刍议物探技术在煤田火区探测中的应用

刍议物探技术在煤田火区探测中的应用

孙华海

孙华海

新疆维吾尔自治区煤田灭火工程局新疆乌鲁木齐830018

摘要：在煤矿中自燃的火源很隐蔽，使得消防更加困难，通过实际探测火灾现场，可以迅速确定火灾中心的位置。可以利用物探方法有效探测地下煤矿中的火区。我国正在对煤田火灾的情况进行研究，并选定了适当的地区进行物探火区勘测工作，以便提供基本的火区灭火信息和监测数据。

关键词：物探；煤田；火区；探测；勘探

引言：煤田火区燃烧煤炭资源不仅极大浪费，还会对自然环境和人类生活也有极大的影响，物探方法在火区勘察里发挥着不可或缺的作用。在地下火灾确定位置、范围和深度，必须实时采取措施补救，有效控制火区灾情，使灾害减少到最低水平。

一、物探的概念

物探是地球物理勘探的缩写，指地球物理勘探或类似学科的工作，包括采矿（如煤、石油、矿物等）、地震预测等。所有岩石和矿物密度、磁力、电力、灵活性、放射性等物理性质的差异为研究基础地质，使用物探工具不同物理变化，通过分析和研究物探信息，判断和解释地质构造和矿产的分配。

二、煤田物探方法的基本原理

1.磁法原理

在煤层燃烧期间，覆盖在岩石上的矿物在高温烘烤下，受到高温和地面磁场的影响。铁质矿物经氧化还原的化学变化下，造成“热剩磁”，使之相应的岩层是受物理变化形成烧变岩，煤系地层中泥岩沙岩磁性自身薄弱甚至无磁性.因此，由于围岩和烧变岩有明显的磁性不同，使用磁性参数测量煤层圈出燃烧的领域，探测出烧变岩的深度。就沉积岩石而言，它们不是在像烧变岩这样的高温下形成的，但许多沉积岩石的剩磁是很强的。沉积岩的剩磁有两种类型：一种是沉积剩磁，在沉淀过程中，与当地磁场平行排列。这些剩磁是固定的；另一种是化学剩磁，因为含铁物变化而产生某种化学反应形成的剩磁，由于初步状态的煤和底板岩石里含有黄铁矿和菱铁矿结核，煤田燃烧过程中，含铁质矿物转化为了非常强的铁磁性，烧变岩有很大的热剩磁，可以用它来测量高精度磁性，来探测出煤田火区的范围。

2.自然电位法原理

当煤田中发生自燃时，由于煤层中覆盖岩石的温度升高，岩石中的水会流失。在煤田燃烧区形成空洞现象，导致岩石坍塌、变形、断裂、导电性减弱，在煤田高温影响下，煤层间的电离子和电子重新排列，就会产生“高低电位”情况，煤层燃烧之前和燃烧后的电场差异为圈定火区提供了参数。

3.测温法原理

当煤层被埋得较浅或地表坍塌时，地下的煤层就会发生自燃。因为岩石热辐射和热传导影响。温度异常是在煤燃烧区域的地面形成的，燃烧前和燃烧后的温度差异变化为测量燃烧区提供了依据，燃烧区的温度反映了煤田燃烧的演变进程，是煤田燃烧程度的一个重要指标。煤的自然过程是一种由质到量的化学反应，在复杂化学反应里必然会释放大量的热量，导致地热能的变化。因此，测试温度是确定火源地点的重要方法，可以利用温度传感器来测量洞或井下的温度。

4.测氡原理

当煤田发生自燃时，随着自动燃烧温度升高，上层岩石的辐射和活动强度会增加。煤层岩石燃烧之前和之后的辐射差异为确定燃烧地区提供了氧测量理论基础。氡气从地下移动到顶部，即对流为主的垂直移动。岩中的氡气的转移受岩石孔密度、温度和压力等因素的制约。当煤层燃烧时，在高温和高压条件下，氡会造成岩层的裂缝，在这一层中氡气体从下向上升，从而增大了煤层和围岩的射气系数。与此同时，岩层高水位上升导致氡溶解物质数量减少，在岩层中发现的氧气数量增加，从地面输送的氧气数量增加。在其他类似条件下，煤炭燃烧过程中自上而下的氧通量和数量往往会导致火灾地区上空出现较高的氧异常现象，可以对这些异常情况进行测量，以确定火灾地区的位置和总体范围。

三、煤田火区进行探测中应用的物探方法

1.瞬变电磁勘探

瞬变电磁法属于时间域电磁感应法，是一种利用岩矿石电学性质为物理前提的一种地球物理勘探方法。它利用相关接地线源向下面发送地下脉冲场，在脉冲间隔期间，它会利用回线或电偶极接收二次探测场，这是由地下物体受温度刺激引起的涡旋进而产生的不稳定的电磁场。所以它对低阻体反映灵敏，是探测煤田火区的最佳方法之一。瞬变电磁法的根本原理是电磁感应定律。煤田灭火工作里需要在地面或空中安装带有特定的波形电流的发射线圈。由此它的周围空间产生了的磁场，并在地下导电介质中产生感应电流，通常在停电后它的热量会随着时间而削减，因此过程一般分为早期、中期和后期阶段。早期的电磁场相当于频率范围内的高频部分，它的衰减速度快；而晚期成分相当于频域中的低频成分，衰减慢。如果在断电后的一段时间内对变速率进行测量，就可以获得不同深度的地面电力特性。如果有大面积的地下火灾，在进行地面电法探测时，从而使地下供入电流在火区位置火源上方介质由于富集的水蒸气，湿度大，电导率高，这反映在剖面图上的低视电阻率。

2.激发电位法

激发电位法基于在自然过程中电阻率的多道智能化激发电位仪在地面采集反映这急剧变化这一特征为物性基础的。室内物理种改变的大量电力数据，需经计算机模拟和现场试验检测显示，可以将煤的低温氧正反演来确定燃烧火源的地点和燃烧的进度，随着温度的加大，碳分解的越快就会使其活性越强，以致其电阻率飞快的下降。

3.热红外线测温法

地下煤层焚烧所产生的热量，一部分沿裂缝表面流出；另一部分，通过热传导的作用岩石地表形成不寻常的热区，该区域周围地表是温度不定，利用红外线测温设备测量红外线辐射就能得到被测物体表面的温度，发现火区范围温度异常，大致确定火区位置。这也是直接探测火灾的最简单方法。

4.同位素测氡法

煤田在废弃的小巷中传播速度最快，而且通常随着深度的增加，地表上的火区特征尚不清楚。在确定隐藏或半隐藏火灾区的边界方面，同位素测氡是非常有效的方法，成效显著。当煤田燃烧时，煤层的孔隙度增加，温度和压力增加，燃烧煤层所产生的其它气体以及热蒸汽等向上疏散，氡气的流动和速度大大增加，从而在火灾地区产生氡浓度比较高的数值区域。通过精确测量地表的氡气体浓度，可以确定燃烧区域的范围推断燃煤层中的燃烧情况。

5.高分辨电阻率法

由于燃烧煤层产生的大量热能，导致其本身和周围岩石发生了变化。高温导致岩层变形，导致电阻率值上升；在燃烧地区上面，由于煤层燃烧产生的水蒸汽的影响，电阻率低较同一水平地层的值偏低。因此，燃烧区的温度异常，改变了电阻率的数值，而电阻率是电法勘探的首要条件。这一方法是使用单极—偶极装置，对一条测量线上的地质剖面进行纵向和横向勘测，仪器沿测量线紧密结合，用于达到空间探测，并对异常的地质体进行多种覆盖。由于火灾区与巷道和现场以及燃烧后的小洞相连，高分辨电阻率法在地下洞穴和火灾区域具有很高的分辨率。根据电力特征的明显差异对火灾地区进行勘察和界定。

6.钻探验证

根据规范要求，在火区探测时期，物探结果应由钻探验证，这次火灾依据规范要求，在煤田火区选定一条物探线为钻探勘探线，必须进行钻探验证，其中在火区钻探方面，是检查物探结果的可靠性和煤田火区范围的准确性。

四、总结语

总的说来，随着我国社会发展的逐步稳定，煤炭技术在开发过程中取得了一定的成功，并大大提高了勘探的精确度和可信度。每个物探方法都有自身的局限性，提高勘探效率和准确度，选择合适的物探技术，结合地质钻探来表明勘探结果的准确度，这样能够很好的完成勘探任务。另外，为了在煤田火区勘探中展现出物探技术的作用，还需要提高整个煤田勘探队伍的质量和水平。

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