张辛亥，程望收，李勋广，苗于惠，窦 凯，朱 辉，赵 斌，陈 飞，杨少雄

（1.西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室，陕西 西安 710054；2.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054；内蒙古伊泰煤炭股份有限公司 凯达煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017000）

煤田火区范围的圈定及其演化规律是对煤火进行高效治理的前提条件。煤岩通过高温处理后的磁性变化规律为磁法探测提供理论依据，因此近年来关于高温煤岩磁异常特征及应用磁法有效探测煤田火灾范围的研究越来越多[1-2]。但隐蔽火源探测仍然是个难题，目前，一般情况下高温燃烧会引起磁异常，磁异常规律是磁法探测的基础，不同煤层高温下引起物理化学变化不同，产生磁异常规律不同[3-5]。

国内外已开展了不同温度下砂岩、粉砂岩、泥岩等不同岩性、不同铁质矿物含量的岩石样品的磁化率的现场测量和实验室研究[6]。Hooper学者通过大量磁化率测量实验发现烧变岩和正常岩之间的磁化率具有显著的差异，提出大多数岩石的磁化率与其铁磁性物质的含量成正比[7]。邓军等指出探测煤田火区最有效的途径就是磁法[8]。Beiki等提出可以利用磁场模量的梯度张量计算归一化磁源强度方法来估计磁性目标体的位置[9]。张辛亥通过实验表明煤比岩石和煤矸石的磁化率在较高的温度下更高，更敏感[10]。目前，尚未将燃烧前后煤岩磁性的变化规律和现场煤田火区探测到的磁异常规律结合起来分析。为此，对在不同状态以及不同温度下引起煤岩磁场发生变化的原因、机理、规律进行探究。

1 实验部分

1.1 实验原理

物体的质量磁化率是单位磁场强度在单位质量物体上产生的磁矩，可表示为：

式中：χ为物体的质量磁化率，m3/kg；k为物体的磁化率；ρ为物体的密度，kg/m3。

当试样置于两磁极中间，其在竖直方向所受的磁场力f可表示为：

式中：u0为真空磁导率，u0=4π×10-7N/A2；χg为样品物质比磁化，m3/kg；δ为样品松散密度，kg/m3；S为样品横截面积，m2；H1、H2为样品两端最高和最低磁场强度，A/m。

当样品足够长时，H2≈0，

样品在磁场中增加的质量为

式中：△m为样品在磁场中的质量增加值，kg；g为重力加速度，g=9.80 m/s2。

由于竖直方向只受安培力和重力，所以样品在磁场中增加的重力就是所受的磁场力，由式（3）、式（4）可得：

式中：m为样品质量（m=IδS），kg；I为样品长度，m。

从式（5）可知，I、g、m均为已知常数，通过改变H1的值，测出△m大小，便可以计算出χg的值。

1.2 实验设备及方法

主要试验设备包括改良古埃型磁测仪、精密电子天平、马弗炉，制备样品的设备包括颚式破碎机、振筛机、标准套筛、球磨机等，古埃型磁化率测量仪结构示意图如图1。

图1 古埃型磁化率测量仪结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the structure of the Gu’ai type magnetic susceptibility measuring instrument

先将所选煤样以及岩石样品利用颚式破碎机、振筛机、标准套筛、球磨机破碎、研磨、筛选出2组相同粒径（0.9～3.0 mm）的煤岩样品，第1组放置在实验室室温（25℃）的环境中，将其他7组放置在加热炉中对其进行温控加热（温度分别控制在100、200、300、400、500、600、700℃）达到实验要求的温度后，在保持恒温的基础上再继续加热30 min，然后按要求取出加热处理后的煤样品并将其置于室温中。根据实验步骤，将8组煤样放入样品管中，用磁天平在0.5 T的磁感应强度下测量其磁化率，在测量过程中加热另1组，每50°C记录1次数据。

1.3 实验结果分析

升温煤及烧变煤磁化率与温度的关系如图2。在25～250℃的范围内，升温煤和烧变煤的磁化率变化趋势相对相似，两者都随温度的升高而逐渐增加，且升温煤磁化率增长速率略高。在250～350℃的温度范围内，升温煤的磁化率迅速增加，在350°C时达到最大值；在这个升温过程中，烧变煤的磁化率比升温煤增长速率低很多，但仍处于增长阶段。在350～500℃时，升温煤的磁化率迅速下降，在500℃时下降到负值；此阶段，烧变煤的磁化率在增长率变小的情况下依然呈增加趋势。最终，在500～700℃的温度范围内烧变煤保持前期的稳定趋势，升温煤变成弱磁性体，随温度而波动，总体变化不大。

图2 升温煤及烧变煤磁化率与温度的关系Fig.2 Relationship between temperature-increasing coal and burnt coal susceptibility and temperature

为了进一步研究温度对煤岩磁性磁化率影响内在机理，实验对常温下和经过不同温度灼烧过的煤岩组分利用（XRD-7000型，X-射线衍射仪）做进一步检测。将煤试样破碎并研磨为粒径200目（75 μm），分别对2种试样进行加热，加热温度范围为室温到700℃，空气环境，每100℃1个试样点，每个试样恒温加热40 min。加热器是马弗炉，在实验开始之前先对加热仪器进行预热，达到实验所需的温度后，将样品在恒温下加热40 min，然后将加热后的样品放置在空气进行冷却。

常温煤的衍射图谱如图3，图中θ为衍射角。由图3可知，实验中煤的矿物成分主要为方解石（GaCO3）、石英（SiO2）和高岭土（Al2Si2O5（OH）4），衍射最高峰矿物质为方解石，含有少量的赤铁矿（Fe2O3）和黄铁矿（FeS2）。

500℃与700℃加热处理后煤的衍射图谱如图4。由图3和图4可以看出，经过500℃加热处理后试样中原衍射角位置的赤铁矿衍射峰高有所增加，其他衍射角位置出现了新的赤铁矿和黄铁矿，表明在500℃恒温加热及冷却至室温的过程中，磁化率的升高主要由于赤铁矿和黄铁矿含量的增加引起。对比在700℃和500℃的恒温下加热的产物发现有部分黄铁矿不复存，这是由于300～500℃范围内，煤中的无机矿物质在升温过程中的种类和含量变化是磁性变化的主要影响因素，是岩石中菱铁矿、针铁矿等在高温下转变为磁铁矿，是这个阶段煤岩磁化率急剧增长的主要原因。

图3 常温煤的衍射图谱Fig.3 Diffraction pattern of normal temperature coal

图4 500℃与700℃加热处理后煤的衍射图谱Fig.4 Diffraction patterns of coal after heat treatment at 500℃and 700℃

磁化率在整个测试过程中显示出清晰的峰值，初步判断出现这种现象的原因很可能是在这个过程中有矿物某种或多种矿物质变成了磁铁矿。对于这种情况，有3种解释：①磁黄铁矿在加热到500℃左右时转变为磁铁矿，但在岩石X射线衍射实验中并未出现磁黄铁矿，所有这种现象不会发生；②Hopkinson效应，即多畴磁铁矿颗粒中畴壁的活性增强和数目增多，或是单畴颗粒磁矩活动能力的增强使试样磁化率发生变化；③岩石中的铁磁性矿物在加热过程中分解或转化形成强磁性矿物，如赤铁矿转变为磁铁矿，由于磁赤铁转变为磁铁矿是在有氧条件下发生的，而本实验是在绝氧条件下，所以这种解释的可能性也不大。试样在600℃左右磁性基本达到最低值，说明试样中含有磁铁矿，而没有赤铁矿，因此，525℃左右磁化率出现峰值是由于多畴磁铁矿的畴壁活性增强和数目增多引起，或单畴颗粒磁距活性增强导致，随着温度的升高达到磁铁矿的居里温度后，磁化率迅速降低。

2 磁异常正演数学模型建立

在对磁异常的探测中，磁偶极子是一种常用的磁性目标模型，故在对煤田火区的探测中，可以将着火区域或者高温区域视为无数个分子磁偶极子[11]。

磁偶极子可以看成由许多无限小的磁体元组成，对每1个无限小的磁体元d v而言它在P点的磁位可表示为：

可求得磁偶极子的磁位的表达式：

式中：U为磁位，J；r为真空磁偶极子到空间一点的矢径，m。

对磁偶极子的磁位进行积分：

式中：v为M的积分区；M为磁矩，A·m2。

M=（mx，my，mz），把磁偶极子所包含的所有磁体元的磁位积分求和，可得到所有磁化体在P点的磁位积分表达式：

3 获取磁异常正演计算

3.1 煤田火区磁异常物理模型

假设煤田火区磁异常区域为中心温度600℃的长方体模型，其x轴、y轴和z轴方向的长度分别为a、b、c，其中（x0，y0，z0）为中心坐标点，（ξ，ζ，η）为长方体所在位置的坐标点，（x，y，z）为观测点的坐标点[12]，长方体的引力Fv为：

对式（11）进行二阶求导，并作积分将其代入到下式中得到磁异总场强T（x，y，z）。

设长方体的磁性参数和几何参数为：a=5；b=4；c=3，其中心点的坐标为（0，0，h），即煤田火区的埋深h设为50 m，探测平面区域X为（-200，200）；Y为（-200，200），每0.5 m 1个测点，探测平面的高度设为0，磁矩M统一设置为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为磁倾角，（°）；I为磁偏角，（°）。

3.2 结果分析

对磁异常T（x，y，z）而言，在探测范围的煤田区域其地磁场的I、D分别为60°、-10°。根据式（14）利用Matlab编写代码进行三重积分仿真得到的在不同埋深情况下的磁异常总场强度三维等值线图如图5。

图5 火源不同埋深磁场强度三维等值线图Fig.5 Three-dimensional contour diagrams of magnetic field intensity at different depths of fire source

煤田火区磁异常体的埋深分别为50、60、70、80、90、100、200、300 m时磁异常总场强度即磁异常模量的变化如图6。随着异常体埋深的增大，目标体表现出来的磁场强度的极值在不断地减小；而且到接近异常体的范围时强度的突变率也在不断的减小；磁异常发生突变的范围随煤田火区埋藏深度的增加而不断的向四周扩展。磁性目标体表现出来的磁异常强度总体呈现出埋深越浅异常强度越大且越向中心聚交，埋深越大，异常强度越小且越向四周扩散；当埋深大于300 m是磁异常强度很难确定，煤田火区也就很难判断。

图6 不同埋深情况下的磁异常强度Fig.6 Magnetic anomaly strength at different burial depths

3.3 现场实测验证

在准东铁路公沟隧道附近对已经产生高温和冒烟的半坡，使用GPS定位结合磁法探测进行现场探测。

在铁路旁边坡高出铁路约10 m的第1个平行于铁路台布置25个测点，在高出铁路20 m的第2个平台设置25个测点，在高出铁路20 m的第3个平台布置25个测点，这些测点之间的间隔都是10 m，在山体西北的平台边缘设置25个测点采用α磁力仪测定100个测点的磁场强度，对数据进行处理，准东铁路公沟隧道处的磁异常区剖面图如图7。

图7 准东铁路公沟隧道处的磁异常区剖面图Fig.7 Sectional view of the magnetic anomaly zone at the Gonggou tunnel of the Zhundong Railway

在第1个平台布置的25个测点中，前10个测点探测的数据变化很小，第11～第16个测点磁场强度明显。磁场强度变化明显的这些测点正好在冒烟周围，证明此处磁异常与煤自然产生高温有关。在第2个平台和第3个平台进行探测时同样发现在冒烟地带周围磁场强度变化明显，且变化率与第1个平台相比较而言逐渐减小，说明地下高温区域在地面上所变现出来的磁场强度与其深度有关系。

4 结论

1）随着煤田火区埋深的增大，目标体表现出来的磁场强度的极值在不断地减小；而且到接近异常体的范围时强度的突变率也在不断的减小。

2）埋深较浅的煤田火区其磁异常剖面狭窄且尖锐，埋深较深的磁性体其磁异常宽阔且平缓。磁异常发生突变的范围随煤田火区埋藏深度的增加而不断的向四周扩展。

3）仿真结果发现在煤田发生火灾的区域埋深大于300 m时所表现出来的磁异常强度很小，这就说明在深度大于300 m时，煤火区域位置很难确定。