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Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 煤田火灾探测与治理技术现状及发展趋势 王伟 1， 2， 3 （1.煤炭科学研究总院， 北京 100013； 2.煤科集团沈阳研究院有限公司， 辽宁 抚顺 113122； 3.煤矿安全技术国家重点实验室， 辽宁 抚顺 113122） 摘要 为给我国煤田火灾的探测与治理提供决策参考， 促进我国煤田火区防控高效快速发展， 通过对煤田火灾探测和治理技术进展与应用现状研究，分别探讨了煤田火灾探测的钻探法、 物 探法、 化探法和遥感法， 煤田火灾治理的直接剥离技术、 控制漏风技术、 火区惰化技术和吸热降 温及煤体阻化技术的特点与适用性， 分析了我国煤田火灾探测存在精度差， 不能实现火源精确 定位， 治理技术不能实现快速高效治理大面积煤田火灾的问题， 指出基于红外遥感、 磁法和电法 的多元信息探测和高温大热容煤岩体的快速降温灭火技术是未来煤田火灾探测与治理领域的 发展趋势。 关键词 煤田火灾； 探测； 治理； 多元信息探测； 快速降温灭火 中图分类号 TD752.2文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020） 11-0206-04 Current Situation and Development Trend for Coalfield Fire Exploration and Governance Technology WANG Wei1,2,3 （1.China Coal Research Institute, Beijing 100013, China;2.China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute, Fushun 113122, China;3.State Key Laboratory of Coal Mine Safety Technology, Fushun 113122, China） Abstract In order to provide decision-making reference for the coalfield fire exploration and governance, and to promote the efficient and rapid development of coalfield fire prevention and control, the characteristics and applicability of drilling exploration , geophysical exploration , geochemical exploration and remote sensing exploration for coalfield fire exploration and direct stripped technology, air leakage control technology, fire area inerting technology, endothermic cooling and coal inhibition technology for coalfield fire governance were discussed separately through investigative progress and current situation of coalfield fire exploration and governance. The exploration precision is low at present so that accurate location of fire source cannot be realized. Governance technology cannot achieve rapid and efficient treatment of large area coalfield fire. The development trends of coalfield fire exploration and governance in the future are the multiple ination exploration technology based on infrared remote sensing, magnetic and electric , and the rapid cooling and extinguishing technology of high temperature and large heat capacity coal rock mass. Key words coalfield fire; exploration; governance; multiple ination exploration; rapid cooling and extinguishing 煤田火灾是指地下赋存的煤体发生自燃后， 沿 煤层逐步发展和形成一定规模、并对煤炭资源、 矿 井生产、生态环境形成危害的煤自燃现象，也称地 下煤火或煤火。我国受煤田火灾影响较为严重， 尤 以新疆、内蒙古、宁夏等西北地区最为突出。截止 2017 年底， 新疆地区共有 46 处煤田火区， 火区面积 达 669 万 m2， 年损失煤炭量 442 万 t， 威胁煤炭储 量 77 842 万 t[1]； 内蒙古乌达、 东胜、 准格尔、 桌子山 和古拉本等地区煤田火区面积达 1 903 万 m2[2-3]； 宁 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.11.043 王伟.煤田火灾探测与治理技术现状及发展趋势 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （11 ） 206-209， 215. WANG Wei. Current Situation and Development Trend for Coalfield Fire Exploration and Governance Tech－ nology ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （11） 206-209, 215. 移动扫码阅读 基金项目 国家重点研发计划资助项目 （2018YFC0807900） ； 中国 煤炭科工集团有限公司科技创新创业资金专项面上资助项目 （2018-2-MS016） 206 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 夏地区共有 37 处煤田火区， 面积达 394.563 万 m2， 其 中汝箕沟煤田火区面积最大、燃烧时间最长，治理 难度最大[4]。煤田火灾危害巨大， 其不仅直接烧毁煤 炭资源，影响矿井采掘接续，造成呆滞资源无法开 采， 还间接造成土地沙漠化， 有毒有害气体排放， 严 重影响生态环境、 地下水资源及居民生存环境等[5]。 鉴于我国煤田火灾严重程度，学者在煤田火区 探测方面进行了卓有成效的研究，同时在煤田火区 的治理方面积累了一些工程经验。分析总结了煤田 火灾探测和治理技术的现状，阐述了探测方法和治 理手段的适用性，分析了煤田火灾探测与治理的发 展趋势。 1煤田火灾探测技术 煤田火灾探测是基于现代探测手段基础上的对 煤田火灾燃烧状态、强度和空间及资源环境损害所 进行的测量，以定性定量、定时定位揭示煤田火灾 的时空变化[6]。常采用温度、 主要气体指标参数、 电 场和磁场强度及梯度、电阻率和介电常数等作为探 测的基本参数。根据煤田火灾探测技术大体分为钻 探、 物探、 化探、 遥感等探测方法[7]。 1.1钻探法 20 世纪 60 年代以前，钻探是探测近地表煤田 火灾的主要方式。钻探是在地面向地下深部疑似火 源或高温煤岩体施工钻孔，形成探测火源、火区深 部测温、气体分析的通道的探测方法。通过钻孔测 温、 取气分析、 全孔或分段取心等工作， 获取温度、 火灾标志性气体、煤岩物理化学数据等，综合分析 确定煤田火灾的位置、范围及深度等。钻探法工艺 简单、 结果可靠， 但成本高， 工期长且不能完成火区 大比例尺填图，局限性大，目前仅作为物探法或化 探法等其他探测方法的结果验证手段。 1.2物探法 物探法是基于地下地质体之间的物理差异研究 地质体本身空间特性和地质体之间的相关关系的探 测方法。常用的物探方法包括温度探测法、气体探 测法、 磁探测法、 电阻率探测法、 瞬变电磁法等[8]。 1） 温度探测法。由于火灾引发的岩石热传导、 火区裂隙热对流和地表热辐射是煤田火灾发育过程 的最直接作用方式，温度测量也是最直接最有效的 方法。按照探测位置可分为地表探测 （空气介质 中） 、 近地表探测 （土壤和地表岩石中） 和地下探测 （钻孔和矿井中） ；按照探测方式可分为直接测温 法、红外热成像和预埋温度探头测温法。温度探测 法技术上简单易行， 探测结果准确可靠， 但存在工作 量较大， 成本昂贵， 性价比相对较低。 2） 气体探测法。气体探测法是针对煤田火区中 的煤热解作用所产生的一系列标志性气体而进行的 测量。采集气样，将 CO、 CO2、 CH4、 C2H6、 C3H8、 C2H4、 C2H2等作为标志性气体进行连续测量和分析。气体 探测法简单经济， 但受限于煤层深度， 无法准确定位 火源位置和发展趋势， 干扰因素较多， 可靠性较差， 仅可作为定性研究。 3） 磁探测法。煤层的上覆岩层中一般含有菱铁 矿 （FeCO3） 、 黄铁矿 （FeS2） 、 赤铁矿 （Fe2O3）及褐铁矿 （Fe2O3 3H2O） 等铁质矿物。 在常温状况下， 铁质矿物 磁化强度小， 磁化率低， 当煤层发生自燃后， 其磁化 率显著增大， 较常温条件下增大 2～3 个数量级。利 用磁法探测煤田火灾， 可确定火区的边界及范围， 探 寻煤田火灾的燃烧状态和空间分带性，确定煤层燃 烧速度和变化方向。目前用于煤田火灾探测磁力仪 可进行多参数测量， 初步实现了高密度、 高精度、 连 续实时的测量。磁探测法适用于大面积煤田火灾探 测， 但由于其体积效应大、 探测深度和分辨率低的特 点， 对煤自燃初期不敏感， 不适用于煤自然发火初期 火源探测， 也不能实现煤田火区的精细探测， 多用于 圈定煤田火区的范围。 4） 电阻率探测法。正常情况下， 地下煤层和岩 层的电阻率基本恒定，但当煤层发生自燃后，由于 其结构和含水量发生变化，导致煤层及周边岩石的 电阻率也发生变化， 表现在 自燃初期， 水分逐渐凝 积， 裂隙水分增加， 导电性增强， 电阻率下降； 自燃 后期， 煤充分燃烧， 水分蒸发殆尽， 导电性减弱， 电 阻率上升。理论上， 在煤自燃初期， 煤层和岩层呈现 低阻，在燃烧充分的煤田火区，煤层和岩层呈现高 阻，均表现为与正常区域不同的电阻率。可根据电 阻率探测结果圈定煤田火区的边界。但在实际应用 中， 由于受地面及井下杂散电流、 高压线、 大型机电 设备影响， 电阻率探测精度一般， 分析结果存在多样 性。目前，电阻率探测法多用于露天及煤层露头火 源的探测。 5） 瞬变电磁法。瞬变电磁法在固体矿产勘查、 矿井水害防治领域得到广泛应用，近年来在煤田火 灾探测领域也取得一定进展。瞬变电磁法是通过不 接地线圈 （或称回线） 向地下发送一次脉冲电磁场， 在一次脉冲电磁场间歇期间观测二次涡流场的电磁 测量方法。发射回线稳定电流突然切断导致电流急 剧变化产生一次磁场，传播过程中遇优良导电地质 207 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 体激发产生感应电流 （二次电流） ， 进而产生大致按 指数规律随时间衰减的二次磁场。二次磁场包含有 与矿体相关的地质信息。由于二次磁场主要来源于 优良导电地质体的感应电流，包含着与矿体有关的 地质信息。二次磁场通过接收回线观测，进而解释 地下矿体及相关物理参数，对井下煤层富水区、 裂 隙及火区进行分析定位。利用瞬变电磁法探测精确 定位煤田火区，发展前景良好，但相比于电磁法探 水、探矿的成熟的正演模型应用，受煤岩不同温升 阶段和地下水作用下的电特性差异影响，电磁法探 测煤田火灾至今未建立和应用正演模型，煤田火灾 的地电模型电磁场模拟更为复杂，依赖于正演模型 的煤田火灾电磁场数据反演也面临瓶颈。 6） 其他物探方法。其他可用于煤田火灾探测的 物探方法包括地质雷达法、无线电波法、激发电位 法、 磁大地电流法、 电磁成像法等， 此类物探方法限 制条件较多，现大多处于实验研究阶段，对于煤田 火灾的探测仍处于研究阶段。 1.3化探法 化探法是通过测量煤田火区异常化学成分含量 （如氡气） 或引入示踪气体注入发火区域， 并检测其 分解物来圈定煤田火区范围的探测方法。常用的化 探方法包括测氡法[9]和示踪气体法。 1） 测氡法。测氡法是目前我国隐蔽火源探测比 较常用的方法。随着煤岩温度的升高，介质中的天 然放射性氡析出率会增强，通过测定氡的变化规律 来探测火区。常用的测氡法包括 α 杯测氡方法 （积 分法） 和瞬时测氡方法 （微分法） 。 α 杯测氡方法是将 氡子体收集器埋在地下一定深度，在一定的时间收 集土壤中氡的衰变子体， 利用测氡仪进行 α 脉冲数 字测量，获得氡观测值。瞬时测氡方法则是直接测 量泵抽取的土壤气体中的氡气，或测量氡的第一代 衰变子体 218Po （RaA） 来间接测得氡气浓度。测氡方 法具有操作简便、 成本低、 地形适应性广等优点， 但 测氡法只能圈定火区范围，不能准确定位火源位置 和判断燃烧程度。 2） 示踪气体法。某些气体在某一温度条件下会 发生分解，示踪气体法即利用这一特性对隐蔽火源 进行探测。 常采用 SF6-CF2ClBr 双元示踪气体探测煤 田火区。示踪气体法可间接测定区域内的煤体温 度，但对于热解温度过高或某些非高温情况不适 用， 对火区的具体位置与范围确定较为困难。 1.4遥感法 遥感法是基于遥感技术，测定煤田火灾在不同 遥感影像上所表现出来的影响特征和波谱异常信 息，从而进行煤田火区探测的方法。根据遥感平台 的不同高度， 可分为航天、 航空和地面遥感探测 3 大 类[10]。 可进行火区温度定量反演、 火区特征地物信息 提取、 地下火区信息提取、 异常区域分析和火区动态 监测等工作。遥感法适用于大面积煤田火区的探 测， 其宏观性强， 数据具有多源性， 覆盖面积大， 但 目前该方法受煤田火灾燃烧机理不清和遥感影像分 辨率的影响较大。 2煤田火灾治理技术 煤田火灾燃烧面积大、 历史长， 由于煤岩的低热 传导性，煤燃烧产生的热量主要被围岩吸收而形成 高温大热容量围岩， 致使煤田火灾的治理难度更大。 按照燃烧三要素，可将煤田火灾治理技术依据其主 要功能和作用分为直接剥离技术、 控制漏风技术、 火 区惰化技术和吸热降温及煤体阻化技术[11-12]。 2.1直接剥离技术 剥离主要是剥除火区火源体。剥离方法分为机 械剥离和定向爆破剥离。剥离施工前， 先注水降温， 并对浅部空洞区域进行爆破处理。直接剥离技术适 用于埋藏浅、面积小且发展速度较慢的煤田火区。 直接剥离技术可以比较彻底的根除火区威胁，但存 在施工工艺复杂、 安全性差、 投资大的缺陷。火区的 产生形成了大量的塌陷区域和燃烧空洞，施工机械 易陷入空洞中； 剥离过程中火区持续供氧， 改变火区 贫氧条件， 致使火区发展和蔓延， 甚至导致火区剥离 速度小于火区蔓延发展速度的现象；定向爆破剥离 存在爆破孔温度过高而致使爆破无法正常进行。 2.2控制漏风技术 控制漏风技术主要是减少或杜绝向火区供氧。 手段包括覆盖、 封堵和均压等。 覆盖是为确保火区氧气隔绝在地表利用黄土或 其他具有密实性的惰性材料进行回填压实的技术。 火区地表黄土覆盖施工成本低、速度快，但一般不 能彻底熄灭火区， 仅作为其他灭火手段的辅助措施。 火区漏风通道的封堵有利于火区的熄灭。 目前， 复合胶体、 无机固化泡沫、 凝胶等新型防灭火堵漏材 料在范围小的火区治理中得到了应用，但由于其成 本高、 流量小、 扩散范围小， 对大面积煤田火区的治 理及堵漏仍不适用。 均压技术是尽量减小压力梯度， 从而减小漏风， 防止或抑制煤田火灾发展的技术。仅依靠均压技术 完全杜绝漏风进而熄灭火区是不可能的，均压技术 208 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 仅可配合其他灭火手段使用，保证受火区影响的工 作面的安全开采。 2.3火区惰化技术 火区惰化技术是将惰性气体或添加吸热化合物 的惰性气体通过管路注入燃烧煤层，从而降低火区 氧气浓度窒息火区的技术。主要注入的材料包括 N2、 CO2、 三相泡沫、 惰气泡沫等。惰化技术适用于有 限的面积小的密闭火区的治理，而对于存在多处漏 风通道、 地表裂隙发育、 面积大的煤田火区， 治理效 果不明显。 2.4吸热降温及煤体阻化技术 吸热降温技术是通过向火区灌注相变吸热量大 或温度低比热容大的材料，吸收火区热量，降低温 度而熄灭火区的技术。常用的技术手段包括注水、 注浆、 阻化 （注液氮、 液态 CO2） 和灌注凝胶等。阻化 技术是向煤体表面喷洒具有减少煤体表面氧化活性 的材料， 降低煤体的氧化活性， 抑制火区的技术。常 用的技术手段包括喷注 CaCl2、 MgCl2等吸水性的盐 类、 喷洒雾化阻化剂、 惰化阻化剂等。由于水、 土材 料易取得， 成本低， 施工灵活， 注水和注浆目前治理 煤田火灾最主要和最经济的手段。但注入火区的 水、浆流向无法控制，不能对火区进行均匀有效覆 盖；注水注浆过程中有造成火区内水煤气爆炸的可 能性； 当火区下部有矿井生产时， 溃水、 溃浆可能威 胁矿井安全生产。 3发展趋势 3.1 煤田火灾探测发展趋势 准确定位煤田火灾的位置、燃烧状态和发展趋 势是有效治理煤田火灾的前提。而目前我国煤田火 灾探测技术不能实现火源的精确定位。钻探法费时 费力、 成本高、 性价比低； 化探法探测精度低， 抗干 扰能力差；遥感法只适用于大面积大范围煤田火区 的圈定； 物探法受探测精度限制， 准确性差， 但由于 煤田火区中存在明显的电场和磁场异常，基于红外 遥感、磁法和电法的煤田火灾多元信息探测技术及 装备是今后煤田火灾探测的发展趋势。研究煤田火 区热辐射、热磁及热电地球物理参数耦合特征， 开 发火区温度分布特征正演与反演解释系统，研制高 精度、高灵敏度、高分辨率和高频率的多元信息专 用探测装备，建立基于红外遥感、磁法和电磁法的 煤田火灾多元信息探测技术。 3.2煤田火灾治理发展趋势 在煤田火灾灭火方面，剥离火源只适用于小面 积浅部煤田火区治理；传统注水注浆方法难以实现 煤田火区快速降温灭火；其他防灭火技术及材料存 在成本高、适用性差，不能满足大面积煤田火区治 理的现场需求。开发高效、 低成本、 快速的灭火材料 及新型灭火工艺将大大提高煤田火灾灭火效果， 研 究不同灭火介质在火区裂隙与通道的渗流扩散流动 特性及其与高温煤岩体的热量高效置换方法，开发 煤田火区高温大容量围岩快速降温灭火技术，优化 多相介质与多种技术相融合的综合降温灭火工艺， 最终形成适用于大面积煤田火灾快速灭控新技术。 此外， 煤田火灾的形成演化机理、 环境效应分析 及火区的热能综合利用也是未来煤田火灾领域研究 的重点和难点。 4结语 煤田火灾发火机理复杂、 发展时间长， 燃烧面积 大、 火区煤岩温度高， 其探测与治理是公认的世界性 难题。我国的煤矿火灾防治技术近几十年来得到了 较快的发展， 在煤田火灾探测方面， 形成了钻探法、 物探法、 化探法和遥感法等多种探测方法， 在煤田火 灾治理方面， 采用了直接剥离、 控制漏风、 火区惰化 和吸热降温及煤体阻化等多项技术，但仍面临煤田 火灾探测技术相对薄弱，探测精度差的局面，缺乏 快速高效适用性强的治理技术。研制开发基于红外 遥感、磁法和电法的多元信息探测技术及装备和高 温大热容煤岩体的快速降温灭火技术及装备是未来 煤田火灾探测与治理领域的发展趋势。 参考文献 ［1］ 闫军， 高青松.新疆维吾尔自治区第四次煤田火区普 查报告 ［R］ .新疆 新疆煤田灭火工程局， 2014 8-10. ［2］ 梁运涛， 罗海珠.中国煤矿火灾防治技术现状与趋势 ［J］ .煤炭学报， 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