火區(qū)面積和燃燒深度確定

4.3.1 火區(qū)面積確定

通常情況我們?cè)谂卸ɑ饏^(qū)面積的過(guò)程中需要結(jié)合多種方式進(jìn)行綜合判斷。首先，需要將磁場(chǎng)值、自然電位在每一個(gè)物探點(diǎn)位進(jìn)行準(zhǔn)確的定位，隨后需要使用相應(yīng)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(qū)域來(lái)對(duì)獲取面積進(jìn)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(guò)程中同樣需要應(yīng)用多種方式進(jìn)行綜合判定。首先我們需要根據(jù)磁場(chǎng)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(fù)異常范圍以及磁場(chǎng)值的正負(fù)異常范圍對(duì)煤層燃燒的深度進(jìn)行明確。

4.4 采空區(qū)與高溫區(qū)的探測(cè)

在針對(duì)采空區(qū)以及高溫區(qū)進(jìn)行圈定的過(guò)程中我們通常會(huì)應(yīng)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(cè)空洞軟件處理這些數(shù)據(jù)，繪制“高分辨視電阻率等值線剖面圖”，高溫區(qū)以及采空區(qū)的位置判斷參照電阻率值的高低進(jìn)行。但是應(yīng)用這種方式的過(guò)程中應(yīng)當(dāng)考量地質(zhì)、人為等因素。

5 結(jié)語(yǔ)

總而言之，在煤田大火中應(yīng)用綜合物探手段有著十分廣闊的應(yīng)用前景，但是面對(duì)應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)的種種問(wèn)題還應(yīng)當(dāng)進(jìn)行進(jìn)一步的探索，促使其應(yīng)用水平不斷提升，進(jìn)而不斷拓展其應(yīng)用范圍。