测氡法在浅埋煤层火区探测中的应用

费金彪，文 虎，金永飞

0 引言

2016年1月6日上午9时许，神木县刘家峁煤矿发生一起爆炸事故，事故导致11人遇难。爆炸导致煤体燃烧，产生了大量的有毒有害气体。同时，由于爆破点附近储存有炸药和雷管等火工品，为了避免火灾蔓延，再次引起火工品爆炸，需要尽快控制火区，要明确火区的火源位置和范围。现有的地下煤火探测技术主要有:温度探测法、气体探测法、雷达探测法、遥感法、磁探法、电阻率探测法、红外热成像法、测氡法等［1－4］，每种探测法均有适用的环境和条件。如温度探测法一般应用于距离较近、浅埋藏的煤层;气体探测法能够检测火源的燃烧程度，无法探测高温的具体位置和范围;雷达探测法由于波衰减太快，缺乏可靠的参数对比，很难区分地质构造与高温区;遥感法、磁探法、电阻率探测法适用于大范围的煤田火;红外热成像法适用于煤矿井下煤壁、煤层露头、煤矸石山等表面高温区域的探测;测氡法技术已经成熟，曾多次在地面探测井下采空区煤火的位置和范围探测中应用，准确，可靠，经济，方便，是较为高效的煤火探测技术［5－7］。邓军等研究了老窑煤自燃氡探测法，得出测氡法对长时间的老窑火区位置和范围探测切实有效［8］;王海燕等对典型的煤层露头、采空区综合火区采用测氡法进行了探测，明确了火区位置范围的同时，掌握了火区的漏风情况［9］;张辛亥、金永飞等学者针对煤田和矿井火灾采用测氡法作了大量的理论和应用研究［5－6］。以上学者都针对内因火灾采用测氡法，对于外因引起的煤层火灾地面探测技术研究尚少，文中采用氡法探测浅埋煤层外因火灾，确定了高温区域的位置和范围。

1 火区概况

乾安煤矿露天开采，与刘家峁煤矿相邻。爆炸点位置位于1－2煤层保护煤柱附近，导致1－2煤层煤柱着火。该煤层距离地表50～60 m，1－2煤层下部为2－2煤层，距离地表 80～90 m，1－2煤层和2－2煤层通过溜煤眼和回风联络巷相连，如图1所示。救护队员在事故救援过程中，发现刘家峁煤矿巷道烟雾较重，测得井下最高的 CO气体为4 204 ppm，并在乾安煤矿井下发现两处明火，同时露天坑口发现明火。根据现场情况，及时将刘家峁矿全部井口和乾安煤矿露天坑口与火区连通的7个通道全部用黄土封闭，2月26日现场气体观测主井封闭墙外CO气体浓度是3 050 ppm，风井主扇处CO浓度为750 ppm，4月中旬，在主井封闭墙外CO气体浓度偶尔达到1 000 ppm，采空区地表存在漏风情况较严重。

图1 爆炸点位置示意图Fig．1 Explosion location

2 火区特点

乾安矿与刘家峁矿火区由于外因引起，处于阴燃状态，具有以下特点:①火源点位置和范围不明确;②火区热容量大。煤体一旦燃烧，短时间内就会蓄积大量的热能，岩石和煤体都是热的不良导体，导致火区热容量大;③裂隙供风为火区发展提供了条件;④产生大量有毒有害气体;⑤火区熄灭易复燃。该火区漏风通道复杂，火区既与下层煤通风系统相连，同时还存在地表裂隙;⑥存在雷管及炸药爆炸危险。随时有可能引起雷管或炸药发生爆炸，增加了火区治理难度［10－13］。

综上所述，火灾熄灭难度很大，要彻底治理火区，先要对着火位置和范围进行探测，确定火灾的位置和范围。

3 火区探测技术及方案

矿井外因火灾和内因火灾不同。矿井内因火灾是指煤在一定环境条件下自身发生物理化学变化，产生并积聚热量，使其温度升高，达到自燃点而形成的火灾，与外因火灾相比，内因火灾蓄热时间更长，一旦被发现煤体内就已经积蓄了大量的热能，而外因火灾是在缺少煤自燃环境的条件因外界条件引燃，一开始就很猛烈，从燃烧到被控制，火区内热量波动非常大。根据刘家峁矿火区特点，由于地形地貌特点和开采状况不明等实际状况，封堵不彻底，经分析火区内存在高温区域，并且持续时间较长，利用测氡法探测高温区域位置具有可行性。

3.1 测氡法探测火区的依据

由于氡的强迁移能力，氡作为一种示踪元素被广泛应用在活断层及隐伏断层确定、油气探寻、地裂缝探测、地震监测、大气输运示踪、地下煤火探测等领域［14－18］。在相似的地质地层环境下，通过氡元素浓度的不同，对煤矿井下的氡气散布与煤火关系来判定煤火的位置。矿井煤火灾害发生后，其上覆岩层中氡的溢散加强，因为氡衰变导致地表氡气浓度差异，此差异可与温度具有一定的对应关系，检测此差异信息来反映温度异常，这就是氡法通过地面探测地下煤火区的原理。

3.2 火区探测方案

根据矿方提供的图纸及收集的开采开拓相关资料，划定了火区探测范围以刘家峁矿老空火区地表范围为主。

1)选基准点，圈定大致探测范围，在探测范围边缘寻找3个基准点，呈近似等边三角形，探测范围位于该三角形范围内;

2)探测范围形状应为矩形，设计测点，确定测点的位置和对应编号，点距为10 m×10 m主要控制和探测形状接近四边形，先后共设计测点460个，探测区域长约240 m，宽210 m，探测面积约50 400 m2;

3)在设计测点处地表挖约40 cm深，30 cm长，30 cm宽的坑，埋α杯;

4)埋杯4至24 h后取出α杯并利用CD－1α杯测氡仪立即测量，测量时间为3 min，每隔1 min记一次数据，每个测点记录3次数据;

5)利用专业软件进行数据处理，确定氡异常区域并进行火区位置和范围分析。

探测仪器:CD－1α杯测氡仪、α杯和GPS，如图2所示。

图2 测氡法探测的仪器Fig．2 Radon detecting instruments

4 火源位置探测结果及分析

由于测点的布置为网状，实际探测过程中，因为地表实际情况，遇到大石块、沟壑等无法埋杯测量的地方取消了实际布置，有些异常区域地表存在裂隙，增加了测点，设计布置460个测点，实际布置401个，见表1．将数据进行差异化分析并通过专业软件分析，获得氡异常测值平面图和立体图。

表1 刘家峁矿火源测氡法探测数据表Tab．1 Liujiamao mine fire radon detection data

从图3～图5可以看出

1)测值平面图等值线密集区域和测值立面图柱状凸起区域为氡异常区域;

2)测氡范围内存在高温区域14个，编号与面积分别为 A 约800 m2，B 约600 m2，C 约400 m2，D约 400 m2，E 约100 m2，F 约 100 m2，G 约 400 m2，H 约200 m2，I约300 m2，J约200 m2，K 约50 m2，L约 600 m2，M 约 600 m2，N 约 300 m2，面积共计约为5 050 m2左右;

3)高温区域主要沿两横两纵布置，符合房柱式开采特点;

4)高温区域以爆炸点为中心呈扇形密集分布，恶化趋势逐渐形成。

5 钻孔探测

针对氡探测法的结果，高温区域距离爆炸点位置较远，通过钻孔施工验证测氡法的准确性。在L区域施工1#钻孔，孔内温度高达100℃，CO气体浓度达11 000 ppm;在Ⅰ区域施工的3#钻孔，孔内温度高达95℃，CO气体浓度达12 500 ppm;在B区域施工的4#钻孔，孔内温度高达92．8℃，CO气体浓度达16 500 ppm，验证了煤火探测的精确性，解决了火区治理关键问题。

图3 测值平面图Fig．3 Radon contour plan

图4 异常值立体图Fig．4 Three-dimensional diagram of outlier detection

图5 测值平面对照图Fig．5 Measurement value contrast

6 结论

1)通过测氡法在刘家峁火区火源探测中的应用，说明该方法在浅埋煤层外因火灾火源探测中是有效的;

2)测氡法探明了刘家峁火区高温区域有14处，总面积约5 050 m2;

3)爆炸导致煤火，爆炸点为火区的主要高温点，氡值异常的地表位置，附近存在不同程度的漏风情况，或与山体裂隙有关，或与地表裂隙有关，需要进行进一步的漏风观测。

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