賀 強(qiáng)

(中煤東方控股有限公司，山東青島 266075)

近年來(lái)，伴隨著全球氣候變化與全球變暖等問(wèn)題，地下煤火受到了越來(lái)越多的關(guān)注。地下煤火是指在地下一定的空間范圍內(nèi)由于人為因素或自然環(huán)境條件引起的煤炭資源燃燒，并不斷發(fā)展形成大面積煤田火災(zāi)。在中國(guó)、美國(guó)、澳大利亞、印度、印度尼西亞等國(guó)家和地區(qū)普遍存在，在我國(guó)主要分布在新疆、寧夏、內(nèi)蒙古等地[1-2]。地下煤火對(duì)資源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)等多方面產(chǎn)生諸多不利影響：一方面造成大量煤炭資源的浪費(fèi)和凍結(jié)，根據(jù)調(diào)查研究，每年因地下煤火燃燒造成的煤炭資源直接損失約1 300萬(wàn)t，間接影響的煤炭資源量約2億t；另一方面，對(duì)地表植被、土壤、地下水資源等造成很大的破壞，同時(shí)燃燒過(guò)程釋放出大量的粉塵與有毒有害氣體，主要有CO2、CO、CH4、SOX、Hg 等無(wú)機(jī)物及苯類(lèi)有機(jī)物，污染大氣環(huán)境[3]。

2020年，我國(guó)提出了“雙碳”目標(biāo)，即二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年實(shí)現(xiàn)碳中和[4]。為實(shí)現(xiàn)這一宏偉目標(biāo)，要逐步加強(qiáng)對(duì)CO2、CH4等溫室氣體的排放管控力度[5]。基于遙感數(shù)據(jù)估算，Paul van Dijk等得出我國(guó)煤火產(chǎn)生的溫室氣體占全球總排放量的0.1%[6]。有效控制地下煤火，對(duì)于減少溫室氣體排放和“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。隨著我國(guó)煤炭生產(chǎn)開(kāi)發(fā)布局西移和高效開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展，西部地區(qū)地下煤火產(chǎn)生的一系列問(wèn)題已嚴(yán)重影響我國(guó)能源安全和生態(tài)環(huán)境，因地下煤火燃燒環(huán)境復(fù)雜，如何準(zhǔn)確探測(cè)和圈定地下煤火的位置及范圍，是開(kāi)展滅火治理工作的前提和關(guān)鍵[7]。

1 我國(guó)地下煤火分布現(xiàn)狀

我國(guó)地下煤火多分布在干旱的西部地區(qū)，以新疆、寧夏、內(nèi)蒙古分布范圍最廣，其中新疆煤田火災(zāi)最為嚴(yán)重。新疆第五次煤田火區(qū)普查結(jié)果表明：截至2019年底，新疆有未治理的在燃火區(qū)40處，火區(qū)總面積477.73萬(wàn)m2，每年燃燒損失456.16萬(wàn)t煤炭，年排放溫室氣體CO2達(dá)1 204.26萬(wàn)t，主要分布在準(zhǔn)格爾煤炭基地、吐哈煤炭基地、伊犁煤炭基地、庫(kù)拜煤炭基地等[8]。寧夏回族自治區(qū)煤田火區(qū)37處，面積約394.5萬(wàn)m2，主要分布在汝箕溝礦區(qū)、二道嶺、呼魯斯太、石炭井等含煤區(qū)，其中汝箕溝礦區(qū)地下煤火較為嚴(yán)重。內(nèi)蒙古自治區(qū)發(fā)現(xiàn)26處地下煤火分布區(qū)，火區(qū)面積達(dá)1 903 萬(wàn)m2，主要分布在古烏達(dá)、鄂爾多斯、桌子山、準(zhǔn)格爾等礦區(qū)，其中烏達(dá)礦區(qū)地下煤火較為嚴(yán)重[9-10]。

我國(guó)地下煤火主要呈以下分布特點(diǎn)：一是我國(guó)地下煤火燃燒嚴(yán)重的礦區(qū)主要分布在北緯35°～45°；二是我國(guó)地下煤火的發(fā)生與煤的變質(zhì)程度有關(guān)，主要為低變質(zhì)程度煤；三是我國(guó)地下煤火的發(fā)生與氣候有關(guān)，主要發(fā)生在干旱—半干旱的西部地區(qū)[11]。四是我國(guó)地下煤火大部分布于地下，呈陰燃狀態(tài)，具有范圍大、著火點(diǎn)分散、距離遠(yuǎn)和火源隱蔽等特點(diǎn)，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控和火區(qū)治理十分困難[12]。

2 地下煤火探測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展

如何快速、準(zhǔn)確確定地下煤火的燃燒位置和分布范圍一直是煤火探測(cè)的攻關(guān)方向。地下煤火在燃燒過(guò)程中，火區(qū)范圍內(nèi)與周邊區(qū)域在物理場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)、熱場(chǎng)、光場(chǎng)等發(fā)生一系列變化，利用相關(guān)技術(shù)和設(shè)備研究產(chǎn)生的物理、化學(xué)、熱、光的變化特征，進(jìn)而圈定地下煤火位置及范圍。目前圈定地下煤火位置及范圍的探測(cè)技術(shù)主要有遙感技術(shù)、地球物理技術(shù)、化探技術(shù)等。許多學(xué)者在不同的礦區(qū)采用不同的探測(cè)技術(shù)對(duì)地下煤火位置和范圍的圈定進(jìn)行了深入研究，取得了大量卓有成效的成果。

2.1 遙感技術(shù)探測(cè)地下煤火研究進(jìn)展

從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，我國(guó)研究人員就逐步將遙感技術(shù)應(yīng)用于了地下煤火監(jiān)測(cè)。地下煤火燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的熱量會(huì)以熱輻射的方式傳導(dǎo)至地表，在近地表形成高溫環(huán)境，利用熱紅外遙感捕捉產(chǎn)生的熱輻射，利用燃燒區(qū)與非燃燒區(qū)之間光譜特性的差異，從遙感圖像中提取地下煤火信息。遙感技術(shù)在地下煤火探測(cè)中具有范圍廣、速度快、時(shí)效性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，但易受氣象條件影響，分辨率低，不利于深部煤火探測(cè)(表1)。目前利用遙感技術(shù)探測(cè)地下煤火應(yīng)用較多的主要是熱紅外遙感、高光譜遙感，搭載傳感器的平臺(tái)有衛(wèi)星、機(jī)載、無(wú)人機(jī)等。

李峰等在馬脊梁煤礦利用無(wú)人機(jī)搭載數(shù)碼相機(jī)和熱紅外相機(jī)分別在白天和夜晚采集RGB 圖像和熱紅外圖像，通過(guò)對(duì)地表溫度反演和熱異常提取，試驗(yàn)表明無(wú)人機(jī)熱紅外技術(shù)探測(cè)地下煤火精度高達(dá)96.72%，說(shuō)明利用無(wú)人機(jī)熱紅外遙感對(duì)地下煤火探測(cè)是可行的[13]。劉競(jìng)龍等以InSAR與熱紅外技術(shù)為基礎(chǔ)，采用PS時(shí)序方法和普適性單通道算法對(duì)烏魯木齊東側(cè)煤火多源遙感融合探測(cè)，通過(guò)沉降和溫度信息對(duì)火區(qū)分布進(jìn)行綜合分析，結(jié)果表明，兩種方法融合探測(cè)能判定出疑似火區(qū)分布[14]。周小虎等通過(guò)高分辨率航空高光譜遙感圖像處理分析，提取礦區(qū)煤火信息，圈定了火區(qū)分布范圍，準(zhǔn)確性可達(dá)90%以上，說(shuō)明利用航空高光譜遙感熱紅外遙感圖像結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料分析，在我國(guó)北方植被覆蓋少的地區(qū)進(jìn)行煤田火區(qū)監(jiān)測(cè)是可行的[15]。毛耀保通過(guò)航空高光譜遙感對(duì)寧夏汝箕溝煤田火區(qū)范圍進(jìn)行了探測(cè)，利用提取的熱異常信息準(zhǔn)確圈定了火區(qū)燃燒強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了將遙感定量調(diào)查結(jié)果直接用于滅火工程設(shè)計(jì)的目標(biāo)[16]。

隨著衛(wèi)星傳感器分辨率的不斷提高及GIS等空間信息技術(shù)的飛速發(fā)展，將二者相結(jié)合進(jìn)行地下煤火探測(cè)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。陳民、陳云浩等將遙感與GIS技術(shù)相結(jié)合對(duì)內(nèi)蒙古烏達(dá)、寧夏汝箕溝等煤田進(jìn)行了地下煤火的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，分析其動(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)程，為煤火有效防治提供實(shí)時(shí)指導(dǎo)[17-18]。

2.2 地球物理技術(shù)探測(cè)地下煤火研究進(jìn)展

地球物理探測(cè)技術(shù)是利用地下煤火在燃燒過(guò)程中周邊磁場(chǎng)、電場(chǎng)等發(fā)生變化，通過(guò)布設(shè)一定間距的測(cè)網(wǎng)，利用相關(guān)設(shè)備捕捉異常信息，進(jìn)而分析確定地下煤火位置和范圍。地球物理技術(shù)在地下煤火探測(cè)中發(fā)揮了重要作用，主要包括磁法探測(cè)、高密度電法探測(cè)、地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)等。

2.2.1 磁法探測(cè)

地下煤火燃燒過(guò)程中，產(chǎn)生的高溫使周邊圍巖發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)變化，溫度降低后形成燒變巖，燒變巖和火燒區(qū)的巖石磁性明顯增強(qiáng)，在地表會(huì)產(chǎn)生磁異常，利用磁法探測(cè)技術(shù)可以快速確定地下煤火位置及圈定火區(qū)范圍[19]。磁法探測(cè)具有施工簡(jiǎn)單、設(shè)備輕便等優(yōu)點(diǎn)，但是由于當(dāng)前磁法探測(cè)儀器分辨率低，同時(shí)探測(cè)精度容易受煤礦生產(chǎn)設(shè)備及電磁的干擾，使得火源位置圈定存在一定的誤差(表1)。

張秀山于1961年首次將磁法探測(cè)應(yīng)用于地下煤火探測(cè)，在新疆、寧夏、甘肅三個(gè)省區(qū)將近二十多個(gè)井田開(kāi)展了相關(guān)應(yīng)用，取得了很好的效果[20]。朱曉穎等根據(jù)巖石磁性在不同溫度作用條件下存在的明顯差異，從巖石磁性的角度討論了磁法勘探圈定寧夏汝箕溝煤田火燒區(qū)的可行性，通過(guò)開(kāi)展地面磁法實(shí)測(cè)，利用反演數(shù)據(jù)有效地圈定了煤火區(qū)著火點(diǎn)的位置及范圍[21]。王衛(wèi)平等在內(nèi)蒙古烏達(dá)地區(qū)以直升機(jī)航空電磁、磁綜合測(cè)量資料為基礎(chǔ)，結(jié)合該地區(qū)煤田方面已有的地質(zhì)、物探、遙感等資料，對(duì)地下煤火分布與航空磁場(chǎng)特征、航空電磁場(chǎng)特征之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，在綜合分析的基礎(chǔ)上，建立了該區(qū)的地下煤火劃分標(biāo)志，并對(duì)該區(qū)的地下煤火分布和燃燒狀況進(jìn)行了分析和圈定[22]。

2.2.2 高密度電法探測(cè)

巖石因組分不同使得其電阻率有一定的差異，電性差異隨著溫度升高差異呈現(xiàn)擴(kuò)大化，地下煤火分布區(qū)溫度較高，與周邊圍巖相比在電阻率方面呈現(xiàn)明顯差異，這為高密度電法探測(cè)地下煤火提供了基礎(chǔ)。高密度電法具有精度高、信息量豐富、效率高等優(yōu)點(diǎn)，但受大地雜散電流、地形起伏的影響較大(表1)。

邵振魯?shù)壤枚喾N裝置開(kāi)展了高密度電法探測(cè)地下煤火試驗(yàn)，準(zhǔn)確地分辨出了地下煤火燃燒區(qū)的燃燒中心、燒空區(qū)和冒落帶[23]。宋吾軍等通過(guò)建立煤田火區(qū)地電、地磁模型并進(jìn)行計(jì)算分析，利用高密度電法對(duì)安家?guī)X露天礦火區(qū)燃燒中心及燒空區(qū)的分布情況進(jìn)行了探測(cè)，通過(guò)鉆孔驗(yàn)證，證明了高密度電法探測(cè)煤田火區(qū)的有效性；同時(shí)發(fā)現(xiàn)在探測(cè)火區(qū)范圍分布、埋深等方面各有優(yōu)勢(shì)[24]。賀小元等采用高密度電法嘗試探測(cè)活雞兔煤礦地下采空區(qū)及火燒區(qū)，解譯出大量的采空區(qū)及少量火燒區(qū)，經(jīng)少量鉆孔驗(yàn)證，證實(shí)高密度電法探測(cè)采空區(qū)非常有效[25]。

2.2.3 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)

地下煤火在燃燒過(guò)程中，使得地下空間形成破碎區(qū)、空腔區(qū)等不同空間狀態(tài)，地質(zhì)雷達(dá)向地下探測(cè)區(qū)發(fā)射電磁波，電磁波在向下傳播過(guò)程中，遇到不同空間形態(tài)波阻抗分界面就產(chǎn)生反射現(xiàn)象，通過(guò)捕捉反射信號(hào)能量的差異，進(jìn)而解釋地下煤火燃燒形成的不同空間形態(tài)。地質(zhì)雷達(dá)具有探測(cè)精度較高、操作方便簡(jiǎn)單、快速等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)埋深較大的煤火探測(cè)效果有限(表1)。

表1 地下煤火探測(cè)技術(shù)

楊峰等利用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)對(duì)烏干達(dá)煤田地下煤火破碎和燃燒塌陷區(qū)進(jìn)行了探測(cè)，雷達(dá)信號(hào)在穿透破碎和燃燒塌陷區(qū)域時(shí)，巖石塌陷松散區(qū)和破碎區(qū)的ARMA 譜響應(yīng)特征存在明顯差異，利用這種差異對(duì)煤火燃燒形成塌陷或空洞的展布形態(tài)進(jìn)行探測(cè)，為地下煤火防治提供了必要的依據(jù)[26]。胡明順基于電磁波理論，采用時(shí)域有限差分法正演模擬了火區(qū)典型地質(zhì)體地電模型雷達(dá)響應(yīng)，在山西某露天礦火區(qū)進(jìn)行了雷達(dá)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，隨后采用鉆探驗(yàn)證其結(jié)果與鉆孔資料吻合度很好，說(shuō)明探地雷達(dá)對(duì)識(shí)別淺埋火區(qū)煤層松散跨落程度，圈定火燒重點(diǎn)區(qū)域具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[27]。

2.3 地球化學(xué)技術(shù)探測(cè)地下煤火研究進(jìn)展

地球化學(xué)技術(shù)探測(cè)主要是利用儀器測(cè)量和捕捉地下煤火燃燒過(guò)程中釋放的異常化學(xué)成分，通過(guò)提取異常差異信息來(lái)圈定地下煤火范圍，目前化探技術(shù)探測(cè)手段主要為氡氣探測(cè)法。地下煤火燃燒過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)高溫高壓的環(huán)境，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的CO2、CO、CH4、H2O等氣體，氡作為一種放射性元素，一方面高溫高壓環(huán)境有利于巖石中氡元素的析出，另一方面地下煤火燃燒區(qū)存在大量貫通地表裂隙，二者相互疊加，加劇了析出的氡元素順著裂隙快速擴(kuò)散至地表，使得地下煤火燃燒區(qū)地表形成明顯的氡氣放射性異常區(qū)[28]，通過(guò)對(duì)地表氡元素開(kāi)展測(cè)量，提取濃度差異，進(jìn)而可圈定地下煤火燃燒的范圍。氡氣探測(cè)法在地下煤火探測(cè)中具有操作簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)提取快速、經(jīng)濟(jì)成本低等優(yōu)勢(shì)(表1)。

金永飛等采用測(cè)氡探火技術(shù)對(duì)中煤平朔煤業(yè)有限公司安家?guī)X一號(hào)井工礦地下煤火進(jìn)行探測(cè)，確定了地下煤火火源位置及范圍，滅火工程實(shí)施效果證實(shí)圈定的異常區(qū)符合實(shí)際情況[29]。陳輝等采用美國(guó)原裝進(jìn)口儀器RAD7型連續(xù)測(cè)氡儀，對(duì)阜康氣煤一號(hào)井深部隱蔽火源進(jìn)行氡異常區(qū)拉網(wǎng)式探測(cè)，初步確定火源6處，總面積為51 000m2，采用鉆孔進(jìn)行了驗(yàn)證，探測(cè)結(jié)果與鉆孔驗(yàn)證相吻合[30]。王海燕等應(yīng)用同位素測(cè)氡法探測(cè)技術(shù)，對(duì)復(fù)雜火區(qū)條件下的黑龍江滴道礦老二井火區(qū)位置和面積進(jìn)行了精確探測(cè)，區(qū)分了測(cè)場(chǎng)內(nèi)的溫度異常區(qū)和燃燒區(qū)，為井田滅火方案制定提供了依據(jù)[31]。劉志忠等基于神東礦區(qū)大礦周邊小窯開(kāi)采特點(diǎn)，利用瞬時(shí)法測(cè)量氡氣對(duì)石圪臺(tái)煤礦南部小窯進(jìn)行隱蔽火源探測(cè)，確定氡值異常值，劃分了溫度異常區(qū)域[32]。

3 地下煤火探測(cè)技術(shù)展望

地下煤火探測(cè)研究雖然取得了一系列進(jìn)展，探測(cè)技術(shù)也表現(xiàn)為多樣化，隨著“雙碳”目標(biāo)的提出和地下煤火呈現(xiàn)的新特點(diǎn)，地下煤火探測(cè)任重道遠(yuǎn)。今后的研究要緊緊圍繞探測(cè)高效、精準(zhǔn)、經(jīng)濟(jì)等方向來(lái)開(kāi)展，重點(diǎn)加強(qiáng)探測(cè)技術(shù)研發(fā)及綜合應(yīng)用、數(shù)據(jù)處理與提取、新探測(cè)儀器設(shè)備等方面的研究和攻關(guān)。

3.1 探測(cè)技術(shù)研發(fā)及綜合應(yīng)用

我國(guó)當(dāng)前探測(cè)技術(shù)多應(yīng)用于地下淺部煤火探測(cè)，各種探測(cè)方法均存在優(yōu)點(diǎn)與不足，此外對(duì)煤礦隱蔽火源和深部火源的精準(zhǔn)探測(cè)難度較大。為提高地下煤火探測(cè)的準(zhǔn)確性，一方面要加大新技術(shù)的研發(fā)，尤其是針對(duì)深部煤火的探測(cè)，隨著深度的增加，地下煤火反映到地表的信息會(huì)大幅減弱，常規(guī)探測(cè)手段的有效性大大降低，應(yīng)有效提高地下隱蔽火源探測(cè)效率，加強(qiáng)深部煤火探測(cè)精度加強(qiáng)新技術(shù)的引進(jìn)和研發(fā)，目前研發(fā)的聲學(xué)法測(cè)溫技術(shù)、分布式光纖測(cè)溫法等有望成為地下隱蔽火源位置精準(zhǔn)探測(cè)的有效方法；另一方面，針對(duì)不同的礦區(qū)所處的地質(zhì)條件及地下煤火的特點(diǎn)，要加快構(gòu)建地下煤火綜合探測(cè)技術(shù)體系，將多種探測(cè)技術(shù)綜合應(yīng)用，發(fā)揮其各自?xún)?yōu)點(diǎn)，進(jìn)而相互印證探測(cè)結(jié)果，大大提高了探測(cè)的精準(zhǔn)性和可靠性。

3.2 提高數(shù)據(jù)精細(xì)處理與提取

地下煤火探測(cè)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，應(yīng)優(yōu)化及研發(fā)數(shù)據(jù)快速處理與提取的算法，加強(qiáng)數(shù)據(jù)智能化識(shí)別，減少數(shù)據(jù)處理與提取帶來(lái)的多解性，進(jìn)一步提高資料解釋的準(zhǔn)確性[33-34]。

3.3 加強(qiáng)高精度探測(cè)設(shè)備攻關(guān)研制

地下煤火燃燒所處地下環(huán)境復(fù)雜，且各個(gè)煤田地質(zhì)條件和燃燒成因均不盡相同，各種技術(shù)手段在探測(cè)過(guò)程中面臨精度不高、抗干擾能力差等缺點(diǎn)，隨著探測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，要加強(qiáng)探測(cè)設(shè)備在高精度、抗干擾能力方面的攻關(guān)研究，以便更為精準(zhǔn)地探測(cè)地下煤火中心位置與分布范圍。

4 結(jié)論

1)我國(guó)地下煤火多分布于西部新疆、寧夏、內(nèi)蒙古等地區(qū)，在分布范圍、燃煤變質(zhì)程度、氣候因素、隱蔽性等方面呈現(xiàn)出一定的特點(diǎn)。

2)地下煤火探測(cè)主要有遙感技術(shù)、地球物理技術(shù)、化探技術(shù)、鉆探技術(shù)等，每種探測(cè)技術(shù)對(duì)地下煤火邊界、深度等方面的探測(cè)各有一定的優(yōu)勢(shì)和缺陷。單一的探測(cè)技術(shù)，已難于解決地下煤火精準(zhǔn)探測(cè)問(wèn)題，針對(duì)不同礦區(qū)的地形、構(gòu)造、煤火深度等因素，研究采用多種探測(cè)技術(shù)組合進(jìn)行煤火探測(cè)將成為發(fā)展趨勢(shì)。

3)地下煤火有效探測(cè)至今仍是一個(gè)世界性難題，要圍繞地下煤火探測(cè)的精度、隱蔽火源探測(cè)和增加煤火深度探測(cè)開(kāi)展進(jìn)一步的攻關(guān)，針對(duì)不同礦區(qū)地下煤火所處的環(huán)境，加強(qiáng)探測(cè)技術(shù)的綜合應(yīng)用和體系建設(shè)，不斷開(kāi)發(fā)新的探測(cè)技術(shù)，提高數(shù)據(jù)精細(xì)處理與提取，同時(shí)要積極推進(jìn)具有高精度、高分辨率、抗干擾性能儀器設(shè)備的研制和改進(jìn)。