雙碳目標(biāo)下我國西部地區(qū)地下煤火探測技術(shù)研究進(jìn)展

賀 強(qiáng)

(中煤東方控股有限公司，山東青島 266075)

近年來，伴隨著全球氣候變化與全球變暖等問題，地下煤火受到了越來越多的關(guān)注。地下煤火是指在地下一定的空間范圍內(nèi)由于人為因素或自然環(huán)境條件引起的煤炭資源燃燒，并不斷發(fā)展形成大面積煤田火災(zāi)。在中國、美國、澳大利亞、印度、印度尼西亞等國家和地區(qū)普遍存在，在我國主要分布在新疆、寧夏、內(nèi)蒙古等地[1-2]。地下煤火對資源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)等多方面產(chǎn)生諸多不利影響：一方面造成大量煤炭資源的浪費和凍結(jié)，根據(jù)調(diào)查研究，每年因地下煤火燃燒造成的煤炭資源直接損失約1 300萬t，間接影響的煤炭資源量約2億t；另一方面，對地表植被、土壤、地下水資源等造成很大的破壞，同時燃燒過程釋放出大量的粉塵與有毒有害氣體，主要有CO2、CO、CH4、SOX、Hg 等無機(jī)物及苯類有機(jī)物，污染大氣環(huán)境[3]。

2020年，我國提出了“雙碳”目標(biāo)，即二氧化碳排放力爭于2030年達(dá)到峰值，努力爭取2060年實現(xiàn)碳中和[4]。為實現(xiàn)這一宏偉目標(biāo)，要逐步加強(qiáng)對CO2、CH4等溫室氣體的排放管控力度[5]。基于遙感數(shù)據(jù)估算，Paul van Dijk等得出我國煤火產(chǎn)生的溫室氣體占全球總排放量的0.1%[6]。有效控制地下煤火，對于減少溫室氣體排放和“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)具有重要意義。隨著我國煤炭生產(chǎn)開發(fā)布局西移和高效開采技術(shù)的發(fā)展，西部地區(qū)地下煤火產(chǎn)生的一系列問題已嚴(yán)重影響我國能源安全和生態(tài)環(huán)境，因地下煤火燃燒環(huán)境復(fù)雜，如何準(zhǔn)確探測和圈定地下煤火的位置及范圍，是開展滅火治理工作的前提和關(guān)鍵[7]。

1 我國地下煤火分布現(xiàn)狀

我國地下煤火多分布在干旱的西部地區(qū)，以新疆、寧夏、內(nèi)蒙古分布范圍最廣，其中新疆煤田火災(zāi)最為嚴(yán)重。新疆第五次煤田火區(qū)普查結(jié)果表明：截至2019年底，新疆有未治理的在燃火區(qū)40處，火區(qū)總面積477.73萬m2，每年燃燒損失456.16萬t煤炭，年排放溫室氣體CO2達(dá)1 204.26萬t，主要分布在準(zhǔn)格爾煤炭基地、吐哈煤炭基地、伊犁煤炭基地、庫拜煤炭基地等[8]。寧夏回族自治區(qū)煤田火區(qū)37處，面積約394.5萬m2，主要分布在汝箕溝礦區(qū)、二道嶺、呼魯斯太、石炭井等含煤區(qū)，其中汝箕溝礦區(qū)地下煤火較為嚴(yán)重。內(nèi)蒙古自治區(qū)發(fā)現(xiàn)26處地下煤火分布區(qū)，火區(qū)面積達(dá)1 903 萬m2，主要分布在古烏達(dá)、鄂爾多斯、桌子山、準(zhǔn)格爾等礦區(qū)，其中烏達(dá)礦區(qū)地下煤火較為嚴(yán)重[9-10]。

我國地下煤火主要呈以下分布特點：一是我國地下煤火燃燒嚴(yán)重的礦區(qū)主要分布在北緯35°～45°；二是我國地下煤火的發(fā)生與煤的變質(zhì)程度有關(guān)，主要為低變質(zhì)程度煤；三是我國地下煤火的發(fā)生與氣候有關(guān)，主要發(fā)生在干旱—半干旱的西部地區(qū)[11]。四是我國地下煤火大部分布于地下，呈陰燃狀態(tài)，具有范圍大、著火點分散、距離遠(yuǎn)和火源隱蔽等特點，實時動態(tài)監(jiān)控和火區(qū)治理十分困難[12]。

2 地下煤火探測技術(shù)研究進(jìn)展

如何快速、準(zhǔn)確確定地下煤火的燃燒位置和分布范圍一直是煤火探測的攻關(guān)方向。地下煤火在燃燒過程中，火區(qū)范圍內(nèi)與周邊區(qū)域在物理場、化學(xué)場、熱場、光場等發(fā)生一系列變化，利用相關(guān)技術(shù)和設(shè)備研究產(chǎn)生的物理、化學(xué)、熱、光的變化特征，進(jìn)而圈定地下煤火位置及范圍。目前圈定地下煤火位置及范圍的探測技術(shù)主要有遙感技術(shù)、地球物理技術(shù)、化探技術(shù)等。許多學(xué)者在不同的礦區(qū)采用不同的探測技術(shù)對地下煤火位置和范圍的圈定進(jìn)行了深入研究，取得了大量卓有成效的成果。

2.1 遙感技術(shù)探測地下煤火研究進(jìn)展

從20世紀(jì)80年代開始，我國研究人員就逐步將遙感技術(shù)應(yīng)用于了地下煤火監(jiān)測。地下煤火燃燒過程中產(chǎn)生的熱量會以熱輻射的方式傳導(dǎo)至地表，在近地表形成高溫環(huán)境，利用熱紅外遙感捕捉產(chǎn)生的熱輻射，利用燃燒區(qū)與非燃燒區(qū)之間光譜特性的差異，從遙感圖像中提取地下煤火信息。遙感技術(shù)在地下煤火探測中具有范圍廣、速度快、時效性強(qiáng)等優(yōu)勢，但易受氣象條件影響，分辨率低，不利于深部煤火探測(表1)。目前利用遙感技術(shù)探測地下煤火應(yīng)用較多的主要是熱紅外遙感、高光譜遙感，搭載傳感器的平臺有衛(wèi)星、機(jī)載、無人機(jī)等。

李峰等在馬脊梁煤礦利用無人機(jī)搭載數(shù)碼相機(jī)和熱紅外相機(jī)分別在白天和夜晚采集RGB 圖像和熱紅外圖像，通過對地表溫度反演和熱異常提取，試驗表明無人機(jī)熱紅外技術(shù)探測地下煤火精度高達(dá)96.72%，說明利用無人機(jī)熱紅外遙感對地下煤火探測是可行的[13]。劉競龍等以InSAR與熱紅外技術(shù)為基礎(chǔ)，采用PS時序方法和普適性單通道算法對烏魯木齊東側(cè)煤火多源遙感融合探測，通過沉降和溫度信息對火區(qū)分布進(jìn)行綜合分析，結(jié)果表明，兩種方法融合探測能判定出疑似火區(qū)分布[14]。周小虎等通過高分辨率航空高光譜遙感圖像處理分析，提取礦區(qū)煤火信息，圈定了火區(qū)分布范圍，準(zhǔn)確性可達(dá)90%以上，說明利用航空高光譜遙感熱紅外遙感圖像結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料分析，在我國北方植被覆蓋少的地區(qū)進(jìn)行煤田火區(qū)監(jiān)測是可行的[15]。毛耀保通過航空高光譜遙感對寧夏汝箕溝煤田火區(qū)范圍進(jìn)行了探測，利用提取的熱異常信息準(zhǔn)確圈定了火區(qū)燃燒強(qiáng)度，實現(xiàn)了將遙感定量調(diào)查結(jié)果直接用于滅火工程設(shè)計的目標(biāo)[16]。

隨著衛(wèi)星傳感器分辨率的不斷提高及GIS等空間信息技術(shù)的飛速發(fā)展，將二者相結(jié)合進(jìn)行地下煤火探測已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。陳民、陳云浩等將遙感與GIS技術(shù)相結(jié)合對內(nèi)蒙古烏達(dá)、寧夏汝箕溝等煤田進(jìn)行了地下煤火的動態(tài)監(jiān)測，分析其動態(tài)發(fā)展過程，為煤火有效防治提供實時指導(dǎo)[17-18]。

2.2 地球物理技術(shù)探測地下煤火研究進(jìn)展

地球物理探測技術(shù)是利用地下煤火在燃燒過程中周邊磁場、電場等發(fā)生變化，通過布設(shè)一定間距的測網(wǎng)，利用相關(guān)設(shè)備捕捉異常信息，進(jìn)而分析確定地下煤火位置和范圍。地球物理技術(shù)在地下煤火探測中發(fā)揮了重要作用，主要包括磁法探測、高密度電法探測、地質(zhì)雷達(dá)探測等。

2.2.1 磁法探測

地下煤火燃燒過程中，產(chǎn)生的高溫使周邊圍巖發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)變化，溫度降低后形成燒變巖，燒變巖和火燒區(qū)的巖石磁性明顯增強(qiáng)，在地表會產(chǎn)生磁異常，利用磁法探測技術(shù)可以快速確定地下煤火位置及圈定火區(qū)范圍[19]。磁法探測具有施工簡單、設(shè)備輕便等優(yōu)點，但是由于當(dāng)前磁法探測儀器分辨率低，同時探測精度容易受煤礦生產(chǎn)設(shè)備及電磁的干擾，使得火源位置圈定存在一定的誤差(表1)。

張秀山于1961年首次將磁法探測應(yīng)用于地下煤火探測，在新疆、寧夏、甘肅三個省區(qū)將近二十多個井田開展了相關(guān)應(yīng)用，取得了很好的效果[20]。朱曉穎等根據(jù)巖石磁性在不同溫度作用條件下存在的明顯差異，從巖石磁性的角度討論了磁法勘探圈定寧夏汝箕溝煤田火燒區(qū)的可行性，通過開展地面磁法實測，利用反演數(shù)據(jù)有效地圈定了煤火區(qū)著火點的位置及范圍[21]。王衛(wèi)平等在內(nèi)蒙古烏達(dá)地區(qū)以直升機(jī)航空電磁、磁綜合測量資料為基礎(chǔ)，結(jié)合該地區(qū)煤田方面已有的地質(zhì)、物探、遙感等資料，對地下煤火分布與航空磁場特征、航空電磁場特征之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，在綜合分析的基礎(chǔ)上，建立了該區(qū)的地下煤火劃分標(biāo)志，并對該區(qū)的地下煤火分布和燃燒狀況進(jìn)行了分析和圈定[22]。

2.2.2 高密度電法探測

巖石因組分不同使得其電阻率有一定的差異，電性差異隨著溫度升高差異呈現(xiàn)擴(kuò)大化，地下煤火分布區(qū)溫度較高，與周邊圍巖相比在電阻率方面呈現(xiàn)明顯差異，這為高密度電法探測地下煤火提供了基礎(chǔ)。高密度電法具有精度高、信息量豐富、效率高等優(yōu)點，但受大地雜散電流、地形起伏的影響較大(表1)。

邵振魯?shù)壤枚喾N裝置開展了高密度電法探測地下煤火試驗，準(zhǔn)確地分辨出了地下煤火燃燒區(qū)的燃燒中心、燒空區(qū)和冒落帶[23]。宋吾軍等通過建立煤田火區(qū)地電、地磁模型并進(jìn)行計算分析，利用高密度電法對安家?guī)X露天礦火區(qū)燃燒中心及燒空區(qū)的分布情況進(jìn)行了探測，通過鉆孔驗證，證明了高密度電法探測煤田火區(qū)的有效性；同時發(fā)現(xiàn)在探測火區(qū)范圍分布、埋深等方面各有優(yōu)勢[24]。賀小元等采用高密度電法嘗試探測活雞兔煤礦地下采空區(qū)及火燒區(qū)，解譯出大量的采空區(qū)及少量火燒區(qū)，經(jīng)少量鉆孔驗證，證實高密度電法探測采空區(qū)非常有效[25]。

2.2.3 地質(zhì)雷達(dá)探測

地下煤火在燃燒過程中，使得地下空間形成破碎區(qū)、空腔區(qū)等不同空間狀態(tài)，地質(zhì)雷達(dá)向地下探測區(qū)發(fā)射電磁波，電磁波在向下傳播過程中，遇到不同空間形態(tài)波阻抗分界面就產(chǎn)生反射現(xiàn)象，通過捕捉反射信號能量的差異，進(jìn)而解釋地下煤火燃燒形成的不同空間形態(tài)。地質(zhì)雷達(dá)具有探測精度較高、操作方便簡單、快速等優(yōu)點，但對埋深較大的煤火探測效果有限(表1)。

表1 地下煤火探測技術(shù)

楊峰等利用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)對烏干達(dá)煤田地下煤火破碎和燃燒塌陷區(qū)進(jìn)行了探測，雷達(dá)信號在穿透破碎和燃燒塌陷區(qū)域時，巖石塌陷松散區(qū)和破碎區(qū)的ARMA 譜響應(yīng)特征存在明顯差異，利用這種差異對煤火燃燒形成塌陷或空洞的展布形態(tài)進(jìn)行探測，為地下煤火防治提供了必要的依據(jù)[26]。胡明順基于電磁波理論，采用時域有限差分法正演模擬了火區(qū)典型地質(zhì)體地電模型雷達(dá)響應(yīng)，在山西某露天礦火區(qū)進(jìn)行了雷達(dá)檢測實驗，隨后采用鉆探驗證其結(jié)果與鉆孔資料吻合度很好，說明探地雷達(dá)對識別淺埋火區(qū)煤層松散跨落程度，圈定火燒重點區(qū)域具有重要的現(xiàn)實意義[27]。

2.3 地球化學(xué)技術(shù)探測地下煤火研究進(jìn)展

地球化學(xué)技術(shù)探測主要是利用儀器測量和捕捉地下煤火燃燒過程中釋放的異?；瘜W(xué)成分，通過提取異常差異信息來圈定地下煤火范圍，目前化探技術(shù)探測手段主要為氡氣探測法。地下煤火燃燒過程中，會產(chǎn)生一個相對高溫高壓的環(huán)境，同時會產(chǎn)生大量的CO2、CO、CH4、H2O等氣體，氡作為一種放射性元素，一方面高溫高壓環(huán)境有利于巖石中氡元素的析出，另一方面地下煤火燃燒區(qū)存在大量貫通地表裂隙，二者相互疊加，加劇了析出的氡元素順著裂隙快速擴(kuò)散至地表，使得地下煤火燃燒區(qū)地表形成明顯的氡氣放射性異常區(qū)[28]，通過對地表氡元素開展測量，提取濃度差異，進(jìn)而可圈定地下煤火燃燒的范圍。氡氣探測法在地下煤火探測中具有操作簡單、數(shù)據(jù)提取快速、經(jīng)濟(jì)成本低等優(yōu)勢(表1)。

金永飛等采用測氡探火技術(shù)對中煤平朔煤業(yè)有限公司安家?guī)X一號井工礦地下煤火進(jìn)行探測，確定了地下煤火火源位置及范圍，滅火工程實施效果證實圈定的異常區(qū)符合實際情況[29]。陳輝等采用美國原裝進(jìn)口儀器RAD7型連續(xù)測氡儀，對阜康氣煤一號井深部隱蔽火源進(jìn)行氡異常區(qū)拉網(wǎng)式探測，初步確定火源6處，總面積為51 000m2，采用鉆孔進(jìn)行了驗證，探測結(jié)果與鉆孔驗證相吻合[30]。王海燕等應(yīng)用同位素測氡法探測技術(shù)，對復(fù)雜火區(qū)條件下的黑龍江滴道礦老二井火區(qū)位置和面積進(jìn)行了精確探測，區(qū)分了測場內(nèi)的溫度異常區(qū)和燃燒區(qū)，為井田滅火方案制定提供了依據(jù)[31]。劉志忠等基于神東礦區(qū)大礦周邊小窯開采特點，利用瞬時法測量氡氣對石圪臺煤礦南部小窯進(jìn)行隱蔽火源探測，確定氡值異常值，劃分了溫度異常區(qū)域[32]。

3 地下煤火探測技術(shù)展望

地下煤火探測研究雖然取得了一系列進(jìn)展，探測技術(shù)也表現(xiàn)為多樣化，隨著“雙碳”目標(biāo)的提出和地下煤火呈現(xiàn)的新特點，地下煤火探測任重道遠(yuǎn)。今后的研究要緊緊圍繞探測高效、精準(zhǔn)、經(jīng)濟(jì)等方向來開展，重點加強(qiáng)探測技術(shù)研發(fā)及綜合應(yīng)用、數(shù)據(jù)處理與提取、新探測儀器設(shè)備等方面的研究和攻關(guān)。

3.1 探測技術(shù)研發(fā)及綜合應(yīng)用

我國當(dāng)前探測技術(shù)多應(yīng)用于地下淺部煤火探測，各種探測方法均存在優(yōu)點與不足，此外對煤礦隱蔽火源和深部火源的精準(zhǔn)探測難度較大。為提高地下煤火探測的準(zhǔn)確性，一方面要加大新技術(shù)的研發(fā)，尤其是針對深部煤火的探測，隨著深度的增加，地下煤火反映到地表的信息會大幅減弱，常規(guī)探測手段的有效性大大降低，應(yīng)有效提高地下隱蔽火源探測效率，加強(qiáng)深部煤火探測精度加強(qiáng)新技術(shù)的引進(jìn)和研發(fā)，目前研發(fā)的聲學(xué)法測溫技術(shù)、分布式光纖測溫法等有望成為地下隱蔽火源位置精準(zhǔn)探測的有效方法；另一方面，針對不同的礦區(qū)所處的地質(zhì)條件及地下煤火的特點，要加快構(gòu)建地下煤火綜合探測技術(shù)體系，將多種探測技術(shù)綜合應(yīng)用，發(fā)揮其各自優(yōu)點，進(jìn)而相互印證探測結(jié)果，大大提高了探測的精準(zhǔn)性和可靠性。

3.2 提高數(shù)據(jù)精細(xì)處理與提取

地下煤火探測過程中會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，應(yīng)優(yōu)化及研發(fā)數(shù)據(jù)快速處理與提取的算法，加強(qiáng)數(shù)據(jù)智能化識別，減少數(shù)據(jù)處理與提取帶來的多解性，進(jìn)一步提高資料解釋的準(zhǔn)確性[33-34]。

3.3 加強(qiáng)高精度探測設(shè)備攻關(guān)研制

地下煤火燃燒所處地下環(huán)境復(fù)雜，且各個煤田地質(zhì)條件和燃燒成因均不盡相同，各種技術(shù)手段在探測過程中面臨精度不高、抗干擾能力差等缺點，隨著探測技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，要加強(qiáng)探測設(shè)備在高精度、抗干擾能力方面的攻關(guān)研究，以便更為精準(zhǔn)地探測地下煤火中心位置與分布范圍。

4 結(jié)論

1)我國地下煤火多分布于西部新疆、寧夏、內(nèi)蒙古等地區(qū)，在分布范圍、燃煤變質(zhì)程度、氣候因素、隱蔽性等方面呈現(xiàn)出一定的特點。

2)地下煤火探測主要有遙感技術(shù)、地球物理技術(shù)、化探技術(shù)、鉆探技術(shù)等，每種探測技術(shù)對地下煤火邊界、深度等方面的探測各有一定的優(yōu)勢和缺陷。單一的探測技術(shù)，已難于解決地下煤火精準(zhǔn)探測問題，針對不同礦區(qū)的地形、構(gòu)造、煤火深度等因素，研究采用多種探測技術(shù)組合進(jìn)行煤火探測將成為發(fā)展趨勢。

3)地下煤火有效探測至今仍是一個世界性難題，要圍繞地下煤火探測的精度、隱蔽火源探測和增加煤火深度探測開展進(jìn)一步的攻關(guān)，針對不同礦區(qū)地下煤火所處的環(huán)境，加強(qiáng)探測技術(shù)的綜合應(yīng)用和體系建設(shè)，不斷開發(fā)新的探測技術(shù)，提高數(shù)據(jù)精細(xì)處理與提取，同時要積極推進(jìn)具有高精度、高分辨率、抗干擾性能儀器設(shè)備的研制和改進(jìn)。