摘要

煤田火燒區(qū)的存在，給勘探、建井、開礦和環(huán)境帶來一定的危害，通過對陜北煤田火燒區(qū)區(qū)域構(gòu)造和煤層火燒區(qū)磁性特征的分析研究，利用磁測圈定出新老火區(qū)的分布，推測出煤層地下燃燒情況，并采取多種手段對火燒區(qū)的預(yù)防治理，達(dá)到了一定的滅火效果，挽回諸多經(jīng)濟(jì)損失。

1.前言

陜西是煤炭資源大省，尤其陜西北部賦存著大量的煤炭資源，但由于干旱少雨等環(huán)境因素，在溝谷煤層出露部位經(jīng)陽光強(qiáng)烈照射，煤層出現(xiàn)氧化發(fā)熱自燃現(xiàn)象，直接影響了儲量的準(zhǔn)確估算及后期開采，所以在煤田勘探工作中，查明火燒區(qū)的范圍及有效治理是很有必要的。

2.測區(qū)地質(zhì)、地層、構(gòu)造

本測區(qū)屬侏羅紀(jì)煤田，地層區(qū)劃屬華北區(qū)鄂爾多斯盆地分區(qū)，中生代后期，受燕山運(yùn)動的影響，陜北區(qū)域東部抬升，地層遭受強(qiáng)烈剝蝕，鄂爾多斯臺向斜東翼陜北斜坡上，為北西向傾斜的單斜構(gòu)造，產(chǎn)狀較平緩，傾角1°左右，地質(zhì)構(gòu)造簡單，沒有大的構(gòu)造斷裂。地層從老至新為：三疊系上統(tǒng)永坪組（T₃y），侏羅系中統(tǒng)延安組（J₂y），第三系（N₂）及第四系（Q₄）。其中延安組(J₂y)為主要煤系地層。

本測區(qū)延安組以陸源碎屑沉積巖、淺灰白色中細(xì)粒砂巖為主,其次為灰色粉砂巖、砂質(zhì)泥巖和泥巖,少有粗碎屑巖。另外夾有一定具有經(jīng)濟(jì)意義的可燃有機(jī)巖—煤、碳質(zhì)泥巖和油頁巖薄層,另有極少量的內(nèi)源沉積巖,主要有石灰?guī)r、泥灰?guī)r、菱鐵礦、黃鐵礦。

3.井田現(xiàn)狀和可采煤層

3.1 井田煤層

井田內(nèi)延安組煤系地層自下而上分為一～五段，每段各含一個煤組，自上而下編為1～5號煤組，本礦區(qū)范圍內(nèi)主要為1^-2上、1^-2、2^-2四層可采煤層，底板標(biāo)高分別為：1115-1120m、1065-1075m和1040-1050m。其中1^-1煤層位于延安組第五段上部，僅在測區(qū)東南側(cè)有厚度為1m的煤層存在；1^-2上煤層位于延安組第五段中上部，分布于測區(qū)的南部，平均厚度3.55m；1^-2煤層位于延安組第五段中部，在測區(qū)大部分可采，平均厚度9.41m，厚度變化不大，規(guī)律性明顯，結(jié)構(gòu)較簡單，不含夾矸，屬穩(wěn)定型煤層；2^-2煤層位于延安組第四段中部，全部可采，平均厚度4.75m，厚度變化不大，規(guī)律性明顯，結(jié)構(gòu)較簡單，屬穩(wěn)定型煤層。

3.2井田開采現(xiàn)狀

井田地勢為南高北低，北側(cè)緊鄰河道，東北部河道處有村莊（見圖1），下部煤層未開采，中北部保留有小面積的原始地貌，其余地方地表都已被被剝離，東西兩部分均已揭露到1^-2煤層底板，西南部有兩塊小面積已露采至2^-2煤層。井田內(nèi)1^-2上煤和2^-2煤都存在不同程度的明火區(qū)，共五處，主要由熱紅外遙感圈定出范圍，其中火1為揭露煤層火，火2和火3主要為矸石堆火，火4和火5主要為揭露煤層火和采空區(qū)火。

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圖1 ?井田內(nèi)煤層開采現(xiàn)狀

4.測區(qū)地球物理特征

通過對井田出露地表和鉆孔得到的火燒巖、粘土、砂巖、砂泥巖進(jìn)行磁參數(shù)測定，得到了該區(qū)磁物性參數(shù)資料（表1）。

表1 ?區(qū)內(nèi)磁物性參數(shù)測定統(tǒng)計表

井田地表絕大部分被第四系黃土和沙層覆蓋；粘土在靠近河道處出露地表，具一定磁性，成為本次磁測工作的主要干擾源；砂巖、泥巖本身磁性微弱，甚至無磁性；當(dāng)煤層自燃時，受高溫作用的影響，使煤層頂?shù)装鍘r石受熱變質(zhì)，形成了含暗色鐵磁性礦物較多的燒變巖，溫度降低后保留了較強(qiáng)的熱剩磁，使其磁性變強(qiáng)，這是識別邊界的重要特征。

5.磁法在新老火區(qū)的特征

5.1 磁法在火燒區(qū)的勘探原理

煤層自燃過程中，煤層及圍巖中鐵、磷等物質(zhì)發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)變化，煤層頂?shù)装咫S著煤層燃燒以后溫度的降低，冷卻以后形成燒變巖，燒變巖溫度降低后保留了較強(qiáng)的熱剩磁，其燒變巖和正常圍巖具有了明顯的磁性差異，磁法勘探正是利用這一明顯的磁性差異，來解決煤層自燃后火燒范圍的。

5.2煤層燒變與磁異常分析

煤層在燃燒的過程中，煤層上覆巖石受到高溫烘烤，由于高溫和地磁場的作用，鐵質(zhì)礦物經(jīng)氧化還原及“弱場冷卻”的物理化學(xué)變化，產(chǎn)生了較強(qiáng)的“熱剩磁”，相應(yīng)的巖層形成了具有較強(qiáng)磁性的燒變巖，使燒變巖與圍巖產(chǎn)生明顯的磁性差異，利用磁參數(shù)測量可以圈出煤層火區(qū)燃燒范圍，也會在磁異常中有所反應(yīng)。

煤層的頂、底板原巖中含有大量的黃鐵礦及菱鐵礦結(jié)核，但含礦原巖磁性較微弱，磁化率（K）值一般很小。通過資料收集了解到本次測區(qū)為火燒區(qū)，當(dāng)煤層過火后，煤層頂、底板的原巖受到高溫烘烤，其中的鐵質(zhì)礦物成分發(fā)生化學(xué)變化，從而形成含鐵磁性礦物的燒變巖。溫度降低后，就保留較強(qiáng)的熱剩磁，其磁化率（K）和剩余磁化強(qiáng)度（Jr）的常見值一般為燃燒變質(zhì)前的數(shù)倍至數(shù)十倍，從而形成了明顯的磁性差異，相應(yīng)的巖層形成了具有較強(qiáng)磁性的燒變巖，使燒變巖與圍巖產(chǎn)生明顯的磁性差異。

另外，未燃燒煤層磁性非常弱或無磁性，部分燃燒的煤層和正在燃燒的煤層磁性也很小，而熄滅后的燒變巖磁性最強(qiáng)，因此，用磁法勘探火燒區(qū)實際上反映的是發(fā)火帶到熄滅帶的范圍。

5.3新老火區(qū)磁性特征

磁異常成果解釋結(jié)果，由?T等值線圖可以看出（圖2），整體為正中高磁異常；東北角為負(fù)高磁異常，為正常煤層；中間未開挖區(qū)為正中高磁異常；其余正高磁異常主要由老燒變巖所致。

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圖2 ?磁法解釋圖

經(jīng)21個鉆孔驗證，其中ZK3、13、17和21共四個鉆孔有火燒現(xiàn)象，其余孔均為正常煤層，綜合考慮下勾繪出煤層自然邊界，推測圈定出火燒區(qū)7處，其中死火區(qū)4處，活火區(qū)3處，磁法異常區(qū)9處，具體分析如下：

死活區(qū)（即老火區(qū)）：SH1為正高磁異常，最高為864 nT，地表為原始地貌第四系覆蓋物，未見工程開挖治理，可見多處裂縫，塌陷區(qū)有熱氣冒出，磁場值向上延拓50米后，該異常基本消失，主要由早期1^-2上煤層自燃形成的燒變巖引起；SH2為正中高磁異常，最高為562 nT，地表大部分為第四系覆蓋層，未見工程開挖治理，無明顯火燒特征，成因同于SH1；SH3為正中高磁異常，最高為358nT，地表已全部工程開挖治理，形成了落差5m的階梯狀陡崖，主要由早期1^-2煤層自燃形成的燒變巖引起；SH4磁測值除零星幾處高值外都為正的中磁異常，最高為600nT，地表為1^-2煤層底板，北部為后期轉(zhuǎn)運(yùn)來的燒變巖，上層覆蓋有較厚的黃沙，未見明顯火燒現(xiàn)象，南部表現(xiàn)為條帶狀中高磁異常，主要由堆積的燒變巖引起。

活火區(qū)（即新火區(qū)，正在燃燒）：HH1為正中高磁異常，最高為980 nT，地表已開挖治理，見煤層燃燒，多處裂縫及塌陷區(qū)有熱氣冒出，異常南部與火4重合，磁場值向上延拓50米后，該異常仍然存在，主要由1^-2煤層自燃形成的燒變巖引起，異常邊界為火燒過渡帶；HH2為正中高磁異常，最高為676 nT。地表被開挖治理，見煤層燃燒，位于火5北部，磁場值向上延拓50米后，該異常值降低但范圍變大，推測該火燒烘烤向西南蔓延，異常東部為1^-2上煤層自燃形成的燒變巖；HH3為正中高磁異常，磁測值北高南低，最高為384 nT，推測由陡坎邊煤層出露而燒變形成的弱磁性燒變巖引起，與火4南部相吻合；

磁異常區(qū): YC1為負(fù)低磁異常，最小為-1135nT，地表多為村莊和耕地，零星的正磁異常為鐵器及房屋等干擾造成，煤層不存在自燃和開采；YC2、YC3、 YC4、 YC5、 YC6和YC7都為正高磁異常，最大值為642～969 nT，均由地表堆放的燒變巖所致；YC8為正中高磁異常，最高為434 nT，北緊火5，向東為工程開挖的分界線，地表可見數(shù)排未見爆破的鉆孔，屬于待爆破開挖區(qū)，由地層松散及淺部巖層燒變所致；YC9為正中高磁異常，最大為359 nT，地表已被開挖揭露，表層巖石松散破碎，并覆蓋有大量燒變巖碎屑?xì)埩簟?/span>

綜上所述，新老火區(qū)都為正高磁異常，不同之處為老火區(qū)磁異常值極高，并且成片狀，對磁場值進(jìn)行上沿處理后，規(guī)模較小的老火區(qū)磁異常會減弱甚至消失，而規(guī)模較大的老火區(qū)不會有太大變化；新火區(qū)整體為高磁異常，但磁場值高低參差不齊，零星伴有中磁特征，這與煤層的燃燒進(jìn)度和程度不同有很大的關(guān)系，故而要區(qū)分新老火區(qū)僅通過磁測之外，還需結(jié)合其他資料進(jìn)行甄別處理。

6.?煤田火燒區(qū)的形成及滅火措施

6.1煤田火燒區(qū)成因

按照必要條件分為三個要素：①充足的空氣(氧化助燃)，②適當(dāng)?shù)母邷?/span>(聚熱大于散熱)，③充足的時間(形成火區(qū)全部過程)。

按照形成因素可分為三方面：①地理環(huán)境，陜北煤田屬于中溫帶干旱大陸性季風(fēng)氣候，而又屬西風(fēng)帶，日照充足，四季分明，氣候多變，溫差較大，氣溫偏寒，雨少不勻，春多風(fēng)沙，夏季多雨，冬季受干燥而寒冷的變性極地大陸性氣團(tuán)控制，形成低濕、寒冷、降水稀少的氣候特點，這些因素加快了出露煤層吸熱氧化自燃的速度，是形成煤田火燒區(qū)的主要原因。

②自然因素，干旱半干旱區(qū)巖層和裸露的煤層經(jīng)風(fēng)化大量吸熱，煤層顆粒孔隙內(nèi)部原保留有部分CO₂ ，當(dāng)溫度上升達(dá)到臨界溫度時，煤顆粒孔隙間的 CO₂ 借熱浮力作用掙脫于煤層，煤顆粒之間又獲得外部新的空氣補(bǔ)給，當(dāng)內(nèi)存溫度達(dá)到一定高溫 ( 80℃以上)，聚熱溫度大于散熱溫度時，就可以引起煤本身快速增溫而燃燒，并釋放出一定數(shù)量的CO₂ 氣體，森林因久旱、干燥、少雨而產(chǎn)生自然火災(zāi)，雷電激化也會引起自燃，荒漠地表腐殖植土氧化自熱燃燒，都會引起煤燃燒，這種火災(zāi)從古至今都有發(fā)生。

③人為因素，從人類鉆木取火開始到現(xiàn)代的礦井和露天采礦，都存在著人為火災(zāi)的因素。現(xiàn)代煤礦發(fā)生的火災(zāi)，主要是生產(chǎn)管理上的問題，如開采方法不當(dāng)，不能及時通風(fēng)、排塵、井下火點不能及時熄滅等因素引發(fā)了礦內(nèi)瓦斯暴炸，引起煤層燃燒。西北是煤田火災(zāi)多發(fā)區(qū), 究其原因不僅與西北地區(qū)自然地理氣候環(huán)境有關(guān)，而且與人的管理不善也有關(guān)。

6.2滅火方法

火區(qū)滅火現(xiàn)場條件可選擇適當(dāng)?shù)臏缁鸱椒ǎ?/span>①沙土壓埋法，成本低、效果較好，②水土沖填法，③水沖降溫法，④山脊火區(qū)暴破剝離法，⑤巷道隔離法，⑥液體二氧化碳滅火法，⑦冷彈高壓膨脹滅火法（適用井下采區(qū)）。

滅火效果：井田內(nèi)火4和火5為1^-2和2^-2兩層煤自燃，防治前著火規(guī)模很大，防治時先后采用爆破剝離、沙土壓埋、沙土壓埋和水沖降溫發(fā)等處理方法，地表明火被全部控制，再者由于水源方便，長期進(jìn)行澆灌降溫，效果尤為明顯，因受地區(qū)限制，黃土極少，僅用沙子覆蓋住了明火口，其內(nèi)部仍存在陰燃，密封效果欠佳；火2和火3主要為2^-2煤露采后自燃，規(guī)模小，采用了沙土壓埋法，效果好；由于火1處在井田邊界的西側(cè)陡坎處，位置高，滅火成本較大，暫無治理。

7.?結(jié)論

1、磁測基本劃定了煤田新老火區(qū)邊界線，通過鉆孔進(jìn)一步驗證了火區(qū)邊界的可靠性，作者認(rèn)為，利用磁測方法是確定煤田火燒區(qū)邊界的一種簡單、方便、有效方法之一。

2、磁測在區(qū)分煤田新老火區(qū)上效果較為明顯，但受地形地質(zhì)條件、煤層的燃燒進(jìn)度和程度等影響，明確區(qū)分的話還需其他資料進(jìn)而甄別。

3、在煤田火區(qū)防治方面，要采用多種方法結(jié)合的手段進(jìn)行，必會達(dá)到一定的防治效果，挽回大量的經(jīng)濟(jì)損失，

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