現代勘查技術在蒙東地區煤炭火區中的應用

吉宏泰 梁 璐

(1.內蒙古煤田地質局煤炭地質調查院，內蒙古 呼和浩特 010010；2.上海海洋大學海洋科學學院，上海 201306)

現代勘查技術在蒙東地區煤炭火區中的應用

吉宏泰1梁 璐2

(1.內蒙古煤田地質局煤炭地質調查院，內蒙古 呼和浩特 010010；2.上海海洋大學海洋科學學院，上海 201306)

內蒙古自治區東部五盟市地區即蒙東地區,其褐煤資源豐富，煤炭自燃等級達Ⅰ～Ⅱ級，自燃傾向性為容易自燃—自燃。該地區煤炭資源的燃燒造成嚴重的人類健康、環境污染和經濟損失問題。收集了蒙東地區26處煤(礦)田火區勘查報告、物探總結等資料，結合蒙東地區環境、地質和煤質特點，以現代勘查技術在該區域的實際應用為基礎，總結了蒙東地區煤炭火區的遙感影響和地球物理技術特征，綜合利用勘探提供的信息圈定火燒區范圍、建立燃燒模型，各區均成功地完成了深部鉆探驗證工作，為災害區的治理提供了準確的依據。蒙東地區煤炭火區勘查的經驗，能夠為今后的煤炭火區勘查工作提供指導。

勘查 煤田火區 褐煤 蒙東地區

蒙東地區即內蒙古東部呼倫貝爾、興安盟、通遼、赤峰、錫林郭勒盟五盟市。總面積66.49萬km2，占全內蒙古自治區土地面積的56.2%。全國五大露天煤礦中伊敏(呼倫貝爾)、霍林河(通遼)、元寶山(赤峰)三大露天煤礦都在該地區。蒙東地區煤炭資源的特點：分布廣、儲量大，以褐煤(低灰褐煤)為主，煤層埋藏淺、厚煤層多、地質構造和水文地質條件簡單、層位穩定、煤田規模大、易開采。在該地區煤(礦)田煤炭資源的燃燒浪費了大量資源，同時對區域內的人類健康和環境造成很大影響。截至2011年，內蒙古自治區經濟委員會統計蒙東地區存在煤(礦)田火區：呼倫貝爾市2個，通遼市6個，興安盟未發現火區，赤峰市和錫林郭勒盟各有9個火區，共計26處煤(礦)田火區。火區總面積統計近300萬m2，直接經濟損失超過10億元。針對該地區出現的煤(礦)田火區災害，采用現代勘查技術方法和滅火治理工作，成功地完成了災害的治理工作，為后續的火區治理工作提供研究依據。

1 蒙東區域地質環境、煤炭及火區成因特征概述

1.1 區域地質環境特點

蒙東地區屬寒溫帶和中溫帶大陸性季風氣候，屬干旱和半干旱季風氣候。屬草原覆蓋地貌景觀區，巖層露頭連續性較差。地處華北陸臺與西伯利亞板塊之間的古生代構造-巖漿巖帶內。該區域主要構造-地質單元形成和演化劃分為兩階段：①晚二疊世之前，華北陸臺與西伯利亞板塊頻繁構造活動期；下部為前中生代變質巖塊體和海相火山巖-沉積巖;②晚二疊世后兩大古板塊拼接為統一大陸。上部為中新生代陸相含煤(油氣)沉積巖和中酸性火山巖。

除缺失太古宇和中生界三疊系外，其余地質時期地層均有出露。前寒武紀—古生代地層分布廣泛和海西—印支期巖漿巖十分發育[1]。

1.2 蒙東主要成煤時期和煤質特點

該地區主要的成煤時期為侏羅系和白堊系。

侏羅系分區地層特點：主要為興安地層分區(活動型)和二連地層分區(過渡型)東北部[2]，在中、下侏羅統集中賦存煤礦，如錫林郭勒盟地區阿拉坦合力群、大興安嶺地區的太平川組、紅旗組、新民組、呼倫貝爾地區侏羅系下統扎賚諾爾群(伊敏組、大磨拐河組)等。

煤的物理性質和化學特征：煤的顏色為黑色至深褐色，無光澤至玻璃光澤，煤巖組分以暗煤為主，少量亮煤和鏡煤，條帶結構。如海拉爾伊敏煤田侏羅系下統扎賚諾爾群大磨拐組煤質化學特點：煤水分(Mad)5.60%～16.58%，以中水分煤為主，灰分(Ad)0.82%～22.28%，揮發分(Vdaf)14.7%～26.29%，硫分(St.d)0.44%～0.70%，發熱量(Qgr,d)24.92～29.45 MJ/kg，低灰、低硫高熱值褐煤。

白堊系分區地層特點：主要為戈壁地層區(二連地層分區、海拉爾地層分區)，東北地層區，部分華北地層區(赤峰地層分區)。早白堊世小型斷陷盆地和融合性盆地發展的后期，普遍形成煤層，尤其隆起區的小型斷陷盆地，可形成規模巨大的煤礦。融合性盆地邊緣地帶沉積中，同樣存在較多的煤層[2]。錫林郭勒地區的巴彥花組等。

煤的物理性質和化學特征：煤的顏色為黑褐色至黑灰色，無光澤至油脂光澤，煤巖組分為鏡煤、亮煤、暗煤組成，以暗淡煤為主，夾絲炭層，具貝殼狀斷口，含黏土質黃鐵礦結核及方解石等礦物雜質。煤吸水性強，極易風化和自燃發火。煤的層理是連續的，有時有少許斷續的水平層理或緩波狀層理。如赤峰平莊煤田白堊系下統阜新組煤的化學性質：煤水分(Mad)1.72%～22.3%，平均14.81%，灰分(Ad)6.04%～36.96%，平均16.24%，硫分(St.d)0.53%～2.26%，平均1.13%，揮發分(Vdaf)10.5%～52.61%，干燥基高位發熱量(Qgr，d)>18.78 MJ/kg，低中灰、中硫、高熱值褐煤。

1.3 煤(礦)田火區成因

總結蒙東地區26處火區的起火原因和現場調查發現的問題，將該地區煤層火區成因分為以下幾點：

(1)蒙東地區屬大陸性季風氣候，氣候極為干燥，加之煤層埋藏較淺，煤炭種類主要以褐煤為主，燃點低，易風化碎裂，煤炭自燃等級達Ⅰ～Ⅱ級，自燃傾向性為容易自燃—自燃。

(2)深部煤層中典型氣態碳氫化合物(甲烷等)和含硫化合物(黃鐵礦等)氧化后放熱，其熱量蓄積引起煤層自燃。

(3)濫挖亂采形成多處小窯口、剝挖區以及塌陷裂隙帶，而沒有進行回填或封閉為煤層燃燒提供了供氧通道，使煤層能得到充分的通風供氧條件。

(4)煤礦開采中的人為因素引起煤炭自燃，如進行爆破、焊接等易產生放熱現象的工作。或者工作人員違規吸煙等引起火災[4]。

(5)煤炭賦存地區的自然災害，由于雷擊、植物燃燒、森林火災等引發的火災。

(6)為達到開采目的，進行人工縱火。

2 現代勘查技術在蒙東地區煤(礦)田火區應用

根據火源位置不同將火區分為地表燃燒區、地下燃燒區；根據燃燒程度不同分為充分燃燒區、燃燒區、半燃燒區、低燃燒區。根據不同情況所采取的主要勘查方法不同。

2.1 遙感技術

主要應用于工作區內人工勘查困難、地表大面積燃燒和完全燃燒區域。煤層自燃為耗散結構開放系統[5-6]，與外界存在物質能量交換引起物質成分和結構發生變化，引起遙感圖像光譜特征、結構特征和熱輻射等異常現象。煤層燃燒后，熱量沿裂隙向上逸出，在地表通過溫度測量可以發現熱異常區。由于熱異常區比地面溫度高，會形成較強的熱輻射，溫度越高，輻射越強。

(1)遙感結構信息分析特點。蒙東地區以褐煤為主，其抗壓強度弱。煤炭自燃過程中，當溫度達到擠壓強度的臨界點后，其擠壓強度隨溫度的增加快速下降。同時由于蒙東地區四季溫度變化明顯，圍巖易產生破碎，形成裂隙。在煤(礦)田火區范圍形成了彎曲沉降帶、裂隙帶和冒落帶。在高溫作用(大于500 ℃)強烈時，巖石發生熱破碎，在地表形成連續的裂隙帶。通過遙感衛星QuickBird的圖像的色調和空間信息，對比圖像解譯如表1，環狀影像特征未很好對應地質環境意義。

表1 遙感影像特征及地質意義

(2)多光譜特征分析特點。用Landsat系列衛星第6波段進行信息提取，TM從1～7進行分析，空間精度60～120 m。燃燒區光譜剖面特征：火區的反射光譜總體表現為TM5、TM7波段梯度變化很明顯，TM5>TM7>TM3，燃燒區呈明顯的峰值形態；煤炭燃燒區積雪的光譜剖面特征，主要反應為TM3>TM5>TM7特點；土壤光譜特征，顯示為燃燒的燒變土壤TM5>TM7>TM3，非火區土壤光譜特征TM5>TM7>TM3。

(3)熱輻射信息分析特點。主要測量地下燃燒煤層產生的熱量經裂隙或巖層傳導到地表形成的熱異常。其測量溫度一般高于地面環境溫度。熱輻射信息的遙感傳感器工作光譜波段選擇在中遠紅外波段，發射率數值選擇0.85[6]。火區地表一般呈弱熱輻射異常，而在裂縫或巖石松散地段，地下火區反映比較顯著，溫度50～500 ℃。在上覆地層小于100 m時，地表形成的熱異常基本與火區范圍對應，當深度增加時，無明火點的情況下，僅依靠巖層傳導到地表的熱輻射熱量有限。

2.2 地球物理技術

(1)磁法探測。在蒙東地區勘查主要采用地面高精度磁法測量，針對煤(礦)田地下的燃燒、半燃燒區或低燃燒區進行。從上世紀60年代初至今，已經證明煤炭火區燃燒當溫度達到400～800 ℃，磁場垂直分量增加到最高[5]，弱磁性礦物轉變為磁性礦物。在無氧、低磁場條件下煤炭和圍巖的鐵、磁性物質磁化率在400～500 ℃明顯升高2～3個數量級[7]。通過對蒙東地區煤(礦)田火區勘查中高精度磁法測量資料分析，發現在該區域煤炭火區高精度磁法反應的異常值并不高(除部分玄武巖蓋層地區異常值達到+1 000 nT以上)，基本在+100～+500 nT之間，通過反演計算可以推測煤層火區埋藏深度。值得注意的是煤層自燃區域，不僅表現出高的正磁異常特點，在淺部(50～100 m)深度，煤層燃燒、半燃燒區域，出現明顯的由負到正梯度變化(-100～+100)nT。通過對多個勘查區砂巖樣品進行磁化率測量發現，無火區砂巖磁化率(10～30)×10-5SI，火區砂巖磁化率(200～1 000)×10-5SI。

(2)電法探測。電法勘探種類較多，在煤炭火區勘查中主要采用自然電位法、高密度電阻率法、瞬變電磁法等。自然電位法因為設備便攜、測量速度快、異常特征明顯優勢為主要采用方法；高密度電阻率法在尋找充分燃燒區、地下塌陷區方面具有良好的效果；瞬變電磁法主要可應用于深度較大的隱伏煤層火區探測。蒙東地區26處火區勘查地區，應用自然電位法，普遍發現，在無明火點的半燃燒、低燃燒區自然電位異常主要成負值出現。進行測量時需要注意在煤層燃燒引起的塌陷區域內，有以前的積雪、積水應當盡量回避，在沒有礦井和電車產生游離電場等影響下，露天煤礦測量結果較好。在明火點位置上，測量時經常出現跳躍數值，需要多次測量取平均值。在圈定自然電位異常時，不能單純依靠等值線平面圖中的正負異常劃定范圍，還要注意到剖面平面圖中，各條剖面中強梯度變化點連線圈定的異常區域。

(3)放射性探測。依據煤層燃燒形成放射性氣體(氡氣、釷射氣)，常規采用放射性同位素氡氣測量方法。特別是在煤層火區燃燒時，其溫度越高，產生的氡濃度也越高，是比較理想的方法。蒙東地區采用土壤測量同位素氡法，以活性炭為吸附介質，在距地表80 cm左右，埋藏收集瓶，4～5 d后采集測量，采用CDTH(測氡探火)軟件處理。通過測氡方法，發現該區域采空區、塌陷區、井下巷道區和火燒冒煙區氡氣異常偏高，特別是在冒煙區，部分地區測氡值異常值最高，直接反應出著火點的位置。在地表(明火區)覆蓋層儲氣性較差的地層(基巖風化層、煤層風化層)測氡效果較差。測氡高異常與溫度高異常能較好地對應，但與磁法反應的正異常有一定位移偏差，推測可能由于磁法在燒變巖區仍可以測到較剩磁異常，測氡主要針對著火點位置反應偏高異常。

(4)溫度探測。主要采用地面測溫槍進行溫度測量。測溫法對明火和近地表火區反映明顯，效果較好，隨深度的增加，效果逐漸變差，需要注意的就是測溫異常受日溫變化影響較大。根據米溫度測量原理，在覆蓋層小于50 m時，溫度異常基本與淺地表煤層燃燒區中心位置對應；50～100 m時，熱量沿裂隙、巷道、通風口等散失；大于100 m時，熱量基本不傳導到地表。在50 m以內可以在地表形成熱異常，通過勘查區內溫度探測結果建立火區的燃燒模型[5]，按照溫度和地面調查特征將蒙東地區出現的煤(礦)田火區分為10個燃燒發展期：①風化期(地表溫度)無明顯燃燒現象，地表露頭出現風化碎裂；②氧化期(31～60 ℃)出現冒白氣和冒H2S氣體；③自燃期(61～100 ℃)冒白煙或者黑煙；④燃燒中心形成期(101～200 ℃)出現白煙或黑煙噴發現象；⑤燃燒系統形成期(201～300 ℃)裂隙熱流噴發，黑色濃煙；⑥全面燃燒期(300～500 ℃)出現紅火、高溫氣流噴出，燃燒區有白色燃燒殘留物；⑦持續燃燒期(大于500 ℃)在已開采小型煤窯口位置出現灰煙，高溫氣流噴出；⑧燒變巖形成期(500～201 ℃)出現白色粉末燒變板巖，橙紅色燒變砂巖，深黃色燒變黃土等；⑨休眠期(50～30 ℃)在未封閉的老窯，窯口有刺激性氣味；⑩熄滅期(30～地表溫度)封閉的老窯，窯口有燒變巖，呈白色灰燼狀。

通過歸納蒙東地區26處煤(礦)田火區在遙感和地球物理技術信息方面的特征得出的結果見表2。

表2 蒙東地區煤(礦)田火區遙感與地球物理信息特征分析

3 驗證及治理工作

3.1 驗證工作

根據勘查信息、燃燒模型圈定的火區范圍，與磁法、測氡反演推測的煤層火區深度進行驗證工作，在每個詳查區安排3～5個鉆孔，分為探火鉆孔、驗證火區邊界鉆孔和機動鉆孔。在鉆探驗證過程中，其中77%鉆孔在5～20 m，30～35 m,50～60 m發現煤層火區，僅個別區發現100 m左右的煤層火燒區，驗證效果良好。同時對見火鉆孔的井溫資料進行匯總，發現在熄滅后煤層及燒變巖層基本不存在井溫異常；而在自燃煤層頂底板的泥巖層中，由于形成堅固蓋層，一般反應井溫異常高于煤層本身。

3.2 治理工作

蒙東地區的煤(礦)田交通較便利，多數為露天開采，有排土場，土源充足、便捷。該地區僅有季節性水源，水源不充足。針對蒙東地區的煤(礦)田火區特點，以阻斷地表、地下供氧通道的方式，采用剝離、黃土覆蓋為主要方法，注水、注漿并用的綜合方法進行治理達到滅火效果。截止到2012年年底，蒙東地區26處火區已經全部治理完成。

4 結 論

(1)蒙東地區氣候特點突出，以干旱、半干旱為主，煤質主要以侏羅、白堊系褐煤為主，煤層出露淺，煤質水分含量中—少，易風化，易碎，容易發生煤層自燃現象。

(2)蒙東地區采用的現代勘查方法，遙感影像能夠較為準確地反應地表出現的一定寬度(30～50 m)左右范圍的燃燒區、明火區。在充分燃燒區、燃燒區、半燃燒區，地面高精度磁法能夠較為準確地圈定火區邊界，結合自然電位法異常范圍能夠確定火區面積范圍。同位素測氡法同樣可以確定火區邊界范圍，但針對火區邊界上著火點反應更加突出。

(3)勘查方法在應用過程中遇到的問題，遙感方法受圖像分辨率影響，地球物理技術中多數地面測量方法，不能在大面積明火區和嚴重塌陷區實施，自然電位法需避免地表游離電場的影響，同位素測氡地面溫度測量受到的干擾因素較多。

(4)結合遙感熱輻射特點和地表測溫測量，可建立煤層火區燃燒模型，根據燃燒模型、綜合勘查方法圈定的火區范圍及反演結果進行鉆探驗證，為災害治理工作提供準確詳實的依據。

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(責任編輯 石海林)

Application of Modern Prospecting Technology in Finding Coalfield Fires in Eastern Inner Mongolia

Ji Hongtai1Liang Lu2

(1.CoalfieldGeologicalResearchInstitute，CoalfieldGeologyBureauofInnerMongolia，Hohhot010010，China；2.CollegeofMarineSciences，ShanghaiOceanUniversity，Shanghai201306，China)

The eastern Inner Mongolia consists of five cities.The lignite resources are rich in the Eastern.The levels of coal spontaneous combustion reach I-II，belonging to the easy spontaneous combustion or spontaneous combustion.Coalfield fires in this area greatly affect the health of humans and results in the pollution of the environment and economic loss.After collecting the reports of the exploration and the papers of geophysics in the different 26 coal fires in Eastern Inner Mongolia，combining with the environment，geology and coals characteristics in this area，and also based on modern prospecting technology，the characteristics in remote sensing and geophysics in the Eastern are summarized.With the use of the exploration data，the boundary lines of coalfield fires are delineated and the model of coalfield fires is set up.Deep drills in each zone provide an accurate basis for the treatment of disaster zone.The experience of fire prospecting in the Eastern supplies a guide for the exploration of other coalfield fires in future.

Exploration，Coalfield fires，Lignite，Eastern Inner Mongolia

2015-02-07

內蒙古自治區煤田火區治理專項資金項目(編號：0651-Z09020168-7、BJMSJYNM-100008-1)。

吉宏泰(1984—)，男，工程師，碩士研究生。

TD17，TD752

A

1001-1250(2015)-04-186-05