利用三维立体空间模式探测技术对乌达煤田火区进行监测研究

丁占平 谭浩

作者简介：丁占平（1987-），男，宁夏鑫汇矿山勘查设计研究院有限公司，工程师。谭浩（1988-），男，宁夏回族自治区煤炭地质调查院，工程师。

摘 要： 介绍一套标准化火区监测技术，针对乌达煤田16个火区利用空中到地面，地面到地下的三维立体空间模式的探测手段进行全方位监测工作。总结近5年来火区监测工作的技术方法、取得成果，并对火区燃烧状态进行综合评价及评述火区治理效果等内容。

关键词： 乌达煤田;火区;监测;技术方法

【中图分类号】V556 【文献标识码】A 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.28.011

1 引言

乌达煤田煤层着火最早发生于1961年，经历了三个阶段的燃烧发展过程，由于其不断的迅猛发展，导致了煤田地表遭到严重破坏，地上、地下煤火相互贯通，热气、明火通过裂隙冲出地表，并在地表形成了众多燃烧中心高温区和燃烧带，出现了大量的地表蒸汽口、明火点及硫磺、芒硝等结晶体，植被随之出现死亡现象也愈演愈烈，造成的损失不可估量。

为此，矿方及相关单位积极组织，相继开展了火区勘查工作，圈定燃烧最大面积达349.61万m2，并将乌达煤田火区划分为苏海图火区、黄白茨火区和五虎山火区，共计16个分火区（编号为Ⅰ号～ⅩⅥ号）。随后在2006年开始对其实施精准灭火治理工程，历时8年时间，于2014年结束了治理工作。按照《煤田火灾灭火规范》的要求，在治理结束后利用三维立体空间模式探测手段对火区进行了监测工作，并对灭火后的火区状态进行相应的评价。

2 乌达煤田火区概况

苏海图火区包括6个分火区，编号为Ⅰ-Ⅵ号火区，火区总面积约为141.43万m2。火区涉及6、7、9、10、12号煤层。起火时间最早于1977年，从10号煤层自燃引起。自1985年小煤窑开采后，出现多处火源并蔓延扩大。黄白茨火区为1个火区，即Ⅶ号火区，火区面积共约31.94万m2。起火时间为1989年，从1、2号煤层小煤窑开采处自燃后蔓延扩大。五虎山火区包括9个分火区，编号为Ⅷ-ⅩⅥ号火区，火区总面积约为176.24万m2。起火时间均为1985年小煤窑开采之后，由于无序滥采乱掘引起自燃并蔓延扩大。表1为乌达煤田火区划分情况及特征表，火区分布相对位置具體见图1。

3 监测技术路线与方法

3.1 技术路线

监测工作采用的技术路线是从面到点、从空中到地面、从地面到地下的三维立体空间模式，以空中监测为依据，利用地面监测和地下监测等多种方法相结合进行综合监测，并依据灭火工程的实际条件，进一步综合评价灭火工程的效果。空中监测方法主要为航空遥感监测技术，地面监测方法主要为地面调查和红外线测温法，地下监测方法主要为同位素测氡法、磁法、孔中测温和气体分析法。通过各种方法现场采集数据资料，对获得的数据资料进行处理研究，分析乌达煤田内各分火区的燃烧状态。

3.2 监测方法

3.2.1 空中监测。

空中监测主要为航空遥感监测，分为自然彩色飞行监测和航空高光谱热红外飞行监测，共完成面积约50km2。在监测过程中通过利用最新的航空可见光照片，对整个监测区内地形地貌的变化程度进行详细的了解;利用航空热红外影像图，对乌达煤田全区地表热异常信息进行整体的了解和掌握。在对航空遥感监测的综合信息全方位分析基础上，结合以往火区勘查和研究资料来确定各火区的后续不同监测方法的合理安排和工作部署。

本次自然彩色航空飞行利用无人机搭载高分辨率数码相机进行拍摄，航摄比例尺1：18000-1：25500，平均航高800米，相机焦距35mm，航线方向南北飞行，旁向重叠度35%-45%，航向重叠度65%-80%，地面分辨率0.2m。航空高光谱热红外飞行使用TASI-600热红外成像光谱仪，可连续将大量热红外像片拍摄下来并储存到仪器内，然后进行图像的处理与影像拼接等，航摄比例尺1：30000-1：4000，平均航高1000m，航线方向南北飞行，旁向重叠度35%-45%，航向重叠度65%-80%，地面分辨率1.5m，光谱波段32个。坐标系统均采用1954北京坐标系，高程基准均采用1956黄海高程系。

3.2.2 地面监测。

地面监测所采用方法主要为地面调查和红外线测温法，利用这两种方法能够直接有效的判断火区燃烧状态。地面调查通过用手持式GPS采集特征点的坐标、用测温仪测量异常点温度、用数码相机拍摄照片、记录并描述特征点的属性，主要以地面大面积热异常区，明火点、地面塌陷区、裂隙、采掘坑、烧变岩、煤层露头、早期老窑等的燃烧状况作为调查内容。红外线测温法采用VC170I型便携式红外线测温仪，利用地下煤层燃烧产生的热异常区与周围地表形成的热反差，通过红外线辐射强度探测直接获得被测物体表面温度，圈定热异常范围，绘制地表热异常等温线图。

3.2.3 地下监测。由于地下煤火燃烧后能够产生多种异常，其中热异常和磁异常主要利用同位素测氡法、磁法等物探方法来进行探测，煤火燃烧所产生的温度变化和所释放的气体，利用监测钻孔进行孔中测温及气体分析的方法来进行监测，进而能够有效的判断地下煤火燃烧的状态。同位素测氡法使用KZ-D02型低本底α杯测氡仪，根据测得的氡气值大小，编制氡异常等值线图圈定氡值异常区，来判断地下煤层是否燃烧。磁法使用CZM-4型质子磁力仪，通过在不同时间测得磁异常特征编制磁异常平面剖面图进行对比分析，判断地下煤层的燃烧状态。孔中测温法采用XMZ-102型数字式热敏电阻钻孔温度测量仪，通过不同时间进行数据采集，获得温度场分布随时间的变化规律，评价煤田灭火效果。气体分析法采用旋片式真空泵及橡胶集气球胆，根据化验分析O2、N2、CO、CO2、CH4、C2H2、C2H6、C2H4等8种气体浓度结果随时间的变化规律来判断灭火工程效果。

4 火区监测研究

4.1 测网布设及完成工作量

本次火区监测研究物探工作布设网度为50m×10m，监测孔布设78个网度为100m×100m。共完成航空遥感监测50km2，地面调查8.59km2，物探测线300条，同位素测氡法物理点12870个，红外线测温点12887个，磁法物理点12870个，孔中测温584个，气体分析567组。

4.2 火区熄灭标准

根据《煤田火灾灭火规范》要求，煤田火区达到熄灭需满足以下标准：

（1）地表着火征状消失;

（2）各观测孔内气体温度呈持续下降趋势，全孔最高温度小于100℃，且90%以上观测孔最高温度稳定在70℃以下;

（3）各观测孔内一氧化碳浓度呈持续下降，孔内最高值小于500ppm，且90%以上观测孔一氧化碳最大浓度稳定在l00ppm以下;

（4）火区内磁场异常值基本稳定;

（5）火区内电异常有消失趋向;

（6）各观测孔内气体温度和一氧化碳浓度的月平均值连续6个月呈下降趋势。

4.3 监测工作

由于乌达煤田火区相对较多，本文重点以Ⅵ号火区进行详细叙述，以此来说明三维立体空间模式监测方法的应用效果。

Ⅵ号火区位于苏海图火区西南部，燃烧煤层为9号煤层，包括Ⅵ号和Ⅵ-Ⅱ号两个子火区，面积大范围广，主要分为回填治理区和渣堆覆盖区，布设监测钻孔18个，分布在火区的中东部回填治理区内，见图4-3-1。

图4-3-2左为航空遥感监测解译成果图，红色表示煤火高温区，黄色表示煤火异常区，蓝色表示热异常区。图4-3-2右为航空遥感监测圈定火区边界图，经现场验证后，Ⅵ-1号火区面积为2.17万m2，Ⅵ-2号火区面积5.71万m2，Ⅵ-3号火区面积为0.29万m2。

通过地面调查发现，Ⅵ号火区内地表大多被黄土或渣石堆覆盖，存在多个温个异常点，分布在渣堆边缘及坡脚。图4-3-3为回填覆盖渣堆燃烧温度异常点，在经黄土覆盖后，地表周围可见大片呈湿润、膨松、返潮的现象，并有硫磺、芒硝等物质析出，伴有刺鼻性气味的青烟冒出。

图4-3-4为Ⅵ号火区红外线测温法监测平面等值线图，颜色由蓝至红温度逐渐升高，温度异常主要分布在D15线200点～220点处、D21线270点～300点处和D22线190点～230点范围内，说明在测线D15线200m～220m处、D21线270m～300m处和D22线190m～230m处实测温度值与区域背景温度值相差较大，由此推断该火区存在温度异常区。

图4-3-5为Ⅵ号火区D21线同位素测氡法监测曲线图，氡值曲线呈“锯齿状”不断跳跃，主要在260点～300点之间异常明显增大，测氡值最大达到53N/min。由此可推断，该测线260～300m范围内为测氡异常区。

图4-3-6为Ⅵ号火区同位素测氡法监测平面等值线图，该火区内存在两处异常区，主要分布在D15线200m～220m处、D21线270m～300m处和D22线190m～230m处范围内，异常反映较为明显，根据监测区内的异常幅值和异常背景值的判断，选择“阀值”在计数值大于23N/3min的为氡异常，因此判断在D15线200m～220m、D21线270m～300m和D22线190m～230m范围为测氡异常区。

图4-3-7为Ⅵ号火区磁法监测平剖图，各测线上曲线异常形态基本一致，图中有两处异常区存在，异常表现较为明显，主要分布在D15线200点～220点、D21线270点～300点、D22线190点～230点区域，说明该范围内存在燃烧异常。

表4-3-1为18个监测钻孔孔中测温和气体分析CO浓度监测数据，从表中可看到，监测钻孔内温度连续7次监测均保持在70℃以下;气体分析CO浓度在整个监测过程中均为0ppm，并保持稳定状态。

图4-3-8为Ⅵ-17号钻孔孔中测温和气体分析CO浓度监测曲线图，随着监测工作的逐步进行，孔内温度持续稳定在70℃以下，CO浓度持续为0ppm，说明该孔内煤火逐渐熄灭，最终归为正常状态。

结合Ⅵ号火区各方法监测数据来看，该火区内存在两处异常区域，均为渣堆覆盖区燃烧引起的温度异常点，经过对渣堆燃烧的情况进行核实调查分析后发现，该异常点均为灭火治理工程在后期排放的渣石堆自燃所引起，与地下煤火燃烧并无关联;结合孔中测温和气体分析监测来看，Ⅵ号火区内各监测钻孔温度连续7次监测均保持在70℃以下，气体分析CO浓度在整个监测过程中均为0ppm，并保持稳定状态。

综合分析表明，Ⅵ号火区在经过灭火工程治理后地下煤火燃烧已熄灭，整个火区也已从燃烧状态逐渐恢复为正常状态。

4.4 监测结论

通过对乌达煤田内16个分火区进行综合监测后，各火区燃烧状态综合评价如下：Ⅰ号火区：已经熄灭，逐渐恢复为正常状态;Ⅱ号火区：已经熄灭，已恢复为正常状态;Ⅲ号火区：已经熄灭，逐渐恢复为正常状态;Ⅳ号火区：已经熄灭，已恢复为正常状态;Ⅴ号火区：已经熄灭，逐渐恢复为正常状

态;Ⅵ号火区：已经熄灭，逐渐恢复为正常状态;Ⅶ号火区：尚未完全熄灭，有待熄灭;Ⅷ号火区：已经熄灭，已恢复为正常状态;Ⅸ号火区：已经熄灭，逐渐恢复为正常状态;Ⅹ号火区：

已经熄灭，已恢复为正常状态;Ⅺ号火区：已经熄灭，逐渐恢复为正常状态;Ⅻ号火区：已经熄灭，已恢复为正常状态;ⅩⅢ号火区：已经熄灭，已恢复为正常状态;ⅩⅣ号火区：已经熄灭，已恢复为正常状态;ⅩⅤ号火区：已经熄灭，已恢复為正常状态;ⅩⅥ号火区：已经熄灭，已恢复为正常状态。

最终对火区治理效果评述为合格，16个火区均达到煤田火区熄灭标准。

5 结论

（1）利用三维空间立体模式的探测方法对各火区完成了异常监测工作，了解和掌握了正在熄灭的火区温度变化情况，圈定了地表热异常和地下氡异常分布范围，确定了地下煤火燃烧或熄灭的状态，最终对各火区灭火工程治理后的状态作出了综合性评价，从而达到了检验灭火工程的效果。

（2）本次火区监测研究工作的方法正确，技术路线合理有效，通过创新达到了预期的效果，对今后其他火区的监测工作有着重大的研究意义和实际应用潜能。

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