磁電異常聯用技術在礦井火區勘探中的應用

周東東，何啟林，卓 輝，陸 偉

（安徽理工大學安全科學與工程學院，安徽淮南 232001）

煤礦火源探測一直是煤田火災研究的重點與難點，其對于提高煤礦滅火工程的有效性、安全性與經濟性具有十分重要的現實意義。然而，由于存在著復雜的地質條件，以及火災區域擴張的隱蔽性，所以對煤礦火災的有效探測仍然是一個世界性的問題。根據煤礦火災探測的研究現狀，地表測溫法一般用于火區物探結果的驗證以及滅火工程后火區熄滅或復燃情況的監測和判別[1]；遙感法[2]因圖像分辨率低且不能探測深部火區的弊端，目前主要用于大面積煤田火區的前期普查；測氣和測氡[3]等地球化學方法精度低，易受外界條件等影響，抗干擾性差。磁法、自然電位法[4]是目前應用較多且有前景的探測火災的地球物理方法，但是單一的磁法或電法探測火源都存在著無法解釋一些雜散信號，也容易受到外界干擾信號的影響。因此，采用信號過濾，提取因火區溫度異常形成的異常磁電信號，并進行規一化處理，得出火區綜合指數，并以此完善單一磁法與電法產生的信號偏差，克服其自身缺陷，提出采用磁電聯合勘探技術[5]以此來完成火源精探。

1 概況

新柳礦業周邊小煤窯數量眾多，大部分古窯距今有上百年的歷史，位置不清，據不完全統計，在井田范圍內，不同年代開采的小煤窯上百個，到2018年，井田內現有生產小煤礦還有36個，現已基本全部關閉。小煤礦存在越層、越界現象，他們不同程度地破壞了柳灣煤礦井田范圍內的9#、10#、11#煤，給礦井生產與安全帶來巨大的經濟損失與事故隱患。2021年5月，南上莊的煤礦工人在檢查小煤窯的分布情況時，發現柳灣煤礦的五盤區頂部有一個正在冒煙的廢棄小井口。礦方立即采取措施，決定使用黃泥漿[6]進行堵漏，并采集井口冒煙氣樣用色譜分析[7]，連續采樣分析1個月，具體測試結果如圖1。

圖1 南上莊小井煙氣中CO濃度的變化圖

由于采取了臨時黃泥封堵措施，5 月份CO 氣體濃度出現持續下降狀態，礦方認為火區可能熄滅或處于陰燃狀態，但到2021 年8 月6 日，從小井冒出的煙氣又變濃，除了從南上莊廢棄小井附近向外冒煙外，五盤所在地面其它有縫隙處還是有煙向外冒出，說明井田下面存在火區?；鹎榈陌l生打亂了整個生產布局，必須進行五盤區火源精準探測與滅火工作。

2 磁電異常法聯合勘探火區位置

2.1 磁異常法勘探火區位置

對南上莊火區首先采用高精度磁法進行了現場探測[8]，根據火區地質和地形條件設計測線。測線的設計遵循原則：①測線應垂直于火區走向；②測線長度穿過五盤區對應的地面寬度；③測線兩端點位于五盤區邊界?；谝陨显瓌t，在南上莊火區平行布設了10條測線，各測線走向90°，測線間距均為15 m，測線總長度700 m，測點間距設為5 m，具體布置參見等高線圖（圖2）。

圖2 磁異常探法測定的南上莊火源分布圖

從圖2知，磁異常探測得火源主要在廢棄的小煤窯井口附近，而且向四周輻射，但中間有一個塊空白部分，很可能是由于磁力測定不準確造成的，這是在小煤窯開采的早期階段被遺棄的舊巷道帶來的，但是又因為磁探測法對高溫火區不敏感，所以這個空白區域也有可能是煤層的自燃區域或高溫區域，依據目前的技術水平，對這兩種可能的區分還有很大的難度。

2.2 電位異常法完善磁探結果

為彌補缺陷，又利用火區電位異常探測法對磁法測定結果進一步完善。選用WDJD-1 直流激電儀和一對Cu-CuSO4非極化電極對自然電位數據進行采集。自然電位的測量[9]位置是按照磁異常檢測方法確定的。對自然電位數據進行提取和數值濾波，得到了五盤所在區域的煤炭自燃引起的電位異常數據，并利用該結果對磁異常檢測結果進行了細化，利用火區磁異常檢測技術繪制了南上莊火區分布圖，如圖3。

圖3 磁電異常探法測定的南上莊火源分布圖

從圖3知，原先僅用磁異常探測法圈定兩個火源中間出現了間斷區原來是煤正在燃燒區域，溫度最高的位置是磁異常檢測法無法準確識別異常的位置，這一事實表明自然電位異常方法是對磁異常檢測方法產生的結果的有效補充方法。因此，利用磁電異常聯用探測大面積火源方法具有較高可靠性。

3 紅外熱成像技術勘探火區位置

3.1 井下探火巷道的施工

由于火區發生在井下盤區內，若從地面打鉆滅火成本高，同時該區域存在很多早期開采的小煤窯及廢棄巷道，連通性較好，所以從地面鉆孔向下灌漿或注滅火材料效果不好，同時還可能影響到五盤區及周邊相鄰礦井的生產。為了進一步較準確探定火區位置以提高滅火效果，實驗設計了從五盤區西翼回風巷向南上莊廢棄井口方向施工一條探火巷道。該探火巷道的作用為：①通過該探火巷道能夠為帶測溫桿紅外熱成像技術提供測定地點；②為施工火區位置驗證鉆孔與滅火鉆孔提供操作空間；③能為實現近距離滅火提供通道。

3.2 自燃火源傳熱模型建立

為了研究發生在火源表面的溫度差異變化，根據自燃火源的熱平衡建立火源的傳熱模型是非常必要的，從而進一步分析紅外熱成像的理論機制[10]。自然點火是一個復雜的過程，自燃的程度因點火的位置和持續時間長短而不同，但整個過程仍然滿足熱平衡的方程?；鸬膫鳠釢M足兩個條件：

（1）熱量傳播是以熱源為中心的球面式傳播，從自燃煤層內部到表面的熱量傳遞與從煤層表面到探測煤層的其他方向的熱量散失相當[11]。

（2）自燃煤層產生的熱量與從煤層到向下探測的煤層的傳遞的熱量相同。

當傳熱平衡要求得到滿足時，用紅外熱成像探測器探測表面溫度，這樣就可以用反演計算法確定煤層內自燃火源的位置。巖層導熱和發生自燃的煤層表面所具有的對流換熱的熱阻分別為R1和R2，則有：

式中：d0為火源的直徑，m；di為火源中心到探測地點i點的距離，m；tf0為火源的溫度，℃；tfi為探測點某點i的溫度，℃；tfl為周圍環境空氣的溫度，℃；λ為巖層的導熱系數，W/(m·℃)；α為巖層的對流換熱系數，W/(m·℃)；l為火源長度，m。

總熱阻R可通過將巖層熱傳導的熱阻和煤層表面的對流傳熱加在一起計算，即：

由式(1)和(2)得傳熱量為：

探測位置表面溫度和探測點的溫度差為：

3.3 紅外熱成像技術勘探火源

利用SAT-YRH250 礦用本質安全型紅外熱成像儀，采用連續性對西翼回風巷靠近探火巷側、探火巷道兩幫、探火巷道迎頭地點進行現場拍攝，各考察點布置圖如圖4。每次都要測量各考察點的溫度，以掌握各個考察點溫度變化規律。所測數據見表1。

表1 各考察點每次測定溫度結果/℃

圖4 紅外成像儀考察點布置示意圖

通過各點溫度變化分析五盤區探火巷道周圍深部煤體溫度變化情況，并在巷道壁面從21℃升到43℃處開始布置測溫導桿測定煤層溫度梯度，所測數據見表2。通過反演畫出溫度場分布，最終利用帶有測溫桿的紅外成像反演技術探測火源位置及分布如圖5。礦上依據該測定結果，制定井下抑爆與滅火方案，采用N2 抑爆，采用滅火膠體進行滅火，共向火區壓注了110 t 滅火膠體的粉料，通過65 d 井下滅火工作，將南上莊火區徹底消滅，保證了五盤工作面布置與后期正常生產。

表2 探火道壁面平均溫度增加梯度

圖5 帶有測溫桿的紅外火成像反演技術探測火源分布圖

為了比較兩種方法探測火源方法準確性，將兩種方法探測出來的圖形，放置到一張圖上（圖6），可見利用磁電異常聯用探測大面積火源方法與井下帶有測溫桿的紅外火成像反演技術探測的火源位置分布有較大重疊性，說明磁電異常聯用探測火源方法可以作為煤礦大面積火區初探技術使用，此探測結果可為礦井井下進一步準確探測火源提供指導。

圖6 兩種探測方法確定火源位置布置圖

4 結語

（1）利用磁電異常數據聯用探測大面積火源方法是可行的，可以提高探測火源精度。

（2）對于煤礦出現大面積火區，利用磁電異常聯用初探火源位置、利用帶測溫桿的紅外火成像反演技術及有限驗證鉆孔測溫驗證的綜合探測方法，能準確火源位置、火源邊界及火源溫度，為滅火工作提供科學指導。