双碳目标下我国西部地区地下煤火探测技术研究进展

2022-05-09贺强

中国煤炭地质 2022年4期

贺强

(中煤东方控股有限公司，山东青岛 266075)

近年来，伴随着全球气候变化与全球变暖等问题，地下煤火受到了越来越多的关注。地下煤火是指在地下一定的空间范围内由于人为因素或自然环境条件引起的煤炭资源燃烧，并不断发展形成大面积煤田火灾。在中国、美国、澳大利亚、印度、印度尼西亚等国家和地区普遍存在，在我国主要分布在新疆、宁夏、内蒙古等地[1-2]。地下煤火对资源、环境、经济等多方面产生诸多不利影响：一方面造成大量煤炭资源的浪费和冻结，根据调查研究，每年因地下煤火燃烧造成的煤炭资源直接损失约1 300万t，间接影响的煤炭资源量约2亿t；另一方面，对地表植被、土壤、地下水资源等造成很大的破坏，同时燃烧过程释放出大量的粉尘与有毒有害气体，主要有CO2、CO、CH4、SOX、Hg 等无机物及苯类有机物，污染大气环境[3]。

2020年，我国提出了“双碳”目标，即二氧化碳排放力争于2030年达到峰值，努力争取2060年实现碳中和[4]。为实现这一宏伟目标，要逐步加强对CO2、CH4等温室气体的排放管控力度[5]。基于遥感数据估算，Paul van Dijk等得出我国煤火产生的温室气体占全球总排放量的0.1%[6]。有效控制地下煤火，对于减少温室气体排放和“双碳”目标的实现具有重要意义。随着我国煤炭生产开发布局西移和高效开采技术的发展，西部地区地下煤火产生的一系列问题已严重影响我国能源安全和生态环境，因地下煤火燃烧环境复杂，如何准确探测和圈定地下煤火的位置及范围，是开展灭火治理工作的前提和关键[7]。

1 我国地下煤火分布现状

我国地下煤火多分布在干旱的西部地区，以新疆、宁夏、内蒙古分布范围最广，其中新疆煤田火灾最为严重。新疆第五次煤田火区普查结果表明：截至2019年底，新疆有未治理的在燃火区40处，火区总面积477.73万m2，每年燃烧损失456.16万t煤炭，年排放温室气体CO2达1 204.26万t，主要分布在准格尔煤炭基地、吐哈煤炭基地、伊犁煤炭基地、库拜煤炭基地等[8]。宁夏回族自治区煤田火区37处，面积约394.5万m2，主要分布在汝箕沟矿区、二道岭、呼鲁斯太、石炭井等含煤区，其中汝箕沟矿区地下煤火较为严重。内蒙古自治区发现26处地下煤火分布区，火区面积达1 903 万m2，主要分布在古乌达、鄂尔多斯、桌子山、准格尔等矿区，其中乌达矿区地下煤火较为严重[9-10]。

我国地下煤火主要呈以下分布特点：一是我国地下煤火燃烧严重的矿区主要分布在北纬35°～45°；二是我国地下煤火的发生与煤的变质程度有关，主要为低变质程度煤；三是我国地下煤火的发生与气候有关，主要发生在干旱—半干旱的西部地区[11]。四是我国地下煤火大部分布于地下，呈阴燃状态，具有范围大、着火点分散、距离远和火源隐蔽等特点，实时动态监控和火区治理十分困难[12]。

2 地下煤火探测技术研究进展

如何快速、准确确定地下煤火的燃烧位置和分布范围一直是煤火探测的攻关方向。地下煤火在燃烧过程中，火区范围内与周边区域在物理场、化学场、热场、光场等发生一系列变化，利用相关技术和设备研究产生的物理、化学、热、光的变化特征，进而圈定地下煤火位置及范围。目前圈定地下煤火位置及范围的探测技术主要有遥感技术、地球物理技术、化探技术等。许多学者在不同的矿区采用不同的探测技术对地下煤火位置和范围的圈定进行了深入研究，取得了大量卓有成效的成果。

2.1 遥感技术探测地下煤火研究进展

从20世纪80年代开始，我国研究人员就逐步将遥感技术应用于了地下煤火监测。地下煤火燃烧过程中产生的热量会以热辐射的方式传导至地表，在近地表形成高温环境，利用热红外遥感捕捉产生的热辐射，利用燃烧区与非燃烧区之间光谱特性的差异，从遥感图像中提取地下煤火信息。遥感技术在地下煤火探测中具有范围广、速度快、时效性强等优势，但易受气象条件影响，分辨率低，不利于深部煤火探测(表1)。目前利用遥感技术探测地下煤火应用较多的主要是热红外遥感、高光谱遥感，搭载传感器的平台有卫星、机载、无人机等。

李峰等在马脊梁煤矿利用无人机搭载数码相机和热红外相机分别在白天和夜晚采集RGB 图像和热红外图像，通过对地表温度反演和热异常提取，试验表明无人机热红外技术探测地下煤火精度高达96.72%，说明利用无人机热红外遥感对地下煤火探测是可行的[13]。刘竞龙等以InSAR与热红外技术为基础，采用PS时序方法和普适性单通道算法对乌鲁木齐东侧煤火多源遥感融合探测，通过沉降和温度信息对火区分布进行综合分析，结果表明，两种方法融合探测能判定出疑似火区分布[14]。周小虎等通过高分辨率航空高光谱遥感图像处理分析，提取矿区煤火信息，圈定了火区分布范围，准确性可达90%以上，说明利用航空高光谱遥感热红外遥感图像结合区域地质资料分析，在我国北方植被覆盖少的地区进行煤田火区监测是可行的[15]。毛耀保通过航空高光谱遥感对宁夏汝箕沟煤田火区范围进行了探测，利用提取的热异常信息准确圈定了火区燃烧强度，实现了将遥感定量调查结果直接用于灭火工程设计的目标[16]。

随着卫星传感器分辨率的不断提高及GIS等空间信息技术的飞速发展，将二者相结合进行地下煤火探测已经得到了广泛的应用。陈民、陈云浩等将遥感与GIS技术相结合对内蒙古乌达、宁夏汝箕沟等煤田进行了地下煤火的动态监测，分析其动态发展过程，为煤火有效防治提供实时指导[17-18]。

2.2 地球物理技术探测地下煤火研究进展

地球物理探测技术是利用地下煤火在燃烧过程中周边磁场、电场等发生变化，通过布设一定间距的测网，利用相关设备捕捉异常信息，进而分析确定地下煤火位置和范围。地球物理技术在地下煤火探测中发挥了重要作用，主要包括磁法探测、高密度电法探测、地质雷达探测等。

2.2.1 磁法探测

地下煤火燃烧过程中，产生的高温使周边围岩发生复杂的化学变化，温度降低后形成烧变岩，烧变岩和火烧区的岩石磁性明显增强，在地表会产生磁异常，利用磁法探测技术可以快速确定地下煤火位置及圈定火区范围[19]。磁法探测具有施工简单、设备轻便等优点，但是由于当前磁法探测仪器分辨率低，同时探测精度容易受煤矿生产设备及电磁的干扰，使得火源位置圈定存在一定的误差(表1)。

张秀山于1961年首次将磁法探测应用于地下煤火探测，在新疆、宁夏、甘肃三个省区将近二十多个井田开展了相关应用，取得了很好的效果[20]。朱晓颖等根据岩石磁性在不同温度作用条件下存在的明显差异，从岩石磁性的角度讨论了磁法勘探圈定宁夏汝箕沟煤田火烧区的可行性，通过开展地面磁法实测，利用反演数据有效地圈定了煤火区着火点的位置及范围[21]。王卫平等在内蒙古乌达地区以直升机航空电磁、磁综合测量资料为基础，结合该地区煤田方面已有的地质、物探、遥感等资料，对地下煤火分布与航空磁场特征、航空电磁场特征之间的关系进行了研究，在综合分析的基础上，建立了该区的地下煤火划分标志，并对该区的地下煤火分布和燃烧状况进行了分析和圈定[22]。

2.2.2 高密度电法探测

岩石因组分不同使得其电阻率有一定的差异，电性差异随着温度升高差异呈现扩大化，地下煤火分布区温度较高，与周边围岩相比在电阻率方面呈现明显差异，这为高密度电法探测地下煤火提供了基础。高密度电法具有精度高、信息量丰富、效率高等优点，但受大地杂散电流、地形起伏的影响较大(表1)。

邵振鲁等利用多种装置开展了高密度电法探测地下煤火试验，准确地分辨出了地下煤火燃烧区的燃烧中心、烧空区和冒落带[23]。宋吾军等通过建立煤田火区地电、地磁模型并进行计算分析，利用高密度电法对安家岭露天矿火区燃烧中心及烧空区的分布情况进行了探测，通过钻孔验证，证明了高密度电法探测煤田火区的有效性；同时发现在探测火区范围分布、埋深等方面各有优势[24]。贺小元等采用高密度电法尝试探测活鸡兔煤矿地下采空区及火烧区，解译出大量的采空区及少量火烧区，经少量钻孔验证，证实高密度电法探测采空区非常有效[25]。

2.2.3 地质雷达探测

地下煤火在燃烧过程中，使得地下空间形成破碎区、空腔区等不同空间状态，地质雷达向地下探测区发射电磁波，电磁波在向下传播过程中，遇到不同空间形态波阻抗分界面就产生反射现象，通过捕捉反射信号能量的差异，进而解释地下煤火燃烧形成的不同空间形态。地质雷达具有探测精度较高、操作方便简单、快速等优点，但对埋深较大的煤火探测效果有限(表1)。

表1 地下煤火探测技术

杨峰等利用地质雷达技术对乌干达煤田地下煤火破碎和燃烧塌陷区进行了探测，雷达信号在穿透破碎和燃烧塌陷区域时，岩石塌陷松散区和破碎区的ARMA 谱响应特征存在明显差异，利用这种差异对煤火燃烧形成塌陷或空洞的展布形态进行探测，为地下煤火防治提供了必要的依据[26]。胡明顺基于电磁波理论，采用时域有限差分法正演模拟了火区典型地质体地电模型雷达响应，在山西某露天矿火区进行了雷达检测实验，随后采用钻探验证其结果与钻孔资料吻合度很好，说明探地雷达对识别浅埋火区煤层松散跨落程度，圈定火烧重点区域具有重要的现实意义[27]。

2.3 地球化学技术探测地下煤火研究进展

地球化学技术探测主要是利用仪器测量和捕捉地下煤火燃烧过程中释放的异常化学成分，通过提取异常差异信息来圈定地下煤火范围，目前化探技术探测手段主要为氡气探测法。地下煤火燃烧过程中，会产生一个相对高温高压的环境，同时会产生大量的CO2、CO、CH4、H2O等气体，氡作为一种放射性元素，一方面高温高压环境有利于岩石中氡元素的析出，另一方面地下煤火燃烧区存在大量贯通地表裂隙，二者相互叠加，加剧了析出的氡元素顺着裂隙快速扩散至地表，使得地下煤火燃烧区地表形成明显的氡气放射性异常区[28]，通过对地表氡元素开展测量，提取浓度差异，进而可圈定地下煤火燃烧的范围。氡气探测法在地下煤火探测中具有操作简单、数据提取快速、经济成本低等优势(表1)。

金永飞等采用测氡探火技术对中煤平朔煤业有限公司安家岭一号井工矿地下煤火进行探测，确定了地下煤火火源位置及范围，灭火工程实施效果证实圈定的异常区符合实际情况[29]。陈辉等采用美国原装进口仪器RAD7型连续测氡仪，对阜康气煤一号井深部隐蔽火源进行氡异常区拉网式探测，初步确定火源6处，总面积为51 000m2，采用钻孔进行了验证，探测结果与钻孔验证相吻合[30]。王海燕等应用同位素测氡法探测技术，对复杂火区条件下的黑龙江滴道矿老二井火区位置和面积进行了精确探测，区分了测场内的温度异常区和燃烧区，为井田灭火方案制定提供了依据[31]。刘志忠等基于神东矿区大矿周边小窑开采特点，利用瞬时法测量氡气对石圪台煤矿南部小窑进行隐蔽火源探测，确定氡值异常值，划分了温度异常区域[32]。

3 地下煤火探测技术展望

地下煤火探测研究虽然取得了一系列进展，探测技术也表现为多样化，随着“双碳”目标的提出和地下煤火呈现的新特点，地下煤火探测任重道远。今后的研究要紧紧围绕探测高效、精准、经济等方向来开展，重点加强探测技术研发及综合应用、数据处理与提取、新探测仪器设备等方面的研究和攻关。

3.1 探测技术研发及综合应用

我国当前探测技术多应用于地下浅部煤火探测，各种探测方法均存在优点与不足，此外对煤矿隐蔽火源和深部火源的精准探测难度较大。为提高地下煤火探测的准确性，一方面要加大新技术的研发，尤其是针对深部煤火的探测，随着深度的增加，地下煤火反映到地表的信息会大幅减弱，常规探测手段的有效性大大降低，应有效提高地下隐蔽火源探测效率，加强深部煤火探测精度加强新技术的引进和研发，目前研发的声学法测温技术、分布式光纤测温法等有望成为地下隐蔽火源位置精准探测的有效方法；另一方面，针对不同的矿区所处的地质条件及地下煤火的特点，要加快构建地下煤火综合探测技术体系，将多种探测技术综合应用，发挥其各自优点，进而相互印证探测结果，大大提高了探测的精准性和可靠性。