淺議煤田滅火工程中常用的物探方法

摘 要：總結了煤田滅火工程中常用的地球物理勘探方法，針對火區的溫度異常區和塌陷區、采空區分別作了討論，分析了每種物探方法的優缺點。

關鍵詞：物探；煤田火區；煤田滅火

要準確認識煤田火災，要了解火區的地質情況、發火原因、發火歷史，查明火區范圍內的煤層賦存和燃燒煤層情況，確定火區邊界和燃燒深度，然后對火災進行科學有效處理，對滅火效果進行評價。地球物理物探對火區勘察、滅火工程設計、施工和滅火效果評價有著舉足輕重的作用。煤田滅火中的物探方法主要用來探測高溫區的邊界和深度，還有煤層燃燒產生的塌陷區和之前煤礦開采導致的采空區（塌陷區和采空區對滅火施工中的人員生命安全和機械正常工作有著直接威脅）。煤層在燃燒過程中或者燃燒過后，會使所在區域的地球物理特征發生變化，主要體現在燃燒區域的溫度、電場、電阻率和磁場的變化上，還有塌陷區和采空區的電阻率變化和氡氣異常。

1 煤田火區的地球物理特征

1.1 溫度異常。溫度升高是煤層燃燒釋放熱量最直接的表現。煤田火災中的溫度異常表現為高溫異常。

1.2 自然電位異常。煤層燃燒會形成氧化還原環境，高溫區域聚集正電荷，高溫區域外部聚集負電荷。

1.3 電阻率異常。對燃燒區或高溫區而言，燃燒區一般為非金屬物質，嚴格地說非金屬物質都是半導體。在此類物質中，傳導電流是由受激進入導帶的電子遷移引起的，激發的能量來自熱擾動，因此非金屬材料的電阻率一般隨溫度的升高而降低，而相對于圍巖來說反映為低阻。并且煤層在燃燒過程中形成燃燒場，場的中央由于燃燒形成水蒸氣，表現為相對于原始地層的低阻異常。燃燒過的場會變得疏松多空，在蒸汽散失后表現為高阻。對于塌陷區和采空區，電阻率表現為高阻，如果沖水則表現為低阻。

1.4 磁異常。煤系地層頂底板中賦存著大量的鐵礦物成份（赤鐵礦、褐鐵礦、黃鐵礦、菱鐵礦），這些鐵礦物磁性微弱，而在煤層燃燒的作用下形成了大面積燒變巖體，冷卻過程中，燒變巖中的小磁疇會按照大地磁場重新排列，從而產生較強的磁性。

1.5 氡氣異常。煤層開采或者燃燒后，地下形成大面積采空區或者塌陷區，這些區域形成后，破壞了地層原有的天然應力狀態，引起應力重新分布，造成地面變形和裂縫，改變了地下氣體的運移和聚集環境，對氡氣的運移與富集有一定的控制作用。氡氣經裂縫向上運移，可在地表形成氡異常區。

2 煤田滅火工程中常用的物探方法

2.1 紅外成像。溫度不同，物體輻射出的紅外波頻率不同，紅外成像就是利用這個特性通過光學處理后形成溫度與圖像直觀對應的成像手段。該方法真實客觀、操作便捷，在煤田火區普查和滅火效果評價中經常用到。缺點是誤差較大，很難精確確定火區面積，觀測的是地表溫度異常，對地下異常空間展布的描述無能為力。

2.2 自然電位法。自然電位法是最古老的電法。如果高溫區域位于地下淺部位，在地表測線上的高溫區域表現為正電位，其他區域表現為負電位；如果高溫區域位于地下較深部位，在地表測線上的高溫區域表現為負電位，其他區域表現為正電位。燃燒區域深度超出一定范圍或者燃燒一段時間后，這種電性差異會表現微弱甚至沒有異常表現。

2.3 磁法。磁法是一種經濟、便捷的物探方法。巖石燃燒后獲得的磁性強弱與燃燒程度和燃燒溫度有關，燃燒溫度越接近居里點，冷卻后燒變巖的熱剩磁場就愈強，反之愈弱。燃燒區域的磁化率和剩余磁化強度的值一般是正常區域的幾倍至幾十倍，但是磁異常的形態與多種因素有關，比如異常體的形狀、產狀、大小，難以用數學方法計算其磁場分布，因此在實際中很難準確描述火燒區的位置，需要結合其他物探方法確定燃燒邊界，然后通過露頭產狀估算火燒區的深度，或者鉆探直接驗證。

2.4 瞬變電磁法。瞬變電磁法是基于電性差異的物探方法。其基本原理是法拉第電磁感應定律，在地面通過線圈供直流電形成穩定磁場，當電流突然斷開，由電流產生的磁場隨即消失，在地下感應出二次渦旋電流，渦旋電流隨時間推移呈環狀有地面向下、向外擴散。渦流的大小與地層電導率有關，并隨深度增加而衰減。利用地面的線圈或探頭接收渦旋電流產生的二次磁場的感生電動勢，根據隨時間變化按指數規律衰減的信號，經處理解釋就可反應地質體電性分布與賦存深度。基于這種特性，瞬變電磁法可以探測到燃燒區域的低阻特性和采空區（無充水）的高阻特性。瞬變電磁法的缺點是容易收到電磁干擾，工作時必須遠離市區和工礦企業。

2.5 探地雷達。探地雷達又稱地質雷達，作為一種反射波探測法，它利用發射天線向地下發射一定強度的短脈沖電磁波，電磁波在地下介質中傳播時遇到存在電性差異的界面時發生反射，通過接收天線來接收這些來自地下介質界面的反射信號，根據雷達波形、強度、雙程時間等參數推斷地下目標體的空間位置、結構、電性及幾何形態。具有探測速度快、分辨率高、抗電磁干擾能力強、現場能提供實時剖面記錄、圖像清晰直觀等優點。但是運用在煤田火區勘探中時，其探測深度較淺，無法滿足深部煤火勘探的要求。

2.6 活性炭測氡法。活性炭測氡法是一種靜態、累積的測氡方法。活性炭可以吸附各種氣、液態物質，具有較強的吸附能力。活性炭為非極性吸附劑，氡為非極性單原子分子。因此活性炭對氡具有較強的吸附能力。當氡運移到活性炭表面時，很快被吸附，造成其周圍的氡濃度降低。在濃度差的作用下，高濃度的氡不斷向活性炭運移，直至吸附的氡達到最大值，并與周圍的氡濃度達到平衡。地下煤炭燃燒勢必造成高溫高壓的環境，加之燃燒區頂部存在著大量的裂隙，這勢必加快氡氣上移的速度，因此能夠在地表形成較高的氡氣異常。活性炭測氡法具有靈敏度高、精度高、抗干擾強、探測深度大等優點，已經作為一種有效、便利的物探方法大量應用于煤礦采空區的探測和采空區煤層自燃中。該方法的缺點是由于地下情況極其復雜，地下的氡氣運移路徑曲折多變，測得的數據可能與測點正下方位置不對應。

3 結語

燃燒異常體在地下的分布往往是復雜的，而且各種物探方法的探測特性各異，煤層燃燒產生的異常在各種物探方法中的表現并不總是絕對的，要準確判斷異常位置，建議采用多種物探方法相互驗證，在滅火施工過程中采用鉆孔驗證。除上述物探方法外，對于淺部煤田火區，可嘗試高密度直流電法，對于還未被發現的深部煤田火災，可嘗試在勘查和監測階段應用淺層地震、無人機搭載高精度磁測和紅外探測等手段。

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作者簡介：袁宇（1987- ），男，湖北松滋人，碩士研究生，現主要從事煤田火區勘探與滅火工程評價研究工作。