煤田火区探测技术研究现状及发展趋势

王 刚

（1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）

主要有：地下煤火造成的灾害是在煤田利用和开发中形成的，已经在奥大利亚、中国、美国等国家和区域经常发生[1]。煤田火灾已经成为涉及资源保护、环境治理、经济发展、人口的问题，也是阻碍中国煤炭资源可持续开发与矿区可持续发展的重要议题。煤田火区探测方法主要有：磁法、电阻法、测氡法、红外热成像法、遥感法，这些方法各有优缺点，基于此，研究了测汞法探测煤田火区和露天煤矿火区，开辟了一种全新的煤田火区探测方法。

1 我国煤田火区现状

我国的煤田火灾主要发生在干旱少雨的西北部区域，包括新疆、内蒙古等区域，上述区域煤田火灾烧毁面积将近720 km2，其中世界上最大的煤田火区是燃烧近千年的新疆煤田火区。新疆区域煤田火区共有44 个，火区面积为992 万m2[2]。内蒙古乌海、桌子山、东胜等区域有1 903 万m2的煤田火区，其中2009 年国家权威部门探测得出仅在乌海煤田就有481.2 万m2的煤田火区。据估算在宁夏地区有394.56 万m2煤田火区，受火区影响7 872.58 万t 煤不能开采，每年100 万t 煤被烧毁。煤炭自燃不仅造成大量煤炭被烧毁，而且大气环境受到煤自燃所释放的有毒有害气体的严重污染，同时严重威胁了煤矿人员的生命安全[3-4]。

2 煤田火区的探测方法

2.1 煤田火区探测目前主要采用的方法

煤田火区探测方面主要方法有物探法（磁探法、电阻率法、测氡法、气体测量法、测温法）、化探法、钻探法、遥感法，目前应用比较多的探测方法是物探法和遥感法，如氡气测定法、无人机遥感法等。煤田火区探测方法比较见表1。

表1 煤田火区探测方法比较

2.1.1 物探法探测技术研究现状

物探是利用岩（矿）石、地下煤层等介质具备的物理性质，利用仪器观测此介质引起的地球物理参数的变化，通过数据处理、地质解释等手段来反演地质构造形态和矿藏分布等问题的一门科学[5-6]。物探法现场应用较多的方法是磁探法、电阻率法、测氡法。

1）磁探法。磁探法的实质是:煤燃烧时，煤层上覆岩层中的菱矿及黄铁矿结合受到高温燃烧后，其中的铁质要素产生磁化反应后生成磁性矿体，并且烧变岩由降温后仍然具有有较强的热剩余磁化强度。利用这一明显的磁性特性，可以探测火区高温异常区域及其燃烧范围。

2）电阻率法。煤燃烧时煤层结构和含水性会有较大改变，这些改变会导致煤层及周围岩层电阻值变化。电阻率法就是在地表测试断面各个位置电阻值的变化，然后比较未发火区和发火区电阻值的差异，从而判断自燃发火点的区域与范围。电阻率法主要用来确定煤层的燃烧层位与边界。

3）测氡法。测氡法的本质是根据煤层和岩石中氡元素在煤田火区作用下产出率增强的特点，在地面采集氡气，然后采用数据处理软件生成氡体积分数分布等值线图、氡体积分数表面图，从而圈定火区高温异常区域。

刘洪福[7]等在1995 年的实验成果系统阐述了测氡法探查煤田火区高温异常区域的原理和方法，并建立了测氡实验平台，确定了氡析出与温度的相关性，研发了测氡探火专用软件，专用软件在多个煤矿得到了广泛应用。此后，太原理工大学邬剑明等、西安科技大学邓军等、长春科技大学、宁夏煤炭地质勘查院等单位用此方法圈定地下煤层火区范围做了大量研究工作，并在实际生产中取得了很好的效果。物探法还有气体测量法和测温法。气体测量法包括示踪气体法、地面钻孔气体分析法和井下气体分析法，测温法包括地面温度测定法、井下温度测定法、红外温度测定法，由于篇幅原因这里不做具体阐述。

2.1.2 遥感法探测技术研究现状

遥感探测方法是利用卫星热红外遥感、机载或无人机搭载的热红热成像设备获取地表热成像资料，然后结合地质资料来圈定火区位置与边界。目前，航空红外遥感方法主要是应用于精准探查火区位置和范围。

美国在1963 年利用热感图像RECONOFAX 红外装置成功确定和探测煤岩石中的煤火，这是世界上首次使用热红外遥感设备探测煤火[8]。1999 年北遥公司采用红外遥感结合地表红外温度测定仪的综合方法对我国北方煤田火区勘查和火区环境灾害进行了动态探查工作，以地学信息设备为工具，研发了用于煤田火区探查的信息管理系统[9-11]。

遥感探测方法可以快速探测大范围煤田火区，大致确定火区位置和圈定火区范围。遥感探测方法具有明显的技术优势，利用遥感探测获取的信息与地面地测信息相结合，可以实现全方位、动态监测火区变化和发展趋势。

2.2 测汞法探测煤田火区新技术

2.2.1 温度影响下的汞迁移机理

把自燃的煤看作一个微元体，煤体能量守恒单元示意图如图1。

图1 煤体能量守恒单元示意图

在单位时间内从微元体左侧dydz 流入的热能为qxdydz，经右界面流出的热能为qx+dxdydz，则流入的净热能为（qx-qx+dx）dydz。固体在热传输时符合傅里叶定理，则热能可以表示为：

式中：qx为微元体流入x 方向的热能；λx为稀松煤体在x 方向上的导热能系数，W·（/m·℃）;为热能在x 方向求偏导。

将式（1）按泰勒级数展开至第2 项得到式（2）：

式中：qx+dx为微原体流出x 方向的热能，表示热能在x 方向求二阶偏导。

式（3）减去式（4）就得到沿x 方向的静流量，如式（3）。

式中：n 为松散煤体的空隙率；ρg、Eg分别为空气密度和比热容；vx为风流在x 方向上的流速；Tg为空气的温度；为热能在x 方向求偏导；dxdydz 为1 个微元体。

假想煤田火区中的煤在自燃过程中，单位体积单位时间内的煤与氧反应释放的热能为q（T），则在微元体dxdydz 中，单位时间内产生的热能为q（T）dxdydz，q（T）为煤体在温度为T 时的放热强度。与此同时，在时间dτ 内，微元体中煤体由于温度升高所接收的热能为ρeEedτdxdydz。ρe、Ee分别为松散煤体的等效密度（g·cm-3）和等效比热（J·g-1·℃-1）。根据热能的平衡理论，温度上升所吸收的热能必须等于从外界流入的净热能、风流带走的烩变和内部热源提供的热能之和，即：

式中：vy为示风流在y 方向的流速，cm/s;vz风流在z 方向的流速，cm/s。

上述公式从传热传质学角度阐述了汞在温度影响下的迁移机理，汞受到高温加热下会转换成气态汞，通过汞分析测定煤田火区地表气态汞体积分数，火区燃烧越剧烈对应地表裂隙或煤田火区探测孔（观测孔）气态汞体积分数越大，从而判定火区高温异常区域。

3 结语

1）阐述了目前煤田火区主要探测方法的原理，并对这些方法进行了比较，使科研工作者能够根据火区特点有针对性的选择火区探测方法。

2）从传热传质学角度推导出汞的迁移方程，阐述了通过测定煤田火区中气态汞浓度探测煤田火区的过程。

3）探测煤田火区应采取2 种方法进行探测，一种方法对煤田火区进行初步探测，然后采用另一种方法详细探测。比如采用遥感探测法对火区进行初步探测，大致圈定火区范围，最后采用测汞法详细探测火区高温和燃烧区域，提高了火区的探测效率。