‘壹’ 如何探测地下有煤炭和它的储存量
2.1 磁探测法〔1，2〕
磁探测法的实质是，煤层上覆岩石中一般含有大量的菱铁矿及黄铁矿结核，煤层自燃时，上覆岩石受到高温烘烤，其中铁质成分发生物理化学变化，形成磁性物质，并且保留有较强的磁性。烘烤后的上覆岩石的磁性随自燃温度升高而增强。早在60年代我国西北各省就用磁法结合电法勘探煤田火区，取得了一定成果。印度也利用此法确定Jharia煤田的自燃火灾区域范围，得到了十分满意的效果。俄罗斯、乌克兰也曾用此法确定煤田自燃火区范围。从这一方法的实质和目前应用的情况看，磁探测法主要用于煤田火区，而对于生产矿井自燃高温的探测应用较少，这主要是因为：①当自燃火源温度小于400℃时和烘烤时间短时，上覆岩石或煤层中就不能形成较高的磁性；且对于生产矿井而言，要处理的是煤自燃高温区域，自燃煤温较低和烘烤时间短，这样用磁法探测的效果并不理想；②对于生产矿井，井下高温区域周围铁性物质多,磁探测法则无法有效使用。③煤层顶底板和煤中分布的铁质结核不均匀，给磁测法探测自燃火区带来一定困难。
2.2 电阻率探测法〔2〕
正常情况下，埋藏于地下的煤层，沿走向（或其它方向）因其结构状态和含水性变化不大，电阻率基本保持不变。但当煤炭自然发火后，煤层的结构状态和含水性发生较大变化，从而引起煤层和周围岩石电阻率的变化。在自燃的初期，电阻率会下降；在自燃后期，由于煤较充分燃烧，其结构状态发生较大变化，水分基本蒸发掉，表现为较高的电阻率。因此，可根据观测结果比较未自燃区和自燃区的变化情况，判断自燃区域的位置，这就是电阻率法探测自燃发火区域位置的原理。由于煤在自燃的初期，煤电阻率的变化不明显，致使电阻率探测法的探测精度受限；加之井下杂散电流多，用于井下高温区域的探测比较困难，目前国内外多用于露天开采和煤层露头自燃火源的探测。
2.3 气体探测法
煤自燃在不同的温度，其产生的气体种类和浓度是不同的；故根据气体种类和浓度，依次判断煤的自燃温度，并据气体浓度梯度大致确定高温区域的范围。气体确定高温区域范围可在井下或地面进行。
2.3.1 井下气体探测法
通常称为气体分析法，是目前国内外广泛应用的煤炭自燃的预测预报方法。对某矿当煤质一定时，其煤自燃生成的气体组分与温度有一定规律，用仪器或束管监测系统检测煤自燃释放的气体，以确定煤的氧化温度和煤炭自燃区域的可能范围，但它无法知道煤炭自燃的位置和发展变化速度，并且易受井下通风因素的影响。
2.3.2 地面气体探测法
由于煤炭自燃火源区域与地面存在一定的压差和分子扩散，使自燃火源向地面有着气体流动，而在地表层中产生一些有代表性气体是从煤炭自燃点垂直方向放射的，据此在地面可布置测点测量，来判断火源点大致位置。这种方法对于煤层埋藏较深，气体不能扩散至地面，且气体向上运移发生物理化学变化时，就无法使用。
2.4 氡气探测法
氡气探测是一种放射性探测方法，它兼有物探和化探的特点。它的原理是煤层自燃后，随煤温升高，氡气浓度上升，在地面布置观测点，应用α卡法、210Po法等，收集并测量氡气浓度，依此判断火区位置。国内山西矿业学院用此法在地面探测煤矿地下火源，并在古交北沟矿、潞安矿务局石圪节矿进行了成功应用，从应用情况来看，这种方法目前只在地面使用，自燃温度一般超过200 ℃；且用氡气量值也无法判断自燃的燃烧程度及其温度。
2.5 煤炭自燃温度探测法
2.5.1 测温仪表与测温传感器联合测温法
这是目前国内外最为广泛应用的一种方法，兖州矿区东滩煤矿也采用此法测量煤温。据探测地点不同分为地面探测和井下探测。
（1）地面探测法〔3〕。在自燃火区的上部利用仪器探测热流量或利用布置在测温钻孔内的传感器测定温度，根据测取的温度场用温度反演法来确定自燃火区火源的位置。这种方法常用于火源埋藏深度浅、火源温度高，已燃烧较长时间的火区。波兰、俄罗斯曾应用此法探测煤层露头的自燃火区范围，探测深度在30～50 m。
（2） 井下探测法〔4〕。此种方法是把测温传感器预埋或通过钻孔布置在易自燃发火区域(采空区和煤层内)，根据传感器的温度变化来确定高温点的位置、发展变化速度，这种方法受外界干扰少，测定准确，煤温只要升高，传感器位置合适，就能有效探测。这是目前井下准确的探测方法。山东矿业学院已成功地开发了适于井下应用的MKT-Ⅰ，MKT-Ⅱ和MKT-Ⅲ（自动监控）电脑型测温仪，此仪器的最大特点是测定准确，和测定距离长度无关。东滩煤矿应用此法在井下进行了成功的探测。由于测温及时、准确，为高温点的消除起到了积极的作用。
（3） 测温仪表与测温传感器联合测温法的缺陷。尽管此种探测法测定准确、可靠，弥补了上述一些探测方法的不足，但它本身也存在一些问题值得研究：①传感器的布置是探测自燃高温区域的关键，数量、位置准确，就能有效控制自然区域高温点；但这些布置参数受煤体温度场传导速度的限制，由于煤的导温系数较小，要想测取煤体温度，控制自燃位置，就要布置一定数量的传感器；②测温钻孔：要测取煤体温度，就必须在煤体内布置测温传感器，因而就需要测温钻孔，增加了工作量。
2.5.2 红外探测法〔5，6〕
在国内外这一方法已较广泛用于地面煤堆自燃和井下煤炭自燃火源的探测。探测仪器有红外测温仪和红外热成像仪，应用最多的是红外测温仪。俄罗斯采用红外测温仪，美国采用红外测温仪和热成像仪探测煤壁和煤柱自燃温度；国内兖州、开滦、徐州等矿区采用红外测温仪测定井下煤壁温度。红外测温仪是测取点温，红外成像仪是扫描成像测取温度。在国内，红外热成像仪井下没见应用，而在煤田地质调查、地震预报、地下水探测、岩突、岩爆等方面得到了应用。隧道和巷道内由岩石的应力引起的表面0.2 ℃左右的温度变化就可被测到，从而可分析引起灾害的程度。
红外探测法的实质是自然界的任何物体只要处于绝对零度(0 K)之上，都会自行向外发射红外线。其发射能量如下式
E=εαT4 (1)
式中 ε——辐射系数，其值为0＜ε＜1，岩石和煤体一般为0.7～0.98，辐射系数受物体化学组 分、表面状态、内部结构、含水量、孔隙度等影响；
α——斯蒂芬-玻尔兹曼常数，5.67×10-12 cm2.K4；
T——物体的绝对温度，K。
从式(1)可看出，物体的温度越高，辐射能量就越大，红外测温仪器接受辐射量而转换的辐射温度就越高，因此就可利用红外测温仪器对温度的高分辨率来探测井下巷道自燃位置。
在通常情况下，自然界的红外辐射区域是362K(89℃)至207K(-66℃)，即波长在8～14 μm的大气窗口区域内。 红外技术是探测物体表面的红外辐射温度，它不同于物理温度，物体表面的红外辐射温度取决于物体表面物理温度及其物体的物质成分、含水量、表面粗糙度、颗粒大小、孔隙度、热惯量(比热、热传导率、比重)等诸多因素；这些因素的任一项微小变化，都会引起红外辐射温度的变化。因此，在排除干扰因素后，提取同种物质的温度变化异常信息是至关重要的。
红外热成像仪类似于摄像机,它将镜头视场内景物的红外辐射温度场(25°×20°的景物)，通过锗透镜聚焦到红外敏感原件上(单点扫描式、线阵或面阵排列),转换成电信号，经电路放大、模/数转换、记录并显示，当然还得有一套复杂的处理软件，其结果通常将其视为景物的温度图像，现以TVS-600热像仪为例，在热像仪距景物2 m时，摄得景物面积为：2×tan25.8°=0.97 m(水平方向), 2×tan19.5°=0.71 m(垂直方向)，在0.97 m×0.71 m内又有320×240个像点，每个像点的面积为2.8 mm×2.8 mm，就是说只要有7.84 mm2面积的热异常(大于0.15℃)就能被发现。而煤壁总有一些微裂隙，微气孔的热传导、热对流和热扩散，使表面局部产生温度变化，从而观测到红外辐射温度异常，故利用红外热成像仪准确探测自燃高温区域成为可能。关键在于如何通过温度异常来诊断自燃高温点。
另外，非致冷的面阵探测器(红外敏感元件)是当今红外科学发展的新贡献，它给行业使用带来了方便，就不需要如液氮等致冷液体、气体或压缩机(小型循环致冷)，同时减少了噪声、耗电量和重量。
‘贰’ 地下煤层自燃遥感和地球物理探测指标
（一）地下煤层自燃遥感和地球物理探测基础指标
（1）煤田地表区域热异常，数据获取平台为多时相夜间卫星热红外遥感，基本图件为煤田地表遥感热异常图。可与高空间分辨率遥感图像进行复合。为对比分析，制图放大比例尺可为1：10万～1：1万。
（2）卫星热异常靶区地面特征点、剖面和区段的温度参数，数据获取平台为航空高光谱热红外成像仪、地面高分辨率热红外成像仪，基本图件为1：5000地面温度异常图（航空）或地面热红外成像温度异常图。
（3）与煤田煤火有关的地表烧变岩、喷出物、芒硝、硫磺、土壤和植被等高光谱异常，数据获取平台为航天（空）高光谱遥感和地面波谱仪，基本图件为1：5000或1：1万高光谱异常图。
（4）地球物理探测异常，数据获取平台为直升机航磁、航电测量系统，基本图件为航磁、航电异常图，制图比例尺为1：1万，重点灭火区编制1：5000三维航磁、航电反演成果图。
（5）航磁、航电异常靶区地面特征剖面，区域的地磁、氡气、米测温、放射性、电磁场参数异常，基本图件为1：5000磁、氡气、电磁异常、米测温图像（或剖面异常图）。
（二）地下煤层自燃遥感和地球物理探测解释（译）成果指标
（1）地面烧变岩、燃烧中心（喷射物质型）、燃烧裂隙、燃烧系统的分布、面积，数据获取平台为高空间分辨率卫星遥感，成果图件为1：1万地表燃烧系统和烧变岩解译分布图。
（2）地下燃烧体的深度、状态、位置及空间展布范围，数据获取平台为1：5000～1：10000直升机航磁、航电测量；重点火区的地面磁法、测氡法和电法测量，成果图件为1：1万～1：5000地下燃烧体分布图和电法电阻率反演断面图。
（3）地下煤层自燃区的分布、状态、埋深及其变化，主要信息源为多时相卫星（航空）热红外遥感（温度）异常、地面热红外成像温度异常、遥感高光谱异常、地表燃烧系统与烧变岩解译分布图及磁、电磁、氡气异常反演的地下燃烧体分布图。成果图件为1：1万火区分布、状态、埋深及其变化趋势图。
‘叁’ 地下煤层自燃探测的地球物理前提
地下煤层自燃时温度可达800～1000℃以上。如此高温条件下，岩层受高温烘烤变质成浅红色、赭色、浅黄色烧变岩，敲击会发出陶瓷片声。地表岩层裂隙度增大，地表土变松软，有大片的潮湿土。地表面形成一层薄硬壳，颜色为棕红色，带有硫化氢的气味，这是地下煤层燃烧形成的SO2气体随热气上升在地表形成。同样，顶底板围岩中矿物成分也要发生物理化学性质的变化，原有的结构性质也要变化，围岩的物理性质也要发生变化。就目前研究结果，这种变化体现在如下几个方面，见表2⁃3⁃9。
表2-3-9 地下煤层自燃不同阶段引起的围岩物性变化特征
1.磁性
对于乌达地区，煤层的磁性随温度变化很小，围岩磁性变化较大。围岩磁性的变化在煤层不同燃烧阶段有不同的特征。在煤层开始燃烧，围岩温度逐渐上升，在特定的温度段（通常在500℃左右），磁性出现升高；在更高温度条件下（700℃左右），围岩磁性消失。在煤层燃烧结束后，温度高于500℃的围岩温度降低，岩石磁性较原岩升高上百倍。因此，通过测量地下煤层自燃区的磁场，可以有效地发现烧变岩体。
2.电阻率
地下煤层燃烧，不仅使围岩电阻率发生变化，也使煤层电阻率发生变化。通常在温度低于200℃条件下，围岩及煤层的电阻率随温度变化较复杂，可能升高也可能降低，主要取决于岩石的物质成分、矿物结构等。在高于500℃左右的条件下，围岩及煤的电阻率随温度升高而降低。因此，电法勘探既可以通过测量地下空间的电阻率分布，对比电阻率异常的升高特征，发现热异常体，圈定燃烧区域，也可以通过发现局部低阻体，确定煤层着火点。
3.放射性
地下煤层自燃产生高温，使大量放射性气体析出，并向近地表迁移。在燃烧区上方可产生伽马能谱钍和铀测量道的高值异常（钍异常比铀异常明显），形成放射性气体（包括氡气和钍射气）浓度异常，野外数次实测的结果证明了这一点。利用这些放射性差异，经数据处理后，可确定地下火区位置和范围，是比较理想的探测煤层高温燃烧区方法。
‘肆’ 如何测试固体在空气中的引燃温度
燃点：不论是固态、液态或气态的可燃物质，如与空气共同存在，当达到一定温度时，与火源接触就会燃烧，移去火源后还继续燃烧。这时，可燃物质的最低温度叫做燃点，也叫做着火点。
一般液体燃点高于闪点，易燃液体的燃点比闪点高1~5℃。
自燃：在通常条件下，一般可燃物质和空气接触都会发生缓慢的氧化过程，但速度很慢，析出的热量也很少，同时不断想四周环境散热，不能像燃烧那样发出光。如果温度升高或其他条件改变，氧化过程就会加快，析出的热量增多，不能全部散发掉就积累起来，是温度逐步身高。当到达这种物质自行燃烧的温度时，就会自行燃烧起来，这就是自燃。使某种物质受热发生自燃的最低温度就是该物质的自燃点，也叫自燃温度。
在自燃温度时，可燃物质与空气接触，不需要明火的作用就能发生燃烧。自然点不是在一个固定不变的数值，它主要取决于氧化时所析出的热量和向外导热的情况。可见，同一种可燃物质，由于氧化条件不同以及受不同因素的影响，有不同的自燃点。
自燃可分两种情况。由于外来热源的作用而发生的自燃叫做受热自燃；某些可燃物质在没有外来热源作用的情况下，由于其本身内部进行的生物、物理或化学过程而产生热，这些热在条件适合时足以使物质自动燃烧起来，这叫做本身自燃。
本身自燃和受热自燃的本质是一样的，只是热的来源不同，前者是物质本身的热效应，后者是外部加热的结果。物质自燃是在一定条件下发生的，有的能在常温下发生，有的能在低温下发生。本身自燃的现象说明，这种物质潜伏着的火灾危险性比其他物质要大。在一般情况下，能引起本身自燃的物质常见的有植物产品、油脂类、煤及其他化学物质。如磷、磷化氢是自燃点低的物质。
‘伍’ 自燃点如何测量
使用自然点测试仪
一、自燃点测试仪用途 自燃点测试仪符合国家DL/T706-99、IEC79-4：95标准，用来测定运行油、抗燃油试样在烧瓶里产生燃烧现象时测试得最低温度。自燃点测定仪 二、自燃点测试仪仪器特点 高精度智能控温，加热均匀，布局合理，精度高，准确度好；采用三点测温，即：底部中心、侧壁中部、和上部。 三、自燃点测试仪技术指标 测试范围： 100~1000℃ 控温准确度：±1℃ 电源： AC220V±10% 频率： 50HZ±5%