煤田火區(qū)探測技術(shù)研究及應用

鄧強，劉鋒，王剛

(1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順市 113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順市 113122)

0 引言

西部礦區(qū)煤層賦存條件好，開采強度高，上覆巖層破壞嚴重，易誘發(fā)采空塌陷和地裂縫等地質(zhì)災害，造成遺煤自燃，威脅煤礦安全生產(chǎn)。因此，快速、及時、準確地獲取煤田火區(qū)信息，不僅為上覆巖層運移規(guī)律分析提供數(shù)據(jù)支撐，還可為煤礦安全生產(chǎn)和礦區(qū)環(huán)境綜合治理提供支撐。煤田火區(qū)探測方法有磁法、電阻法、測氡法、紅外熱成像法、遙感法等。項目組運用測汞法探測煤田火區(qū)，研究出了一種全新的煤田火區(qū)探測方法。

我國的煤田火災主要發(fā)生在干旱少雨的北部區(qū)域，如新疆、內(nèi)蒙古等，上述區(qū)域煤田火災燒毀面積將近720 km2，其中世界上最大的煤田火區(qū)是燃燒近千年的新疆煤田火區(qū)。西部礦區(qū)煤炭資源賦存普遍具有埋藏淺、厚度大、基巖薄和松散層厚的特點，開采條件優(yōu)越。多數(shù)礦井采用大采高、放頂煤等采煤工藝，具有明顯的高產(chǎn)、高效和高強度開采特點，地下開采引起的地表沉陷和地裂縫次生地質(zhì)災害尤為嚴重。地表沉陷和地裂縫誘發(fā)采空區(qū)遺煤自燃及煤田火災，大氣環(huán)境受到煤自燃所釋放的有毒有害氣體污染嚴重，同時嚴重威脅了煤礦人員的生命安全。由于工作面漏風，95%以上的煤自燃發(fā)生在人員無法直視或到達的采空區(qū)。因此，煤自燃是誘發(fā)采空區(qū)瓦斯爆炸災害事故的主要點火源，采空區(qū)也是煤自燃與瓦斯復合災害發(fā)生的重要場所。我國受煤田火區(qū)影響的煤礦主要集中在新疆、寧夏、內(nèi)蒙古、甘肅。

1 煤田火區(qū)探測方法

1.1 煤田火區(qū)探測方法

針對這種復合熱動力災害，國內(nèi)外學者使用多種方法對煤田火區(qū)探測并進行監(jiān)測研究，包括地質(zhì)雷達法、遙感法、高密度電法、磁法、電阻率法、測氡法等。目前應用比較多的探測方法是物探法、遙感法、氡氣測定法和無人機遙感法。

1.1.1 磁探法

1964 年張秀山在寧夏自治區(qū)等地采用△Z 異常圈定高溫異常區(qū)域和采用定期動態(tài)觀測同一斷面磁異常特性點的方法，同時監(jiān)測火區(qū)燃燒方向及速度，這是最早利用磁探法探測煤田火區(qū)范圍的研究。1996 年萬兆昌等采用最優(yōu)化反演法確定火區(qū)燒變巖的位置，劃定了火區(qū)邊界。2001 年寧靖等在寧夏采取磁導反演圖像獲取技術(shù)和高精度磁測剖面得到了地下磁性體異常區(qū)域，并與己知火區(qū)分布一致。2007 年朱曉穎等發(fā)現(xiàn)圍巖的溫度在煤田火區(qū)各個燃燒階段的不同，從巖石磁性方面論證了磁法勘定煤田火燒區(qū)是可以實現(xiàn)的。磁探法的實質(zhì)是，煤燃燒時，煤層上覆巖層中的菱礦及黃鐵礦結(jié)合受到高溫燃燒后，其中的鐵質(zhì)要素產(chǎn)生磁化反應后生成磁性礦體，并且燒變巖降溫后仍然具有較強的熱剩余磁化強度。利用這一明顯的磁性特性，可以探測火區(qū)高溫異常區(qū)域及其燃燒范圍。

1.1.2 電阻率法

1964 年，張秀山在通過樣品試驗及地面觀測發(fā)現(xiàn)煤層發(fā)火區(qū)有顯著的電壓改變，這是在關(guān)于電阻率法探測煤田火區(qū)最早的文獻。地表雜散電流、測試區(qū)域附近的高壓線路、大型機電等裝置產(chǎn)生的磁場會導致測試結(jié)果失真，甚至導致錯誤判定火源位置。電阻率法主要用來確定地上開采煤礦或煤層的燃燒層位與邊界。煤燃燒時煤層結(jié)構(gòu)和含水性會有較大改變，這些改變會導致煤層及周圍巖層電阻值變化。

1.1.3 測氡法

測氡法的本質(zhì)是根據(jù)煤層和巖石中氡元素在煤田火區(qū)作用下產(chǎn)出率增強的特點，在地面采集氡氣，然后采用數(shù)據(jù)處理軟件生成氡濃度分布等值線圖、氡濃度表面圖，從而圈定火區(qū)高溫異常區(qū)域。影響氡氣濃度測定的關(guān)鍵因素主要包括以下4 個方面：壓力梯度、滲透率、裂隙寬度和水的飽和度。壓力梯度是由構(gòu)造應力、承壓巖石、巖石裂隙、局部氣體電離化誘導而產(chǎn)生的。滲透率是控制的多組分氣體對流和氣體上流速度的關(guān)鍵參數(shù)。裂隙寬度不僅決定了一個裂縫介質(zhì)裂隙，還對地氣泡狀的流動起控制作用。斷裂寬度的大小直接說明了氡氣快速、長距離運移的可能。

1.1. 4 氣體分析法

煤自燃過程中產(chǎn)生的氣體與煤體的溫度之間存在一定的相關(guān)性，氣體分析法就是利用這種相關(guān)性對煤自燃燃燒程度進行探測的。通過監(jiān)測自然發(fā)火標志性氣體出現(xiàn)的原始溫度和濃度變化趨勢，對煤自然發(fā)火趨勢進行分析，從而確定煤自燃高溫點位置和邊 界。氣體測量法分3 種：示蹤氣體法、地面鉆孔氣體分析法和井下氣體分析法。判斷煤田燃燒狀態(tài)時通過采集煤田火區(qū)鉆孔內(nèi)氣樣，氣相色譜儀分析氣樣成分，氣樣出現(xiàn)一氧化碳等標志性氣體并呈現(xiàn)增長趨勢可以判定煤田火區(qū)某一區(qū)域燃燒狀態(tài)，氣體測量法與測溫法結(jié)合起來用會取得比較準確的效果。

（1）示蹤氣體法。某些氣體在高溫條件下會發(fā)生一系列化學反應，示蹤氣體法就是利用這一特性對煤高溫區(qū)域進行探測。將示蹤氣體從釋放點釋放到高溫異常區(qū)域，通過接收點監(jiān)測其氣體產(chǎn)物，從而間接測定出該高溫異常區(qū)域的煤體溫度，判斷煤高溫異常區(qū)域的位置。

（2）地面鉆孔氣體分析法。該方法在疑似煤田火區(qū)火源處對應地表設計鉆孔施工位置，在設計位置處施工鉆孔，用氣囊采集鉆孔內(nèi)的氣樣，用色譜儀分析氣樣成分，根據(jù)測試結(jié)果繪制成氣體濃度變化趨勢圖，并根據(jù)鉆孔自然發(fā)火標志氣體濃度變化規(guī)律判定火區(qū)著火點的層位和火區(qū)的發(fā)展趨勢。

（3）井下氣體分析法。井下氣體測定法通過束管監(jiān)測系統(tǒng)或人工取樣對自然發(fā)火區(qū)域的氣體進行測定，以判斷采空區(qū)或工作面煤氧化的程度和煤著火點的大概位置。通過分析井下氣體成分能夠判斷工作面采空區(qū)自然發(fā)火程度，由于受井下氣流的影響較難實現(xiàn)對著火點的精準定位。氣體測定法正在向光譜測定法發(fā)展，通過光譜分析儀可以實現(xiàn)顯示火區(qū)鉆孔內(nèi)氣體濃度，減少了氣樣采集、送樣、測試的過程，提高了火區(qū)監(jiān)測的效率。

1.1.5 測溫法

煤田火區(qū)內(nèi)煤著火時釋放的熱能，一是在擴散作用下通過裂隙(裂縫)向地面釋放，二是利用巖石的熱傳輸作用在地面形成高溫區(qū)域，與附近地面形成熱能交換，根據(jù)地面出現(xiàn)的高溫區(qū)域，可以大致判斷火區(qū)的著火位置。溫度測定法是煤田火區(qū)探測中一種常用的方法，分為以下3 種。

（1）地面溫度測定法。在高溫異常區(qū)域?qū)牡乇聿捎脺y溫儀表探測熱能或利用置入測溫鉆孔內(nèi)的溫度接收器測定溫度，然后溫度接收器把熱信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，根據(jù)獲取的溫度值反推煤層著火的層位、著火范圍、發(fā)展趨勢。此方法適用煤田火區(qū)已經(jīng)形成，著火層位較淺的煤田火區(qū)探查。

（2）井下溫度測定法。井下溫度測定法是把溫度傳感器預先放入工作面和采空區(qū)等自然發(fā)火位置，根據(jù)各個溫度傳感器顯示的數(shù)值變化來確定高溫異常區(qū)域。這是目前井下準確的測定方法。

（3）紅外測定法。紅外探測主要有兩種儀器:分別為紅外溫度測定儀和紅外熱成像儀，紅外溫度測定儀現(xiàn)場應用比較多。紅外溫度測定儀就是儀器把采集到熱量信息通過A/D 轉(zhuǎn)換裝置將熱量信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息，這樣測點的溫度值就顯示到儀器顯示屏上，可以判斷某一點或面的高溫異常情況。紅外測溫法快速，但探測范圍有限。

1.1.6 遙感法探測技術(shù)研究現(xiàn)狀

遙感技術(shù)具有分辨率高、機動靈活、效率高、運行成本低等顯著優(yōu)勢，地下煤火的遙感探測主要是利用遙感技術(shù)，探測并提取地下煤火在不同遙感影像上所表現(xiàn)出來的影像特征和波譜異常信息。紅外線的波長大于可見光，其穿透性較可見光更強，受外部環(huán)境的影響較小。紅外相機對具有明顯紅外熱特性的物體和區(qū)域敏感，具有較好的目標探測能力。自然界一切溫度高于絕對零度的物體都能發(fā)射紅外輻射，且物體溫度越高，其紅外輻射強度往往越強，從而圈定地下煤田火區(qū)的空間范圍，并研究其發(fā)生、發(fā)展和演變規(guī)律。利用熱能信息來辨認地表物質(zhì)，從而推斷出地表地形特征、高溫異常區(qū)域、大氣濕度等數(shù)據(jù)。

煤田火區(qū)的空氣受井下深處相對恒溫且潮濕的條件影響，其溫度與地表的溫度之間具有明顯差異，從而可被紅外相機識別。遙感探測方法可以快速探測大范圍煤田火區(qū)，大致確定火區(qū)位置和圈定火區(qū)范圍。遙感探測方法具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，利用遙感探測獲取的信息與地面地測信息相結(jié)合，可以實現(xiàn)全方位、動態(tài)監(jiān)測火區(qū)變化和發(fā)展趨勢?；饏^(qū)探測方法見表1。實踐證明，利用多光譜、多時相、多種分辨率遙感圖像結(jié)合地面測地雷達和地理信息系統(tǒng)等技術(shù)完全可以開展全方位的煤火探測與監(jiān)測。

表1 煤田火區(qū)探測方法比較

1.2 測汞法探測煤田火區(qū)新技術(shù)

式中，λ為稀松煤體在x方向上的導熱能系數(shù)（W·m?1·℃?1），將qxd+x按泰勒級數(shù)展開至第2 項，則：

圖1 煤體能量守恒單元示意

式中，n為松散煤體的空隙率；gρ、Eg分別為空氣密度（g·cm?3）和比熱（J·g?1·℃?1）；vx為風流在x方向上的流速(cm·s?1)，Tg為空氣的溫度（℃）。同理在y、z方向的熱焓值分別為：

eρ、Ee分別為松散煤體的等效密度（g·cm?3)和等效比熱（J·g?1·℃?1）。根據(jù)熱能的平衡理論，溫度上升所吸收的熱能必須等于從外界流入的凈熱能、風流帶走的燴變和內(nèi)部熱源提供的熱能之和，即：

式（5）從傳熱傳質(zhì)學角度闡述了汞在溫度影響下的遷移機理，汞受到高溫加熱會轉(zhuǎn)換成氣態(tài)汞，通過汞分析測定煤田火區(qū)地表氣態(tài)汞濃度，當火區(qū)燃燒越劇烈對應地表裂隙或煤田火區(qū)探測孔（觀測孔）氣態(tài)汞濃度越大，從而判定出火區(qū)高溫異常區(qū)域。

總體上我國煤田火區(qū)探測經(jīng)過了磁法探測電法→探測測氡法→探測遙感法→探測測汞法這幾個階段，遙感法從宏觀上探測煤田火區(qū)區(qū)域，測氡法和測汞法從微觀上探測煤田火區(qū)高溫異常區(qū)域，二者結(jié)合起來能夠精準探測煤田火區(qū)。

2 結(jié)論

（1） 本文闡述了目前煤田火區(qū)主要探測方法的基本原理，對這些方法進行了比較，使科研工作者根據(jù)火區(qū)特點有針對性的選擇煤田火區(qū)探測方法。

（2）從傳熱傳質(zhì)學角度推導出汞的遷移方程，闡述了通過測定煤田火區(qū)中氣態(tài)汞濃度探測煤田火區(qū)的過程。

（3）探測煤田火區(qū)應從宏觀和微觀兩個方面進行探測，宏觀方面對煤田火區(qū)進行初步探測，微觀方面對煤田火區(qū)進行詳細探測，實現(xiàn)對煤田火區(qū)的精準探測。比如采用遙感探測法對火區(qū)進行初步探測，大致圈定火區(qū)范圍，最后采用測汞法詳細探測火區(qū)高溫和燃燒區(qū)域，提高了火區(qū)的探測效率。