摘要

煤田火烧区的存在，给勘探、建井、开矿和环境带来一定的危害，通过对陕北煤田火烧区区域构造和煤层火烧区磁性特征的分析研究，利用磁测圈定出新老火区的分布，推测出煤层地下燃烧情况，并采取多种手段对火烧区的预防治理，达到了一定的灭火效果，挽回诸多经济损失。

1.前言

陕西是煤炭资源大省，尤其陕西北部赋存着大量的煤炭资源，但由于干旱少雨等环境因素，在沟谷煤层出露部位经阳光强烈照射，煤层出现氧化发热自燃现象，直接影响了储量的准确估算及后期开采，所以在煤田勘探工作中，查明火烧区的范围及有效治理是很有必要的。

2.测区地质、地层、构造

本测区属侏罗纪煤田，地层区划属华北区鄂尔多斯盆地分区，中生代后期，受燕山运动的影响，陕北区域东部抬升，地层遭受强烈剥蚀，鄂尔多斯台向斜东翼陕北斜坡上，为北西向倾斜的单斜构造，产状较平缓，倾角1°左右，地质构造简单，没有大的构造断裂。地层从老至新为：三叠系上统永坪组（T₃y），侏罗系中统延安组（J₂y），第三系（N₂）及第四系（Q₄）。其中延安组(J₂y)为主要煤系地层。

本测区延安组以陆源碎屑沉积岩、浅灰白色中细粒砂岩为主,其次为灰色粉砂岩、砂质泥岩和泥岩,少有粗碎屑岩。另外夹有一定具有经济意义的可燃有机岩—煤、碳质泥岩和油页岩薄层,另有极少量的内源沉积岩,主要有石灰岩、泥灰岩、菱铁矿、黄铁矿。

3.井田现状和可采煤层

3.1 井田煤层

井田内延安组煤系地层自下而上分为一～五段，每段各含一个煤组，自上而下编为1～5号煤组，本矿区范围内主要为1^-2上、1^-2、2^-2四层可采煤层，底板标高分别为：1115-1120m、1065-1075m和1040-1050m。其中1^-1煤层位于延安组第五段上部，仅在测区东南侧有厚度为1m的煤层存在；1^-2上煤层位于延安组第五段中上部，分布于测区的南部，平均厚度3.55m；1^-2煤层位于延安组第五段中部，在测区大部分可采，平均厚度9.41m，厚度变化不大，规律性明显，结构较简单，不含夹矸，属稳定型煤层；2^-2煤层位于延安组第四段中部，全部可采，平均厚度4.75m，厚度变化不大，规律性明显，结构较简单，属稳定型煤层。

3.2井田开采现状

井田地势为南高北低，北侧紧邻河道，东北部河道处有村庄（见图1），下部煤层未开采，中北部保留有小面积的原始地貌，其余地方地表都已被被剥离，东西两部分均已揭露到1^-2煤层底板，西南部有两块小面积已露采至2^-2煤层。井田内1^-2上煤和2^-2煤都存在不同程度的明火区，共五处，主要由热红外遥感圈定出范围，其中火1为揭露煤层火，火2和火3主要为矸石堆火，火4和火5主要为揭露煤层火和采空区火。

图1  井田内煤层开采现状

4.测区地球物理特征

通过对井田出露地表和钻孔得到的火烧岩、粘土、砂岩、砂泥岩进行磁参数测定，得到了该区磁物性参数资料（表1）。

表1  区内磁物性参数测定统计表

井田地表绝大部分被第四系黄土和沙层覆盖；粘土在靠近河道处出露地表，具一定磁性，成为本次磁测工作的主要干扰源；砂岩、泥岩本身磁性微弱，甚至无磁性；当煤层自燃时，受高温作用的影响，使煤层顶底板岩石受热变质，形成了含暗色铁磁性矿物较多的烧变岩，温度降低后保留了较强的热剩磁，使其磁性变强，这是识别边界的重要特征。

5.磁法在新老火区的特征

5.1 磁法在火烧区的勘探原理

煤层自燃过程中，煤层及围岩中铁、磷等物质发生复杂的化学变化，煤层顶底板随着煤层燃烧以后温度的降低，冷却以后形成烧变岩，烧变岩温度降低后保留了较强的热剩磁，其烧变岩和正常围岩具有了明显的磁性差异，磁法勘探正是利用这一明显的磁性差异，来解决煤层自燃后火烧范围的。

5.2煤层烧变与磁异常分析

煤层在燃烧的过程中，煤层上覆岩石受到高温烘烤，由于高温和地磁场的作用，铁质矿物经氧化还原及“弱场冷却”的物理化学变化，产生了较强的“热剩磁”，相应的岩层形成了具有较强磁性的烧变岩，使烧变岩与围岩产生明显的磁性差异，利用磁参数测量可以圈出煤层火区燃烧范围，也会在磁异常中有所反应。

煤层的顶、底板原岩中含有大量的黄铁矿及菱铁矿结核，但含矿原岩磁性较微弱，磁化率（K）值一般很小。通过资料收集了解到本次测区为火烧区，当煤层过火后，煤层顶、底板的原岩受到高温烘烤，其中的铁质矿物成分发生化学变化，从而形成含铁磁性矿物的烧变岩。温度降低后，就保留较强的热剩磁，其磁化率（K）和剩余磁化强度（Jr）的常见值一般为燃烧变质前的数倍至数十倍，从而形成了明显的磁性差异，相应的岩层形成了具有较强磁性的烧变岩，使烧变岩与围岩产生明显的磁性差异。

另外，未燃烧煤层磁性非常弱或无磁性，部分燃烧的煤层和正在燃烧的煤层磁性也很小，而熄灭后的烧变岩磁性最强，因此，用磁法勘探火烧区实际上反映的是发火带到熄灭带的范围。

5.3新老火区磁性特征

磁异常成果解释结果，由∆T等值线图可以看出（图2），整体为正中高磁异常；东北角为负高磁异常，为正常煤层；中间未开挖区为正中高磁异常；其余正高磁异常主要由老烧变岩所致。

图2  磁法解释图

经21个钻孔验证，其中ZK3、13、17和21共四个钻孔有火烧现象，其余孔均为正常煤层，综合考虑下勾绘出煤层自然边界，推测圈定出火烧区7处，其中死火区4处，活火区3处，磁法异常区9处，具体分析如下：

死活区（即老火区）：SH1为正高磁异常，最高为864 nT，地表为原始地貌第四系覆盖物，未见工程开挖治理，可见多处裂缝，塌陷区有热气冒出，磁场值向上延拓50米后，该异常基本消失，主要由早期1^-2上煤层自燃形成的烧变岩引起；SH2为正中高磁异常，最高为562 nT，地表大部分为第四系覆盖层，未见工程开挖治理，无明显火烧特征，成因同于SH1；SH3为正中高磁异常，最高为358nT，地表已全部工程开挖治理，形成了落差5m的阶梯状陡崖，主要由早期1^-2煤层自燃形成的烧变岩引起；SH4磁测值除零星几处高值外都为正的中磁异常，最高为600nT，地表为1^-2煤层底板，北部为后期转运来的烧变岩，上层覆盖有较厚的黄沙，未见明显火烧现象，南部表现为条带状中高磁异常，主要由堆积的烧变岩引起。

活火区（即新火区，正在燃烧）：HH1为正中高磁异常，最高为980 nT，地表已开挖治理，见煤层燃烧，多处裂缝及塌陷区有热气冒出，异常南部与火4重合，磁场值向上延拓50米后，该异常仍然存在，主要由1^-2煤层自燃形成的烧变岩引起，异常边界为火烧过渡带；HH2为正中高磁异常，最高为676 nT。地表被开挖治理，见煤层燃烧，位于火5北部，磁场值向上延拓50米后，该异常值降低但范围变大，推测该火烧烘烤向西南蔓延，异常东部为1^-2上煤层自燃形成的烧变岩；HH3为正中高磁异常，磁测值北高南低，最高为384 nT，推测由陡坎边煤层出露而烧变形成的弱磁性烧变岩引起，与火4南部相吻合；

磁异常区: YC1为负低磁异常，最小为-1135nT，地表多为村庄和耕地，零星的正磁异常为铁器及房屋等干扰造成，煤层不存在自燃和开采；YC2、YC3、 YC4、 YC5、 YC6和YC7都为正高磁异常，最大值为642～969 nT，均由地表堆放的烧变岩所致；YC8为正中高磁异常，最高为434 nT，北紧火5，向东为工程开挖的分界线，地表可见数排未见爆破的钻孔，属于待爆破开挖区，由地层松散及浅部岩层烧变所致；YC9为正中高磁异常，最大为359 nT，地表已被开挖揭露，表层岩石松散破碎，并覆盖有大量烧变岩碎屑残留。

综上所述，新老火区都为正高磁异常，不同之处为老火区磁异常值极高，并且成片状，对磁场值进行上沿处理后，规模较小的老火区磁异常会减弱甚至消失，而规模较大的老火区不会有太大变化；新火区整体为高磁异常，但磁场值高低参差不齐，零星伴有中磁特征，这与煤层的燃烧进度和程度不同有很大的关系，故而要区分新老火区仅通过磁测之外，还需结合其他资料进行甄别处理。

6. 煤田火烧区的形成及灭火措施

6.1煤田火烧区成因

按照必要条件分为三个要素：①充足的空气(氧化助燃)，②适当的高温(聚热大于散热)，③充足的时间(形成火区全部过程)。

按照形成因素可分为三方面：①地理环境，陕北煤田属于中温带干旱大陆性季风气候，而又属西风带，日照充足，四季分明，气候多变，温差较大，气温偏寒，雨少不匀，春多风沙，夏季多雨，冬季受干燥而寒冷的变性极地大陆性气团控制，形成低湿、寒冷、降水稀少的气候特点，这些因素加快了出露煤层吸热氧化自燃的速度，是形成煤田火烧区的主要原因。

②自然因素，干旱半干旱区岩层和裸露的煤层经风化大量吸热，煤层颗粒孔隙内部原保留有部分CO₂ ，当温度上升达到临界温度时，煤颗粒孔隙间的 CO₂ 借热浮力作用挣脱于煤层，煤颗粒之间又获得外部新的空气补给，当内存温度达到一定高温 ( 80℃以上)，聚热温度大于散热温度时，就可以引起煤本身快速增温而燃烧，并释放出一定数量的CO₂ 气体，森林因久旱、干燥、少雨而产生自然火灾，雷电激化也会引起自燃，荒漠地表腐殖植土氧化自热燃烧，都会引起煤燃烧，这种火灾从古至今都有发生。

③人为因素，从人类钻木取火开始到现代的矿井和露天采矿，都存在着人为火灾的因素。现代煤矿发生的火灾，主要是生产管理上的问题，如开采方法不当，不能及时通风、排尘、井下火点不能及时熄灭等因素引发了矿内瓦斯暴炸，引起煤层燃烧。西北是煤田火灾多发区, 究其原因不仅与西北地区自然地理气候环境有关，而且与人的管理不善也有关。

6.2灭火方法

火区灭火现场条件可选择适当的灭火方法：①沙土压埋法，成本低、效果较好，②水土冲填法，③水冲降温法，④山脊火区暴破剥离法，⑤巷道隔离法，⑥液体二氧化碳灭火法，⑦冷弹高压膨胀灭火法（适用井下采区）。

灭火效果：井田内火4和火5为1^-2和2^-2两层煤自燃，防治前着火规模很大，防治时先后采用爆破剥离、沙土压埋、沙土压埋和水冲降温发等处理方法，地表明火被全部控制，再者由于水源方便，长期进行浇灌降温，效果尤为明显，因受地区限制，黄土极少，仅用沙子覆盖住了明火口，其内部仍存在阴燃，密封效果欠佳；火2和火3主要为2^-2煤露采后自燃，规模小，采用了沙土压埋法，效果好；由于火1处在井田边界的西侧陡坎处，位置高，灭火成本较大，暂无治理。

7. 结论

1、磁测基本划定了煤田新老火区边界线，通过钻孔进一步验证了火区边界的可靠性，作者认为，利用磁测方法是确定煤田火烧区边界的一种简单、方便、有效方法之一。

2、磁测在区分煤田新老火区上效果较为明显，但受地形地质条件、煤层的燃烧进度和程度等影响，明确区分的话还需其他资料进而甄别。

3、在煤田火区防治方面，要采用多种方法结合的手段进行，必会达到一定的防治效果，挽回大量的经济损失，

【参考文献】:

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