多種勘查手段在煤礦自燃區(qū)探測(cè)的應(yīng)用研究
——以山西寧武縣石窯溝村露天煤礦為例

張方哲，毛洪亮，趙婷婷，劉玉葉，肖超，張耀

（美麗華夏生態(tài)環(huán)境科技有限公司，北京 100176）

0 引言

隨著我國(guó)煤炭資源的不斷開(kāi)發(fā)，煤層露頭火災(zāi)已成為破壞煤體資源、惡化環(huán)境的重大災(zāi)害之一（鄧軍，2003；郞文霞和劉鴻福，2011；劉翌和王創(chuàng)業(yè)，2011）。由于煤層自燃造成煤炭資源損失巨大，形成有毒有害氣體、酸雨等污染，對(duì)大氣環(huán)境造成嚴(yán)重破壞，煤層自燃時(shí)的熱輻射作用導(dǎo)致大面積土地荒蕪和植被枯死，造成水土流失和土地沙化（崔中平和吳玉國(guó)，2003；李建軍等，2009；鄧軍等，2012）。

煤層自燃火源探測(cè)的根本目的是為了在煤田火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)處理過(guò)程中采取有效的措施，用有限的資源達(dá)到滅火的效果（朱志宇，2011；王文文，2012；湯笑飛等，2018）?；饏^(qū)所在的地質(zhì)條件復(fù)雜、地表產(chǎn)熱產(chǎn)氣與地下火源位置一般無(wú)垂直對(duì)應(yīng)關(guān)系，有效探測(cè)火源位置至今仍是世界性難題（鄔劍明，2008；王憲峰，2011；李源輝等，2016；王玉懷等，2019）。目前國(guó)內(nèi)外探測(cè)火區(qū)方法主要有：磁探法、電阻率測(cè)定法、遙感法、紅外探測(cè)法和測(cè)氡法等技術(shù)（張新軍和劉鴻福，2004；馬海明和馬志飛，2009；寧保軍，2013；于英娜等，2019；劉瑞成等，2020）?，F(xiàn)有的各種地面火區(qū)探測(cè)技術(shù)或方法都存在各自的缺點(diǎn)和使用范圍上的限制，所以在選擇具體的勘查手段時(shí)，要綜合考慮煤層、圍巖等特征，地質(zhì)和構(gòu)造條件，人為施工條件等多種因素，選用最適合的方法，為了提高勘查的精度，最好的方法是采用兩種或兩種以上不同原理的探測(cè)技術(shù)，綜合反演解譯，才能取得最佳的探測(cè)效果（翟廣慶，2001；張建民，2008；王詳?shù)龋?010；王剛，2015）。

本文研究區(qū)煤礦開(kāi)采歷史悠久，結(jié)合研究區(qū)的綜合地質(zhì)條件，首先對(duì)研究區(qū)進(jìn)行收集資料、走訪(fǎng)及野外地質(zhì)調(diào)查，結(jié)合熱紅外遙感、高精度磁測(cè)和地面活性炭測(cè)氡法進(jìn)行解譯推斷，最后采用鉆探進(jìn)行驗(yàn)證，最終圈定了火區(qū)范圍，確定火區(qū)的影響深度及類(lèi)型。

1 研究區(qū)概況

煤層自燃研究區(qū)位于山西省寧武縣東寨鎮(zhèn)石窯溝村，距寧武縣城直距約14 km；地處冰洞景區(qū)南部，汾河源頭西側(cè)，距汾河源頭最短距離約700 m，周邊分布有蘆芽山景區(qū)、寧化景區(qū)和高山湖群景區(qū)。

研究區(qū)屬剝蝕中低山區(qū)地貌，主要為石炭系砂巖及泥巖出露區(qū)，局部地段被黃土覆蓋，黃土受到強(qiáng)烈的侵蝕切割，多年來(lái)由于煤炭開(kāi)采，對(duì)區(qū)內(nèi)原始地貌及植被破壞嚴(yán)重，形成較多的采坑、廢渣堆及裸露邊坡等地貌。

研究區(qū)內(nèi)地層由老至新為：奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組（O2s）灰?guī)r，石炭系中統(tǒng)本溪組（C2b）粉砂質(zhì)泥巖，炭質(zhì)泥巖；石炭系上統(tǒng)太原組（C3t）灰白色含礫石英粗砂巖；二疊系下統(tǒng)山西組（P1s）砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖；第四系上更新統(tǒng)（Q3）亞砂土及全新統(tǒng)（Q4）殘坡積物。研究區(qū)含煤地層主要為太原組，為一套海陸交互相的鐵鋁巖建造，主要由黑色、灰黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖夾煤層組成，含煤層2#、3#、4#、5#、6#，其中2#、5#煤層為賦存區(qū)穩(wěn)定可采煤層。

經(jīng)山西省煤炭工業(yè)局綜合測(cè)試中心測(cè)試，對(duì)研究區(qū)所有煤層煤塵的爆炸性分析：火焰長(zhǎng)度＞300 mm，巖粉用量65%～80%，煤塵有爆炸性。區(qū)域內(nèi)的2#煤吸氧量為0.52 cm3/g，自燃傾向等級(jí)為Ⅱ類(lèi)，屬自燃煤層。5#煤吸氧量為0.59 cm3/g，自燃傾向等級(jí)為Ⅱ類(lèi)，屬自燃煤層。

研究區(qū)位于寧?kù)o向斜西北部，盤(pán)道梁-化北屯向斜北西翼的南部，受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的影響，區(qū)內(nèi)地層呈單斜產(chǎn)出，地層展布方向與構(gòu)造線(xiàn)基本一致，地層整體呈NE向展布，傾向SE，地層傾角呈30°～40°，區(qū)內(nèi)見(jiàn)東寨-春景洼逆斷層，斷層走向北東30°，傾角43°，出露長(zhǎng)度約600 m，奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組（O2s）逆推于石炭系上統(tǒng)太原組（C3t）上部；未見(jiàn)巖漿侵入體。

2 研究區(qū)煤層自燃現(xiàn)狀分析

研究區(qū)內(nèi)的煤層自燃由來(lái)已久，區(qū)內(nèi)高溫形成的燒變巖隨處可見(jiàn)，火區(qū)發(fā)育在山體坡面上，現(xiàn)狀條件下，火區(qū)北側(cè)經(jīng)過(guò)滅火治理但未根治，上部經(jīng)黃土覆蓋壓實(shí)，陡坡上、坡面沖溝內(nèi)多處發(fā)育有高溫?zé)釟饬饔砍觯▓D1），并伴有刺激性異常氣味和黃色硫化物結(jié)晶（圖2）。南側(cè)火區(qū)發(fā)育在自然巖質(zhì)坡面上，坡面裂縫發(fā)育區(qū)，測(cè)得研究區(qū)冒煙點(diǎn)溫度為45～56.3 ℃，CO濃度39×10-6～100×10-6以上，冒煙點(diǎn)周邊無(wú)植被發(fā)育。

圖1 發(fā)育在高陡邊坡上的冒煙點(diǎn)照片

圖2 發(fā)育在高陡邊坡上的黃色硫化物照片

3 煤層自燃勘查方法

本次研究首先通過(guò)收集并分析了研究區(qū)已有的地質(zhì)資料，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步開(kāi)展煤火地面調(diào)查，再結(jié)合熱紅外遙感和物探解譯推斷，最后采用鉆探驗(yàn)證，通過(guò)對(duì)所獲得的數(shù)據(jù)資料綜合解譯分析最終圈定了火區(qū)范圍、影響深度及類(lèi)型。

3.1 收集資料、走訪(fǎng)調(diào)查

通過(guò)收集相關(guān)資料及走訪(fǎng)調(diào)查，查明研究區(qū)涉及的閉坑煤礦為前石窯溝煤礦，現(xiàn)存進(jìn)回風(fēng)井口和廢棄窯口3處，資料顯現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)采空區(qū)深度在100 m以?xún)?nèi)；冒煙區(qū)域附近有私挖濫采情況，分析火源位置應(yīng)處于冒煙孔洞內(nèi)部，推測(cè)可能由于內(nèi)部遺煤導(dǎo)致自燃現(xiàn)象，煙氣由裂隙冒出，冒煙點(diǎn)后緣裂隙提供進(jìn)風(fēng)通道。

3.2 野外地質(zhì)調(diào)查

對(duì)研究區(qū)內(nèi)火區(qū)發(fā)育的地形特征、冒煙點(diǎn)的發(fā)育特征等進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查，初步查明該火區(qū)發(fā)育在逆向巖質(zhì)邊坡坡面及邊坡后緣山體，火區(qū)整體呈條帶狀，區(qū)內(nèi)可見(jiàn)冒煙點(diǎn)共4處，伴有明顯冒煙現(xiàn)象及刺鼻氣味。

研究區(qū)內(nèi)燒變巖發(fā)育，巖體破碎；區(qū)域北側(cè)冒煙點(diǎn)后緣邊坡上發(fā)育一組裂隙，該裂隙群長(zhǎng)5～7 m，寬0.2～0.3 m，可見(jiàn)深度0.5～1 m，錯(cuò)動(dòng)高度0.2～1 m，裂隙群整體走向57°，裂隙距坡面1～5 m；勘測(cè)當(dāng)天的正常環(huán)境溫度為25.6 ℃，儀器監(jiān)測(cè)最高溫度達(dá)229 ℃，該區(qū)域CO濃度為222×10-6～614×10-6。研究區(qū)廢棄窯口分布、冒煙點(diǎn)溫度及CO濃度測(cè)量分布情況見(jiàn)下圖3。

圖3 山西寧武縣石窯溝村煤層自燃研究區(qū)高溫點(diǎn)、CO檢測(cè)點(diǎn)、廢棄窯口分布圖

3.3 熱紅外遙感

采用飛馬D200無(wú)人機(jī)搭載紅外相機(jī)進(jìn)行了兩次航飛，獲取了研究區(qū)的熱紅外影像數(shù)據(jù)。通過(guò)數(shù)據(jù)分析和已知高溫點(diǎn)的驗(yàn)證，解譯出研究區(qū)內(nèi)高溫區(qū)（圖4）。

圖4 山西寧武縣石窯溝村煤層自燃研究區(qū)熱紅外遙感解譯異常區(qū)圖

3.4 物探

本次研究的火區(qū)的物探手段為高精度磁測(cè)和地面活性炭氡氣測(cè)量，根據(jù)野外地質(zhì)調(diào)查、熱紅外遙感解譯出的異常區(qū)域進(jìn)行物探測(cè)點(diǎn)布設(shè)，在垂直研究區(qū)巖層主體構(gòu)造走向、在地表煤層自燃揭露火點(diǎn)區(qū)域布置9條測(cè)線(xiàn)，方向北西—南東向，線(xiàn)距為40 m，點(diǎn)距10 m，測(cè)點(diǎn)486個(gè)，具體布置見(jiàn)圖5。

圖5 山西寧武縣石窯溝村煤層自燃研究區(qū)物探點(diǎn)布置圖

（1）高精度磁測(cè)

高精度磁測(cè)數(shù)據(jù)的處理經(jīng)過(guò)預(yù)處理、剖面處理和平面處理三個(gè)環(huán)節(jié)，通過(guò)定性解釋和定量解釋兩階段完成研究區(qū)火區(qū)磁測(cè)的異常劃分。

研究區(qū)內(nèi)，構(gòu)造簡(jiǎn)單，淺層及磁性干擾因素少；各磁異常相對(duì)獨(dú)立，利用地磁?Z垂向一階導(dǎo)平面等值線(xiàn)，可以完成向上延拓異常區(qū)，從左至右、自上而下分別是向上延拓20 m、50 m、70 m、100 m、120 m、150 m的結(jié)果，大致評(píng)價(jià)異常范圍見(jiàn)下圖6。

圖6 山西寧武縣石窯溝村煤層自燃研究區(qū)?Z垂向一階導(dǎo)平面等值線(xiàn)圖

研究工作得出，研究區(qū)磁異常為多個(gè)等軸極值異常，經(jīng)上延50 m后，形成單一異常，表明此處多極值來(lái)源于磁異常體，上延至70 m時(shí)，仍有一定影響，上延至100 m、120 m、150 m時(shí)，此異常影響消失。水平影響范圍也較大。

從高精度磁測(cè)異常數(shù)據(jù)基本圈定火區(qū)異常區(qū)的范圍，且推斷火區(qū)的影響深度在100 m以?xún)?nèi)。

（2）地面活性炭氡氣測(cè)量

通過(guò)對(duì)研究區(qū)氡剖面分析、平面等值線(xiàn)分析，結(jié)合野外地面調(diào)查工作，基本確定了研究區(qū)內(nèi)氡異常（火區(qū)）的形態(tài)和范圍。

從圖7中可以看出，研究區(qū)內(nèi)氡值高值區(qū)域分布明顯，呈北東西向展布的趨勢(shì)，與煤層露頭走向基本一致，為5#煤層露頭自燃著火特征。綜合分析認(rèn)為沿煤層露頭線(xiàn)方向紅色線(xiàn)圈定的3個(gè)區(qū)域?yàn)榈叵禄饏^(qū)，II、III、IV區(qū)氡值高，異常較大，可以連成片狀，局部有較高氡值出現(xiàn)，與自燃裂隙發(fā)育有關(guān)。根據(jù)氡變化特征，圖中用虛線(xiàn)大致圈定出火區(qū)的燃燒邊界；從氡等值線(xiàn)圖可見(jiàn)I區(qū)為局部異常區(qū)，分析原因應(yīng)為該區(qū)4#、2#煤層埋藏較淺，歷史上存在私挖亂采現(xiàn)象，所以認(rèn)為該區(qū)異常應(yīng)為采空。另外，研究區(qū)有明顯的冒煙冒氣現(xiàn)象，淺部巖層溫度較高，影響了活性炭對(duì)氡的吸附，氡值相對(duì)較小，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，最終圈定煤層自燃火區(qū)3處。

圖7 山西寧武縣石窯溝村煤層自燃研究區(qū)氡平面等值線(xiàn)圖

3.5 鉆探

為驗(yàn)證熱紅外遙感解譯結(jié)果及地球物理探測(cè)推斷的異常區(qū)，確定煤層自燃火區(qū)的范圍、影響深度及火區(qū)類(lèi)型，選擇在重點(diǎn)煤層自燃區(qū)域開(kāi)展進(jìn)一步的鉆探驗(yàn)證工作，以查明煤層自燃火區(qū)的燃燒狀況、煤層厚度和深度、煤層頂板和底板的燃燒變質(zhì)狀況，確定研究區(qū)燃燒面積、邊界范圍，為下一步火區(qū)治理設(shè)計(jì)、施工提供基礎(chǔ)地質(zhì)資料。

本次研究共布置火區(qū)驗(yàn)證鉆孔6個(gè)，總進(jìn)尺352.56 m。主要布置在物探圈定的火區(qū)范圍內(nèi)、邊緣及外部。布置在物探圈定的火區(qū)異常區(qū)范圍內(nèi)的鉆孔，孔內(nèi)基本揭露了采空區(qū)高溫異常，個(gè)別鉆孔在實(shí)施過(guò)程中出現(xiàn)大量煙氣，測(cè)得鉆孔內(nèi)溫度在91～324 ℃，CO濃度＞1000×10-6，影響深度從10～70 m，鉆孔內(nèi)存在多個(gè)采空區(qū)，厚度為5～10 m；布置在物探圈定的火區(qū)邊緣或外圍的鉆孔，孔內(nèi)未揭露到高溫異?；驕囟茸兓幻黠@，個(gè)別鉆孔內(nèi)揭露有采空，厚度為3～5 m。通過(guò)鉆孔驗(yàn)證，表明熱紅外遙感、高精度磁測(cè)和地面活性炭氡氣測(cè)量的方法在探測(cè)研究區(qū)火區(qū)是有效的。

4 煤層自燃綜合解譯分析

綜合解譯分析的原則：勘查方法重合區(qū)為重點(diǎn)，結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造資料，去除不合理范圍，如小的、弱局部、且距離自燃揭露點(diǎn)較遠(yuǎn)的異常，可以去除；單一方法圈定異常，可作為參考，不作為綜合可靠解譯，最后通過(guò)鉆孔驗(yàn)證，最終圈定研究區(qū)煤層自燃火區(qū)范圍、影響深度及火區(qū)類(lèi)型。

本次研究區(qū)通過(guò)多種勘查手段對(duì)煤層自燃進(jìn)行綜合解譯分析得出：研究區(qū)內(nèi)存在地下采空區(qū)，且采空區(qū)存在高溫異常，火區(qū)的影響深度為地下100 m以?xún)?nèi)，火區(qū)類(lèi)型屬于采空區(qū)及煤層露頭復(fù)合火區(qū)，最終推斷研究區(qū)火區(qū)范圍見(jiàn)下圖8。

5 結(jié)論

綜上所述，在山西寧武縣石窯溝村煤層自燃研究區(qū)內(nèi)，在前期資料收集、走訪(fǎng)調(diào)查及野外地質(zhì)調(diào)查基礎(chǔ)上，結(jié)合熱紅外遙感、高精度磁測(cè)和地面活性炭氡氣測(cè)量初步推斷火區(qū)異常區(qū)的范圍，然后利用鉆探驗(yàn)證最終確定火區(qū)的影響深度為地下100 m以?xún)?nèi)，火區(qū)類(lèi)型屬于采空區(qū)及煤層露頭復(fù)合火區(qū)，同時(shí)圈定火區(qū)的影響范圍。

由此可見(jiàn)，多種勘查手段相互驗(yàn)證，可以快速有效的查明火區(qū)的范圍及類(lèi)型，火區(qū)與采空區(qū)的分布關(guān)系，為后續(xù)火區(qū)治理工程設(shè)計(jì)提供了扎實(shí)的基礎(chǔ)資料；表明多種勘查手段在露天煤礦隱伏火區(qū)探測(cè)中具有一定的應(yīng)用前景，為其他地區(qū)的露天煤層自燃的勘查提供了參考的依據(jù)。