浅议煤田灭火工程中常用的物探方法

摘 要：总结了煤田灭火工程中常用的地球物理勘探方法，针对火区的温度异常区和塌陷区、采空区分别作了讨论，分析了每种物探方法的优缺点。

关键词：物探；煤田火区；煤田灭火

要准确认识煤田火灾，要了解火区的地质情况、发火原因、发火历史，查明火区范围内的煤层赋存和燃烧煤层情况，确定火区边界和燃烧深度，然后对火灾进行科学有效处理，对灭火效果进行评价。地球物理物探对火区勘察、灭火工程设计、施工和灭火效果评价有着举足轻重的作用。煤田灭火中的物探方法主要用来探测高温区的边界和深度，还有煤层燃烧产生的塌陷区和之前煤矿开采导致的采空区（塌陷区和采空区对灭火施工中的人员生命安全和机械正常工作有着直接威胁）。煤层在燃烧过程中或者燃烧过后，会使所在区域的地球物理特征发生变化，主要体现在燃烧区域的温度、电场、电阻率和磁场的变化上，还有塌陷区和采空区的电阻率变化和氡气异常。

1 煤田火区的地球物理特征

1.1 温度异常。温度升高是煤层燃烧释放热量最直接的表现。煤田火灾中的温度异常表现为高温异常。

1.2 自然电位异常。煤层燃烧会形成氧化还原环境，高温区域聚集正电荷，高温区域外部聚集负电荷。

1.3 电阻率异常。对燃烧区或高温区而言，燃烧区一般为非金属物质，严格地说非金属物质都是半导体。在此类物质中，传导电流是由受激进入导带的电子迁移引起的，激发的能量来自热扰动，因此非金属材料的电阻率一般随温度的升高而降低，而相对于围岩来说反映为低阻。并且煤层在燃烧过程中形成燃烧场，场的中央由于燃烧形成水蒸气，表现为相对于原始地层的低阻异常。燃烧过的场会变得疏松多空，在蒸汽散失后表现为高阻。对于塌陷区和采空区，电阻率表现为高阻，如果冲水则表现为低阻。

1.4 磁异常。煤系地层顶底板中赋存着大量的铁矿物成份（赤铁矿、褐铁矿、黄铁矿、菱铁矿），这些铁矿物磁性微弱，而在煤层燃烧的作用下形成了大面积烧变岩体，冷却过程中，烧变岩中的小磁畴会按照大地磁场重新排列，从而产生较强的磁性。

1.5 氡气异常。煤层开采或者燃烧后，地下形成大面积采空区或者塌陷区，这些区域形成后，破坏了地层原有的天然应力状态，引起应力重新分布，造成地面变形和裂缝，改变了地下气体的运移和聚集环境，对氡气的运移与富集有一定的控制作用。氡气经裂缝向上运移，可在地表形成氡异常区。

2 煤田灭火工程中常用的物探方法

2.1 红外成像。温度不同，物体辐射出的红外波频率不同，红外成像就是利用这个特性通过光学处理后形成温度与图像直观对应的成像手段。该方法真实客观、操作便捷，在煤田火区普查和灭火效果评价中经常用到。缺点是误差较大，很难精确确定火区面积，观测的是地表温度异常，对地下异常空间展布的描述无能为力。

2.2 自然电位法。自然电位法是最古老的电法。如果高温区域位于地下浅部位，在地表测线上的高温区域表现为正电位，其他区域表现为负电位；如果高温区域位于地下较深部位，在地表测线上的高温区域表现为负电位，其他区域表现为正电位。燃烧区域深度超出一定范围或者燃烧一段时间后，这种电性差异会表现微弱甚至没有异常表现。

2.3 磁法。磁法是一种经济、便捷的物探方法。岩石燃烧后获得的磁性强弱与燃烧程度和燃烧温度有关，燃烧温度越接近居里点，冷却后烧变岩的热剩磁场就愈强，反之愈弱。燃烧区域的磁化率和剩余磁化强度的值一般是正常区域的几倍至几十倍，但是磁异常的形态与多种因素有关，比如异常体的形状、产状、大小，难以用数学方法计算其磁场分布，因此在实际中很难准确描述火烧区的位置，需要结合其他物探方法确定燃烧边界，然后通过露头产状估算火烧区的深度，或者钻探直接验证。

2.4 瞬变电磁法。瞬变电磁法是基于电性差异的物探方法。其基本原理是法拉第电磁感应定律，在地面通过线圈供直流电形成稳定磁场，当电流突然断开，由电流产生的磁场随即消失，在地下感应出二次涡旋电流，涡旋电流随时间推移呈环状有地面向下、向外扩散。涡流的大小与地层电导率有关，并随深度增加而衰减。利用地面的线圈或探头接收涡旋电流产生的二次磁场的感生电动势，根据随时间变化按指数规律衰减的信号，经处理解释就可反应地质体电性分布与赋存深度。基于这种特性，瞬变电磁法可以探测到燃烧区域的低阻特性和采空区（无充水）的高阻特性。瞬变电磁法的缺点是容易收到电磁干扰，工作时必须远离市区和工矿企业。

2.5 探地雷达。探地雷达又称地质雷达，作为一种反射波探测法，它利用发射天线向地下发射一定强度的短脉冲电磁波，电磁波在地下介质中传播时遇到存在电性差异的界面时发生反射，通过接收天线来接收这些来自地下介质界面的反射信号，根据雷达波形、强度、双程时间等参数推断地下目标体的空间位置、结构、电性及几何形态。具有探测速度快、分辨率高、抗电磁干扰能力强、现场能提供实时剖面记录、图像清晰直观等优点。但是运用在煤田火区勘探中时，其探测深度较浅，无法满足深部煤火勘探的要求。

2.6 活性炭测氡法。活性炭测氡法是一种静态、累积的测氡方法。活性炭可以吸附各种气、液态物质，具有较强的吸附能力。活性炭为非极性吸附剂，氡为非极性单原子分子。因此活性炭对氡具有较强的吸附能力。当氡运移到活性炭表面时，很快被吸附，造成其周围的氡浓度降低。在浓度差的作用下，高浓度的氡不断向活性炭运移，直至吸附的氡达到最大值，并与周围的氡浓度达到平衡。地下煤炭燃烧势必造成高温高压的环境，加之燃烧区顶部存在着大量的裂隙，这势必加快氡气上移的速度，因此能够在地表形成较高的氡气异常。活性炭测氡法具有灵敏度高、精度高、抗干扰强、探测深度大等优点，已经作为一种有效、便利的物探方法大量应用于煤矿采空区的探测和采空区煤层自燃中。该方法的缺点是由于地下情况极其复杂，地下的氡气运移路径曲折多变，测得的数据可能与测点正下方位置不对应。

3 结语

燃烧异常体在地下的分布往往是复杂的，而且各种物探方法的探测特性各异，煤层燃烧产生的异常在各种物探方法中的表现并不总是绝对的，要准确判断异常位置，建议采用多种物探方法相互验证，在灭火施工过程中采用钻孔验证。除上述物探方法外，对于浅部煤田火区，可尝试高密度直流电法，对于还未被发现的深部煤田火灾，可尝试在勘查和监测阶段应用浅层地震、无人机搭载高精度磁测和红外探测等手段。

参考文献

[1] 陈龙.红外成像在煤田探火中的应用技巧[J].中国西部科技，2009， 8（10）.

[2] 杨永明.综合物探手段在煤田灭火中的作用[J].中国煤田地质， 2004，16（04）.

[3] 蔡忠勇.高分辨和瞬变电磁法在煤田火区环境地质灾害治理中的应用[J].中国矿业，2008，17（09）.

[4] 宋雷，黄家会，南生辉.地质雷达用于探测煤田自燃区的研究[J].煤炭科学技术，1999，27（12）.

[5] 杨建军，申燕，刘鸿福.测氡法和瞬变电磁法在探测煤矿采空区的应用[J].物探与化探，2008（06）.

[6] 孙林.高密度电阻率法与浅层地震在探测煤田采空区中的应用[J].物探与化探，2012，36（s）.

作者简介：袁宇（1987- ），男，湖北松滋人，硕士研究生，现主要从事煤田火区勘探与灭火工程评价研究工作。