張辛亥，程望收，李勛廣，苗于惠，竇 凱，朱 輝，趙 斌，陳 飛，楊少雄

（1.西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；內(nèi)蒙古伊泰煤炭股份有限公司 凱達(dá)煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

煤田火區(qū)范圍的圈定及其演化規(guī)律是對(duì)煤火進(jìn)行高效治理的前提條件。煤巖通過高溫處理后的磁性變化規(guī)律為磁法探測(cè)提供理論依據(jù)，因此近年來關(guān)于高溫煤巖磁異常特征及應(yīng)用磁法有效探測(cè)煤田火災(zāi)范圍的研究越來越多[1-2]。但隱蔽火源探測(cè)仍然是個(gè)難題，目前，一般情況下高溫燃燒會(huì)引起磁異常，磁異常規(guī)律是磁法探測(cè)的基礎(chǔ)，不同煤層高溫下引起物理化學(xué)變化不同，產(chǎn)生磁異常規(guī)律不同[3-5]。

國內(nèi)外已開展了不同溫度下砂巖、粉砂巖、泥巖等不同巖性、不同鐵質(zhì)礦物含量的巖石樣品的磁化率的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和實(shí)驗(yàn)室研究[6]。Hooper學(xué)者通過大量磁化率測(cè)量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)燒變巖和正常巖之間的磁化率具有顯著的差異，提出大多數(shù)巖石的磁化率與其鐵磁性物質(zhì)的含量成正比[7]。鄧軍等指出探測(cè)煤田火區(qū)最有效的途徑就是磁法[8]。Beiki等提出可以利用磁場(chǎng)模量的梯度張量計(jì)算歸一化磁源強(qiáng)度方法來估計(jì)磁性目標(biāo)體的位置[9]。張辛亥通過實(shí)驗(yàn)表明煤比巖石和煤矸石的磁化率在較高的溫度下更高，更敏感[10]。目前，尚未將燃燒前后煤巖磁性的變化規(guī)律和現(xiàn)場(chǎng)煤田火區(qū)探測(cè)到的磁異常規(guī)律結(jié)合起來分析。為此，對(duì)在不同狀態(tài)以及不同溫度下引起煤巖磁場(chǎng)發(fā)生變化的原因、機(jī)理、規(guī)律進(jìn)行探究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

物體的質(zhì)量磁化率是單位磁場(chǎng)強(qiáng)度在單位質(zhì)量物體上產(chǎn)生的磁矩，可表示為：

式中：χ為物體的質(zhì)量磁化率，m3/kg；k為物體的磁化率；ρ為物體的密度，kg/m3。

當(dāng)試樣置于兩磁極中間，其在豎直方向所受的磁場(chǎng)力f可表示為：

式中：u0為真空磁導(dǎo)率，u0=4π×10-7N/A2；χg為樣品物質(zhì)比磁化，m3/kg；δ為樣品松散密度，kg/m3；S為樣品橫截面積，m2；H1、H2為樣品兩端最高和最低磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m。

當(dāng)樣品足夠長(zhǎng)時(shí)，H2≈0，

樣品在磁場(chǎng)中增加的質(zhì)量為

式中：△m為樣品在磁場(chǎng)中的質(zhì)量增加值，kg；g為重力加速度，g=9.80 m/s2。

由于豎直方向只受安培力和重力，所以樣品在磁場(chǎng)中增加的重力就是所受的磁場(chǎng)力，由式（3）、式（4）可得：

式中：m為樣品質(zhì)量（m=IδS），kg；I為樣品長(zhǎng)度，m。

從式（5）可知，I、g、m均為已知常數(shù)，通過改變H1的值，測(cè)出△m大小，便可以計(jì)算出χg的值。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

主要試驗(yàn)設(shè)備包括改良古埃型磁測(cè)儀、精密電子天平、馬弗爐，制備樣品的設(shè)備包括顎式破碎機(jī)、振篩機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)套篩、球磨機(jī)等，古埃型磁化率測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

圖1 古埃型磁化率測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the structure of the Gu’ai type magnetic susceptibility measuring instrument

先將所選煤樣以及巖石樣品利用顎式破碎機(jī)、振篩機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)套篩、球磨機(jī)破碎、研磨、篩選出2組相同粒徑（0.9～3.0 mm）的煤巖樣品，第1組放置在實(shí)驗(yàn)室室溫（25℃）的環(huán)境中，將其他7組放置在加熱爐中對(duì)其進(jìn)行溫控加熱（溫度分別控制在100、200、300、400、500、600、700℃）達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求的溫度后，在保持恒溫的基礎(chǔ)上再繼續(xù)加熱30 min，然后按要求取出加熱處理后的煤樣品并將其置于室溫中。根據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟，將8組煤樣放入樣品管中，用磁天平在0.5 T的磁感應(yīng)強(qiáng)度下測(cè)量其磁化率，在測(cè)量過程中加熱另1組，每50°C記錄1次數(shù)據(jù)。

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

升溫煤及燒變煤磁化率與溫度的關(guān)系如圖2。在25～250℃的范圍內(nèi)，升溫煤和燒變煤的磁化率變化趨勢(shì)相對(duì)相似，兩者都隨溫度的升高而逐漸增加，且升溫煤磁化率增長(zhǎng)速率略高。在250～350℃的溫度范圍內(nèi)，升溫煤的磁化率迅速增加，在350°C時(shí)達(dá)到最大值；在這個(gè)升溫過程中，燒變煤的磁化率比升溫煤增長(zhǎng)速率低很多，但仍處于增長(zhǎng)階段。在350～500℃時(shí)，升溫煤的磁化率迅速下降，在500℃時(shí)下降到負(fù)值；此階段，燒變煤的磁化率在增長(zhǎng)率變小的情況下依然呈增加趨勢(shì)。最終，在500～700℃的溫度范圍內(nèi)燒變煤保持前期的穩(wěn)定趨勢(shì)，升溫煤變成弱磁性體，隨溫度而波動(dòng)，總體變化不大。

圖2 升溫煤及燒變煤磁化率與溫度的關(guān)系Fig.2 Relationship between temperature-increasing coal and burnt coal susceptibility and temperature

為了進(jìn)一步研究溫度對(duì)煤巖磁性磁化率影響內(nèi)在機(jī)理，實(shí)驗(yàn)對(duì)常溫下和經(jīng)過不同溫度灼燒過的煤巖組分利用（XRD-7000型，X-射線衍射儀）做進(jìn)一步檢測(cè)。將煤試樣破碎并研磨為粒徑200目（75 μm），分別對(duì)2種試樣進(jìn)行加熱，加熱溫度范圍為室溫到700℃，空氣環(huán)境，每100℃1個(gè)試樣點(diǎn)，每個(gè)試樣恒溫加熱40 min。加熱器是馬弗爐，在實(shí)驗(yàn)開始之前先對(duì)加熱儀器進(jìn)行預(yù)熱，達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需的溫度后，將樣品在恒溫下加熱40 min，然后將加熱后的樣品放置在空氣進(jìn)行冷卻。

常溫煤的衍射圖譜如圖3，圖中θ為衍射角。由圖3可知，實(shí)驗(yàn)中煤的礦物成分主要為方解石（GaCO3）、石英（SiO2）和高嶺土（Al2Si2O5（OH）4），衍射最高峰礦物質(zhì)為方解石，含有少量的赤鐵礦（Fe2O3）和黃鐵礦（FeS2）。

500℃與700℃加熱處理后煤的衍射圖譜如圖4。由圖3和圖4可以看出，經(jīng)過500℃加熱處理后試樣中原衍射角位置的赤鐵礦衍射峰高有所增加，其他衍射角位置出現(xiàn)了新的赤鐵礦和黃鐵礦，表明在500℃恒溫加熱及冷卻至室溫的過程中，磁化率的升高主要由于赤鐵礦和黃鐵礦含量的增加引起。對(duì)比在700℃和500℃的恒溫下加熱的產(chǎn)物發(fā)現(xiàn)有部分黃鐵礦不復(fù)存，這是由于300～500℃范圍內(nèi)，煤中的無機(jī)礦物質(zhì)在升溫過程中的種類和含量變化是磁性變化的主要影響因素，是巖石中菱鐵礦、針鐵礦等在高溫下轉(zhuǎn)變?yōu)榇盆F礦，是這個(gè)階段煤巖磁化率急劇增長(zhǎng)的主要原因。

圖3 常溫煤的衍射圖譜Fig.3 Diffraction pattern of normal temperature coal

圖4 500℃與700℃加熱處理后煤的衍射圖譜Fig.4 Diffraction patterns of coal after heat treatment at 500℃and 700℃

磁化率在整個(gè)測(cè)試過程中顯示出清晰的峰值，初步判斷出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因很可能是在這個(gè)過程中有礦物某種或多種礦物質(zhì)變成了磁鐵礦。對(duì)于這種情況，有3種解釋：①磁黃鐵礦在加熱到500℃左右時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榇盆F礦，但在巖石X射線衍射實(shí)驗(yàn)中并未出現(xiàn)磁黃鐵礦，所有這種現(xiàn)象不會(huì)發(fā)生；②Hopkinson效應(yīng)，即多疇磁鐵礦顆粒中疇壁的活性增強(qiáng)和數(shù)目增多，或是單疇顆粒磁矩活動(dòng)能力的增強(qiáng)使試樣磁化率發(fā)生變化；③巖石中的鐵磁性礦物在加熱過程中分解或轉(zhuǎn)化形成強(qiáng)磁性礦物，如赤鐵礦轉(zhuǎn)變?yōu)榇盆F礦，由于磁赤鐵轉(zhuǎn)變?yōu)榇盆F礦是在有氧條件下發(fā)生的，而本實(shí)驗(yàn)是在絕氧條件下，所以這種解釋的可能性也不大。試樣在600℃左右磁性基本達(dá)到最低值，說明試樣中含有磁鐵礦，而沒有赤鐵礦，因此，525℃左右磁化率出現(xiàn)峰值是由于多疇磁鐵礦的疇壁活性增強(qiáng)和數(shù)目增多引起，或單疇顆粒磁距活性增強(qiáng)導(dǎo)致，隨著溫度的升高達(dá)到磁鐵礦的居里溫度后，磁化率迅速降低。

2 磁異常正演數(shù)學(xué)模型建立

在對(duì)磁異常的探測(cè)中，磁偶極子是一種常用的磁性目標(biāo)模型，故在對(duì)煤田火區(qū)的探測(cè)中，可以將著火區(qū)域或者高溫區(qū)域視為無數(shù)個(gè)分子磁偶極子[11]。

磁偶極子可以看成由許多無限小的磁體元組成，對(duì)每1個(gè)無限小的磁體元d v而言它在P點(diǎn)的磁位可表示為：

可求得磁偶極子的磁位的表達(dá)式：

式中：U為磁位，J；r為真空磁偶極子到空間一點(diǎn)的矢徑，m。

對(duì)磁偶極子的磁位進(jìn)行積分：

式中：v為M的積分區(qū)；M為磁矩，A·m2。

M=（mx，my，mz），把磁偶極子所包含的所有磁體元的磁位積分求和，可得到所有磁化體在P點(diǎn)的磁位積分表達(dá)式：

3 獲取磁異常正演計(jì)算

3.1 煤田火區(qū)磁異常物理模型

假設(shè)煤田火區(qū)磁異常區(qū)域?yàn)橹行臏囟?00℃的長(zhǎng)方體模型，其x軸、y軸和z軸方向的長(zhǎng)度分別為a、b、c，其中（x0，y0，z0）為中心坐標(biāo)點(diǎn)，（ξ，ζ，η）為長(zhǎng)方體所在位置的坐標(biāo)點(diǎn)，（x，y，z）為觀測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)點(diǎn)[12]，長(zhǎng)方體的引力Fv為：

對(duì)式（11）進(jìn)行二階求導(dǎo)，并作積分將其代入到下式中得到磁異總場(chǎng)強(qiáng)T（x，y，z）。

設(shè)長(zhǎng)方體的磁性參數(shù)和幾何參數(shù)為：a=5；b=4；c=3，其中心點(diǎn)的坐標(biāo)為（0，0，h），即煤田火區(qū)的埋深h設(shè)為50 m，探測(cè)平面區(qū)域X為（-200，200）；Y為（-200，200），每0.5 m 1個(gè)測(cè)點(diǎn)，探測(cè)平面的高度設(shè)為0，磁矩M統(tǒng)一設(shè)置為1 000 A·m2。

整理后可得：

式中：k1=sin D sin2I；k2=sin2I cos D；k3=cos I2sin2D；k4=cos I2cos D2；k5=cos I2sin D2；k6=-sin I2；D為磁傾角，（°）；I為磁偏角，（°）。

3.2 結(jié)果分析

對(duì)磁異常T（x，y，z）而言，在探測(cè)范圍的煤田區(qū)域其地磁場(chǎng)的I、D分別為60°、-10°。根據(jù)式（14）利用Matlab編寫代碼進(jìn)行三重積分仿真得到的在不同埋深情況下的磁異?？倛?chǎng)強(qiáng)度三維等值線圖如圖5。

圖5 火源不同埋深磁場(chǎng)強(qiáng)度三維等值線圖Fig.5 Three-dimensional contour diagrams of magnetic field intensity at different depths of fire source

煤田火區(qū)磁異常體的埋深分別為50、60、70、80、90、100、200、300 m時(shí)磁異?？倛?chǎng)強(qiáng)度即磁異常模量的變化如圖6。隨著異常體埋深的增大，目標(biāo)體表現(xiàn)出來的磁場(chǎng)強(qiáng)度的極值在不斷地減??；而且到接近異常體的范圍時(shí)強(qiáng)度的突變率也在不斷的減??；磁異常發(fā)生突變的范圍隨煤田火區(qū)埋藏深度的增加而不斷的向四周擴(kuò)展。磁性目標(biāo)體表現(xiàn)出來的磁異常強(qiáng)度總體呈現(xiàn)出埋深越淺異常強(qiáng)度越大且越向中心聚交，埋深越大，異常強(qiáng)度越小且越向四周擴(kuò)散；當(dāng)埋深大于300 m是磁異常強(qiáng)度很難確定，煤田火區(qū)也就很難判斷。

圖6 不同埋深情況下的磁異常強(qiáng)度Fig.6 Magnetic anomaly strength at different burial depths

3.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證

在準(zhǔn)東鐵路公溝隧道附近對(duì)已經(jīng)產(chǎn)生高溫和冒煙的半坡，使用GPS定位結(jié)合磁法探測(cè)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)。

在鐵路旁邊坡高出鐵路約10 m的第1個(gè)平行于鐵路臺(tái)布置25個(gè)測(cè)點(diǎn)，在高出鐵路20 m的第2個(gè)平臺(tái)設(shè)置25個(gè)測(cè)點(diǎn)，在高出鐵路20 m的第3個(gè)平臺(tái)布置25個(gè)測(cè)點(diǎn)，這些測(cè)點(diǎn)之間的間隔都是10 m，在山體西北的平臺(tái)邊緣設(shè)置25個(gè)測(cè)點(diǎn)采用α磁力儀測(cè)定100個(gè)測(cè)點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，準(zhǔn)東鐵路公溝隧道處的磁異常區(qū)剖面圖如圖7。

圖7 準(zhǔn)東鐵路公溝隧道處的磁異常區(qū)剖面圖Fig.7 Sectional view of the magnetic anomaly zone at the Gonggou tunnel of the Zhundong Railway

在第1個(gè)平臺(tái)布置的25個(gè)測(cè)點(diǎn)中，前10個(gè)測(cè)點(diǎn)探測(cè)的數(shù)據(jù)變化很小，第11～第16個(gè)測(cè)點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度明顯。磁場(chǎng)強(qiáng)度變化明顯的這些測(cè)點(diǎn)正好在冒煙周圍，證明此處磁異常與煤自然產(chǎn)生高溫有關(guān)。在第2個(gè)平臺(tái)和第3個(gè)平臺(tái)進(jìn)行探測(cè)時(shí)同樣發(fā)現(xiàn)在冒煙地帶周圍磁場(chǎng)強(qiáng)度變化明顯，且變化率與第1個(gè)平臺(tái)相比較而言逐漸減小，說明地下高溫區(qū)域在地面上所變現(xiàn)出來的磁場(chǎng)強(qiáng)度與其深度有關(guān)系。

4 結(jié)論

1）隨著煤田火區(qū)埋深的增大，目標(biāo)體表現(xiàn)出來的磁場(chǎng)強(qiáng)度的極值在不斷地減??；而且到接近異常體的范圍時(shí)強(qiáng)度的突變率也在不斷的減小。

2）埋深較淺的煤田火區(qū)其磁異常剖面狹窄且尖銳，埋深較深的磁性體其磁異常寬闊且平緩。磁異常發(fā)生突變的范圍隨煤田火區(qū)埋藏深度的增加而不斷的向四周擴(kuò)展。

3）仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)在煤田發(fā)生火災(zāi)的區(qū)域埋深大于300 m時(shí)所表現(xiàn)出來的磁異常強(qiáng)度很小，這就說明在深度大于300 m時(shí)，煤火區(qū)域位置很難確定。