磁電異常聯(lián)用技術(shù)在礦井火區(qū)勘探中的應(yīng)用

周東東，何啟林，卓 輝，陸 偉

（安徽理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，安徽淮南 232001）

煤礦火源探測一直是煤田火災(zāi)研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)，其對于提高煤礦滅火工程的有效性、安全性與經(jīng)濟(jì)性具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。然而，由于存在著復(fù)雜的地質(zhì)條件，以及火災(zāi)區(qū)域擴(kuò)張的隱蔽性，所以對煤礦火災(zāi)的有效探測仍然是一個(gè)世界性的問題。根據(jù)煤礦火災(zāi)探測的研究現(xiàn)狀，地表測溫法一般用于火區(qū)物探結(jié)果的驗(yàn)證以及滅火工程后火區(qū)熄滅或復(fù)燃情況的監(jiān)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(qū)的弊端，目前主要用于大面積煤田火區(qū)的前期普查；測氣和測氡[3]等地球化學(xué)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(yīng)用較多且有前景的探測火災(zāi)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(hào)，也容易受到外界干擾信號(hào)的影響。因此，采用信號(hào)過濾，提取因火區(qū)溫度異常形成的異常磁電信號(hào)，并進(jìn)行規(guī)一化處理，得出火區(qū)綜合指數(shù)，并以此完善單一磁法與電法產(chǎn)生的信號(hào)偏差，克服其自身缺陷，提出采用磁電聯(lián)合勘探技術(shù)[5]以此來完成火源精探。

1 概況

新柳礦業(yè)周邊小煤窯數(shù)量眾多，大部分古窯距今有上百年的歷史，位置不清，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在井田范圍內(nèi)，不同年代開采的小煤窯上百個(gè)，到2018年，井田內(nèi)現(xiàn)有生產(chǎn)小煤礦還有36個(gè)，現(xiàn)已基本全部關(guān)閉。小煤礦存在越層、越界現(xiàn)象，他們不同程度地破壞了柳灣煤礦井田范圍內(nèi)的9#、10#、11#煤，給礦井生產(chǎn)與安全帶來巨大的經(jīng)濟(jì)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(shí)，發(fā)現(xiàn)柳灣煤礦的五盤區(qū)頂部有一個(gè)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(jìn)行堵漏，并采集井口冒煙氣樣用色譜分析[7]，連續(xù)采樣分析1個(gè)月，具體測試結(jié)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(shí)黃泥封堵措施，5 月份CO 氣體濃度出現(xiàn)持續(xù)下降狀態(tài)，礦方認(rèn)為火區(qū)可能熄滅或處于陰燃狀態(tài)，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(qū)?；鹎榈陌l(fā)生打亂了整個(gè)生產(chǎn)布局，必須進(jìn)行五盤區(qū)火源精準(zhǔn)探測與滅火工作。

2 磁電異常法聯(lián)合勘探火區(qū)位置

2.1 磁異常法勘探火區(qū)位置

對南上莊火區(qū)首先采用高精度磁法進(jìn)行了現(xiàn)場探測[8]，根據(jù)火區(qū)地質(zhì)和地形條件設(shè)計(jì)測線。測線的設(shè)計(jì)遵循原則：①測線應(yīng)垂直于火區(qū)走向；②測線長度穿過五盤區(qū)對應(yīng)的地面寬度；③測線兩端點(diǎn)位于五盤區(qū)邊界?；谝陨显瓌t，在南上莊火區(qū)平行布設(shè)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(diǎn)間距設(shè)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(gè)塊空白部分，很可能是由于磁力測定不準(zhǔn)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?yàn)榇盘綔y法對高溫火區(qū)不敏感，所以這個(gè)空白區(qū)域也有可能是煤層的自燃區(qū)域或高溫區(qū)域，依據(jù)目前的技術(shù)水平，對這兩種可能的區(qū)分還有很大的難度。

2.2 電位異常法完善磁探結(jié)果

為彌補(bǔ)缺陷，又利用火區(qū)電位異常探測法對磁法測定結(jié)果進(jìn)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(shù)據(jù)進(jìn)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(shù)據(jù)進(jìn)行提取和數(shù)值濾波，得到了五盤所在區(qū)域的煤炭自燃引起的電位異常數(shù)據(jù)，并利用該結(jié)果對磁異常檢測結(jié)果進(jìn)行了細(xì)化，利用火區(qū)磁異常檢測技術(shù)繪制了南上莊火區(qū)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(gè)火源中間出現(xiàn)了間斷區(qū)原來是煤正在燃燒區(qū)域，溫度最高的位置是磁異常檢測法無法準(zhǔn)確識(shí)別異常的位置，這一事實(shí)表明自然電位異常方法是對磁異常檢測方法產(chǎn)生的結(jié)果的有效補(bǔ)充方法。因此，利用磁電異常聯(lián)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(shù)勘探火區(qū)位置

3.1 井下探火巷道的施工

由于火區(qū)發(fā)生在井下盤區(qū)內(nèi)，若從地面打鉆滅火成本高，同時(shí)該區(qū)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(shí)還可能影響到五盤區(qū)及周邊相鄰礦井的生產(chǎn)。為了進(jìn)一步較準(zhǔn)確探定火區(qū)位置以提高滅火效果，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了從五盤區(qū)西翼回風(fēng)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?yàn)閹y溫桿紅外熱成像技術(shù)提供測定地點(diǎn)；②為施工火區(qū)位置驗(yàn)證鉆孔與滅火鉆孔提供操作空間；③能為實(shí)現(xiàn)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(fā)生在火源表面的溫度差異變化，根據(jù)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(jìn)一步分析紅外熱成像的理論機(jī)制[10]。自然點(diǎn)火是一個(gè)復(fù)雜的過程，自燃的程度因點(diǎn)火的位置和持續(xù)時(shí)間長短而不同，但整個(gè)過程仍然滿足熱平衡的方程?；鸬膫鳠釢M足兩個(gè)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(nèi)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(dāng)[11]。

（2）自燃煤層產(chǎn)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(dāng)傳熱平衡要求得到滿足時(shí)，用紅外熱成像探測器探測表面溫度，這樣就可以用反演計(jì)算法確定煤層內(nèi)自燃火源的位置。巖層導(dǎo)熱和發(fā)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(diǎn)i點(diǎn)的距離，m；tf0為火源的溫度，℃；tfi為探測點(diǎn)某點(diǎn)i的溫度，℃；tfl為周圍環(huán)境空氣的溫度，℃；λ為巖層的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；α為巖層的對流換熱系數(shù)，W/(m·℃)；l為火源長度，m。

總熱阻R可通過將巖層熱傳導(dǎo)的熱阻和煤層表面的對流傳熱加在一起計(jì)算，即：

由式(1)和(2)得傳熱量為：

探測位置表面溫度和探測點(diǎn)的溫度差為：

3.3 紅外熱成像技術(shù)勘探火源

利用SAT-YRH250 礦用本質(zhì)安全型紅外熱成像儀，采用連續(xù)性對西翼回風(fēng)巷靠近探火巷側(cè)、探火巷道兩幫、探火巷道迎頭地點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場拍攝，各考察點(diǎn)布置圖如圖4。每次都要測量各考察點(diǎn)的溫度，以掌握各個(gè)考察點(diǎn)溫度變化規(guī)律。所測數(shù)據(jù)見表1。

表1 各考察點(diǎn)每次測定溫度結(jié)果/℃

圖4 紅外成像儀考察點(diǎn)布置示意圖

通過各點(diǎn)溫度變化分析五盤區(qū)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(dǎo)桿測定煤層溫度梯度，所測數(shù)據(jù)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(shù)探測火源位置及分布如圖5。礦上依據(jù)該測定結(jié)果，制定井下抑爆與滅火方案，采用N2 抑爆，采用滅火膠體進(jìn)行滅火，共向火區(qū)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(qū)徹底消滅，保證了五盤工作面布置與后期正常生產(chǎn)。

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(shù)探測火源分布圖

為了比較兩種方法探測火源方法準(zhǔn)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(lián)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(shù)探測的火源位置分布有較大重疊性，說明磁電異常聯(lián)用探測火源方法可以作為煤礦大面積火區(qū)初探技術(shù)使用，此探測結(jié)果可為礦井井下進(jìn)一步準(zhǔn)確探測火源提供指導(dǎo)。

圖6 兩種探測方法確定火源位置布置圖

4 結(jié)語

（1）利用磁電異常數(shù)據(jù)聯(lián)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(xiàn)大面積火區(qū)，利用磁電異常聯(lián)用初探火源位置、利用帶測溫桿的紅外火成像反演技術(shù)及有限驗(yàn)證鉆孔測溫驗(yàn)證的綜合探測方法，能準(zhǔn)確火源位置、火源邊界及火源溫度，為滅火工作提供科學(xué)指導(dǎo)。