磁电异常联用技术在矿井火区勘探中的应用

周东东，何启林，卓 辉，陆 伟

（安徽理工大学安全科学与工程学院，安徽淮南 232001）

煤矿火源探测一直是煤田火灾研究的重点与难点，其对于提高煤矿灭火工程的有效性、安全性与经济性具有十分重要的现实意义。然而，由于存在着复杂的地质条件，以及火灾区域扩张的隐蔽性，所以对煤矿火灾的有效探测仍然是一个世界性的问题。根据煤矿火灾探测的研究现状，地表测温法一般用于火区物探结果的验证以及灭火工程后火区熄灭或复燃情况的监测和判别[1]；遥感法[2]因图像分辨率低且不能探测深部火区的弊端，目前主要用于大面积煤田火区的前期普查；测气和测氡[3]等地球化学方法精度低，易受外界条件等影响，抗干扰性差。磁法、自然电位法[4]是目前应用较多且有前景的探测火灾的地球物理方法，但是单一的磁法或电法探测火源都存在着无法解释一些杂散信号，也容易受到外界干扰信号的影响。因此，采用信号过滤，提取因火区温度异常形成的异常磁电信号，并进行规一化处理，得出火区综合指数，并以此完善单一磁法与电法产生的信号偏差，克服其自身缺陷，提出采用磁电联合勘探技术[5]以此来完成火源精探。

1 概况

新柳矿业周边小煤窑数量众多，大部分古窑距今有上百年的历史，位置不清，据不完全统计，在井田范围内，不同年代开采的小煤窑上百个，到2018年，井田内现有生产小煤矿还有36个，现已基本全部关闭。小煤矿存在越层、越界现象，他们不同程度地破坏了柳湾煤矿井田范围内的9#、10#、11#煤，给矿井生产与安全带来巨大的经济损失与事故隐患。2021年5月，南上庄的煤矿工人在检查小煤窑的分布情况时，发现柳湾煤矿的五盘区顶部有一个正在冒烟的废弃小井口。矿方立即采取措施，决定使用黄泥浆[6]进行堵漏，并采集井口冒烟气样用色谱分析[7]，连续采样分析1个月，具体测试结果如图1。

图1 南上庄小井烟气中CO浓度的变化图

由于采取了临时黄泥封堵措施，5 月份CO 气体浓度出现持续下降状态，矿方认为火区可能熄灭或处于阴燃状态，但到2021 年8 月6 日，从小井冒出的烟气又变浓，除了从南上庄废弃小井附近向外冒烟外，五盘所在地面其它有缝隙处还是有烟向外冒出，说明井田下面存在火区。火情的发生打乱了整个生产布局，必须进行五盘区火源精准探测与灭火工作。

2 磁电异常法联合勘探火区位置

2.1 磁异常法勘探火区位置

对南上庄火区首先采用高精度磁法进行了现场探测[8]，根据火区地质和地形条件设计测线。测线的设计遵循原则：①测线应垂直于火区走向；②测线长度穿过五盘区对应的地面宽度；③测线两端点位于五盘区边界。基于以上原则，在南上庄火区平行布设了10条测线，各测线走向90°，测线间距均为15 m，测线总长度700 m，测点间距设为5 m，具体布置参见等高线图（图2）。

图2 磁异常探法测定的南上庄火源分布图

从图2知，磁异常探测得火源主要在废弃的小煤窑井口附近，而且向四周辐射，但中间有一个块空白部分，很可能是由于磁力测定不准确造成的，这是在小煤窑开采的早期阶段被遗弃的旧巷道带来的，但是又因为磁探测法对高温火区不敏感，所以这个空白区域也有可能是煤层的自燃区域或高温区域，依据目前的技术水平，对这两种可能的区分还有很大的难度。

2.2 电位异常法完善磁探结果

为弥补缺陷，又利用火区电位异常探测法对磁法测定结果进一步完善。选用WDJD-1 直流激电仪和一对Cu-CuSO4非极化电极对自然电位数据进行采集。自然电位的测量[9]位置是按照磁异常检测方法确定的。对自然电位数据进行提取和数值滤波，得到了五盘所在区域的煤炭自燃引起的电位异常数据，并利用该结果对磁异常检测结果进行了细化，利用火区磁异常检测技术绘制了南上庄火区分布图，如图3。

图3 磁电异常探法测定的南上庄火源分布图

从图3知，原先仅用磁异常探测法圈定两个火源中间出现了间断区原来是煤正在燃烧区域，温度最高的位置是磁异常检测法无法准确识别异常的位置，这一事实表明自然电位异常方法是对磁异常检测方法产生的结果的有效补充方法。因此，利用磁电异常联用探测大面积火源方法具有较高可靠性。

3 红外热成像技术勘探火区位置

3.1 井下探火巷道的施工

由于火区发生在井下盘区内，若从地面打钻灭火成本高，同时该区域存在很多早期开采的小煤窑及废弃巷道，连通性较好，所以从地面钻孔向下灌浆或注灭火材料效果不好，同时还可能影响到五盘区及周边相邻矿井的生产。为了进一步较准确探定火区位置以提高灭火效果，实验设计了从五盘区西翼回风巷向南上庄废弃井口方向施工一条探火巷道。该探火巷道的作用为：①通过该探火巷道能够为带测温杆红外热成像技术提供测定地点；②为施工火区位置验证钻孔与灭火钻孔提供操作空间；③能为实现近距离灭火提供通道。

3.2 自燃火源传热模型建立

为了研究发生在火源表面的温度差异变化，根据自燃火源的热平衡建立火源的传热模型是非常必要的，从而进一步分析红外热成像的理论机制[10]。自然点火是一个复杂的过程，自燃的程度因点火的位置和持续时间长短而不同，但整个过程仍然满足热平衡的方程。火的传热满足两个条件：

（1）热量传播是以热源为中心的球面式传播，从自燃煤层内部到表面的热量传递与从煤层表面到探测煤层的其他方向的热量散失相当[11]。

（2）自燃煤层产生的热量与从煤层到向下探测的煤层的传递的热量相同。

当传热平衡要求得到满足时，用红外热成像探测器探测表面温度，这样就可以用反演计算法确定煤层内自燃火源的位置。岩层导热和发生自燃的煤层表面所具有的对流换热的热阻分别为R1和R2，则有：

式中：d0为火源的直径，m；di为火源中心到探测地点i点的距离，m；tf0为火源的温度，℃；tfi为探测点某点i的温度，℃；tfl为周围环境空气的温度，℃；λ为岩层的导热系数，W/(m·℃)；α为岩层的对流换热系数，W/(m·℃)；l为火源长度，m。

总热阻R可通过将岩层热传导的热阻和煤层表面的对流传热加在一起计算，即：

由式(1)和(2)得传热量为：

探测位置表面温度和探测点的温度差为：

3.3 红外热成像技术勘探火源

利用SAT-YRH250 矿用本质安全型红外热成像仪，采用连续性对西翼回风巷靠近探火巷侧、探火巷道两帮、探火巷道迎头地点进行现场拍摄，各考察点布置图如图4。每次都要测量各考察点的温度，以掌握各个考察点温度变化规律。所测数据见表1。

表1 各考察点每次测定温度结果/℃

图4 红外成像仪考察点布置示意图

通过各点温度变化分析五盘区探火巷道周围深部煤体温度变化情况，并在巷道壁面从21℃升到43℃处开始布置测温导杆测定煤层温度梯度，所测数据见表2。通过反演画出温度场分布，最终利用带有测温杆的红外成像反演技术探测火源位置及分布如图5。矿上依据该测定结果，制定井下抑爆与灭火方案，采用N2 抑爆，采用灭火胶体进行灭火，共向火区压注了110 t 灭火胶体的粉料，通过65 d 井下灭火工作，将南上庄火区彻底消灭，保证了五盘工作面布置与后期正常生产。

表2 探火道壁面平均温度增加梯度

图5 带有测温杆的红外火成像反演技术探测火源分布图

为了比较两种方法探测火源方法准确性，将两种方法探测出来的图形，放置到一张图上（图6），可见利用磁电异常联用探测大面积火源方法与井下带有测温杆的红外火成像反演技术探测的火源位置分布有较大重叠性，说明磁电异常联用探测火源方法可以作为煤矿大面积火区初探技术使用，此探测结果可为矿井井下进一步准确探测火源提供指导。

图6 两种探测方法确定火源位置布置图

4 结语

（1）利用磁电异常数据联用探测大面积火源方法是可行的，可以提高探测火源精度。

（2）对于煤矿出现大面积火区，利用磁电异常联用初探火源位置、利用带测温杆的红外火成像反演技术及有限验证钻孔测温验证的综合探测方法，能准确火源位置、火源边界及火源温度，为灭火工作提供科学指导。