探测自燃火源位置的多重方法联用技术

祁晓波

(晋能集团有限公司，山西 太原 037000)

0 引言

煤矸石堆积不仅影响地面景观，而且占用土地资源、污染水资源、矸石自燃的危险性会随着堆积时间的增长而越来越大，大量污染大气环境的有毒有害气体如SO2、CO、H2S等会随着矸石的自燃产生出来，并且，更为可怕的是矸石自燃有可能会引发爆炸等一系列恶劣影响，不仅如此，还有诱发滑坡等地质灾害的可能。而火源探测则是煤矸石火灾治理的前提和基础，一切行之有效的灭火手段都只有在精确的火源探测基础上才能实施[1-3]。通过多种不同方法对矸石场火源进行探测，并进行比较分析，旨在得到一种多重方法联用的火源探测技术。

1 矸石场概况

山西霍尔辛赫煤业有限责任公司霍尔辛赫井田位于山西省长治市长子县境内，其地理坐标为：东经112°53′11″～112°57′20″，北纬36°03′03″～36°08′47″。矸场内地形总趋势为南高北低，地势较为平坦。沟底高程为941，沟顶高程为951。近期，在矸石场东部边坡位置矸石发生“爆炸”，现场勘查发现，“爆炸”产生一处直径约为20 m的矸石坑，并伴有明显冒烟现象及刺鼻气味。矸石场南部边缘位置及地表裂缝区域也见有冒烟现象。据此，判断该矸石场矸石已发生自燃，决定对该矸石场进行火源探测。结合前期的矸石场资料搜集，以及多重方法探测矸石场火源位置的结果，综合分析现场勘查异常确定矸石场自燃区域位置，为矸石场火区的治理工作起到指导作用。

2 火源探测方法

由于矸石山自然发火位置一般深度较浅，且同矸石场地表裂隙等地表环境有着紧密的联系，利用红外成像仪、CO便携仪、温度便携仪和同位素测氡仪等装备对矸石场的热异常及烟气、矸石场裂缝等地表异常进行勘查，综合分析自然区域位置。

2.1 红外热成像法

红外探测法能探测出物体表面的辐射能量场或辐射温度，因此，对于浅埋煤层火区探测和露头火火源探测，利用红外热成像技术能够取得直观的效果[4]。选用进口设备ThermaCAM SC640红外热像仪针对露头火进行火源探测。ThermaCAM SC640红外热像仪采用高性能非制冷焦平面探测器，可生成640×480像素的红外图像，温度分辨率0.01 ℃。采用ThermaCAM SC640红外热像仪进行地表拍摄，拍摄图片输出至电脑利用专门的软件进行处理，可获得地表表面温度分布图，初步判定地表高温区域的范围，并结合多参数气体检测技术，对治理区内的有毒有害气体进行详细探测，依据探测结果可初步将治理区划分为不同的高温等级。

2.2 气体探测法

大量的气体会随着煤体的温度升高而产生出来，但其种类与浓度差别较大，故可根据种类和浓度的差异判断煤的自燃程度，然后根据不同种类的气体浓度的变化趋势来大致确定火源范围。其原理是火源处温度较高，由于温差导致它与地面存在压差，进而导致分子扩散，气体会源源不断地从火源位置涌向地面。据此，在预定的火源探测区域每隔10 m布置一个测点，在测点处打深度为1～1.5 m的钻孔，从钻孔中取气，检测其中的CO浓度，并绘制成图，含量大的地方则代表火源的大致位置[5-6]。

2.3 同位素测氡法

天然放射性的氡气是广泛存在于自然界中的，它是天然放射性铀系气体元素，镭是其直接母体，而镭的母体是铀，岩石和土壤中的氡气的浓度大小是由母体原始的含量水平决定的[7]。矸石的自燃产生大量气体会形成一个压力梯度，氡气会以产生的气体为载气上升至地面，由此可见，氡气的运移速率会随着矸石的燃烧产生的压力梯度增大而增大，进而导致地下铀元素产生镭元素，进而不断产生氡气，这即是同位素测氡法定位火源的原理[8-10]。

2.4 多重方法结合的优点

红外热成像仪可以准确的测量地表的温度，获得地表表面温度分布图，初步判定地表高温区域的范围，但是却不能探测到埋藏较深火区，而测氡技术很好地弥补了这一点[11]。地面气体测定法只能作为火源探测的辅助方法，因为它不仅只能大致确定火源位置，而且受空气流动、覆盖岩层性质的影响较大。同位素测氡法探测技术使用的测氡仪受环境影响比较明显，对振动比较敏感。由此可见，几种探测方法各有优缺点。因此，将几种方法联用，使用红外热成像技术大致的检测出矸石自燃的火源位置，为测氡技术明确重点，在测氡的基础上，对测氡区域进行温度和气体测量，几种技术相辅相成，互相弥补，通过对比，可以进一步精确火源位置。

3 探测结果及分析

3.1 红外热成像法

在矸石场东部边坡位置有一处直径约为20 m的矸石坑，并伴有明显冒烟现象及刺鼻气味，如图1所示。初步判定是由于该位置内部矸石自燃产生高温，外加雨水灌入，导致此区域矸石场“爆炸”所致。在矸石场东南部位置，也发现了成片温度异常区域，此区域地表温度最高可达70 ℃以上。矸石场南部边缘位置及地表裂缝区域也见有冒烟现象，如图2所示。

“爆炸”区域红外成像及分析如图3所示，勘测当天的正常地表环境温度为18.6 ℃，从图3可以看出，此区域地表最高温度可达85.1 ℃，估计内部温度达800～1 200 ℃。

红外成像及分析如图4所示，勘测当天的正常地表环境温度为18.6 ℃，从图4可以看出，此区域地表最高温度可达51.5 ℃。

图1 矸石场东部边坡“爆炸”位置

图2 矸石场南部地表裂缝

图3 “爆炸”区域红外成像及分析

图4 矸石场南部异常区域红外成像及分析

由红外热成像技术可以得出，该矸石场自燃火源的大致区域为东部、南部及东南部。经过大致确定后，再使用其他方法排查确认。

3.2 同位素测氡法探测法、气体探测法及温度法

探测流程：确定探测区域→测场的选择及测点布置→探测杯埋设、打钻→测量→结果分析。

确定探测区域：为准确确定矸石场自然发火位置，确定探测区域如图5所示。此区域以坐标东经112°58′39.29″，北纬36°03′08.83″为原点，东西长270 m，南北长150 m矩形范围内的矸石场区域，如图5斜线范围区域所示。

图5 同位素测氡法探测区域

测场的选择及测点布置：本次同位素测氡、气体探测法及温度测定法的测点是在划定好的探测范围内采用测点间距10 m的正方形网格布置的。每一点预先编号，确定相对位置，现场采用测绳找点及布置测点。

探测杯埋设、打钻：同位素测氡法使用的探测杯是用高吸附材料制成的，收集范围为12 cm×8 cm。在每个编号的测点上挖宽规格为高30 cm、深40 cm、直径30 cm的坑，将探测杯用塑料布覆盖后杯口朝下放入坑内，随后，用土覆盖并进行标记，如图6所示。气体探测法及温度测定法使用电钻在布置网点处打深度为1.0～1.5 m的钻孔，从中取气样进行分析。

图6 探杯埋设图

测量：将埋设4～10 h的探测杯取出，放入CD-Ⅰα杯探测仪进行测量，每隔1 min记录一次数据，每个测点记录3次数据，并记录下相应的环境等参数，然后从钻孔中取气样快速分析得到相应的CO浓度及检测钻孔内的温度值。

结果分析：将所测结果输入专用软件，根据输入的数据得到相应的氡值、CO浓度值及温度值立体图与等值线图，如图7所示。由图7可以看出，虽然图7(a)、图7(b)、图7(c)显示的对应的氡值、CO浓度值、温度值显示的异常值不能完全对应，但可以看出异常的区域还是反应出良好的对应性，图7(a)显示的氡值立体图与等值线较图7(b)显示的CO浓度值与图7(c)显示的温度值更清晰和明了；图7所显示的异常区域与红外热成像法检测到的异常区域也显示了良好的对应性。基于图7所显示的结果和各种方法本身的特点，可以确定，本次火源探测应该以同位素氡探测法为主，红外热成像法、气体探测法与测温法为辅。

a-氡值立体图与等值线图;b-CO浓度值立体图与等值线图;c-温度值立体图与等值线图图7 氡值、CO浓度、温度等值线图

4 结论

(1)各种火源探测方法各有优缺点，通过各种方法对火源进行探测，进行对比分析，得出了对霍尔辛赫煤矿矸石场自燃火源位置探测应采用以同位素氡探测法为主，红外热成像法、气体探测法与测温法为辅的多重方法联用技术，得出火区分布平面图。如图8所示，在测场内探明温度异常区4个，分别为A、B、C、D，总面积约8 468.9 m2。

图8 温度异常区域图

(2)A区为一高温火区，面积为2 611.8 m2，位于探测区域北部，X坐标范围10～25，Y坐标范围11～15；B区为一高温火区，面积为1 957 m2，位于探测区域东南部，X坐标范围20～27，Y坐标范围3～10；C区为一高温火区，面积为1 367.5 m2，位于探测区域南部，X坐标范围14～20，Y坐标范围1～6；D区为一高温火区，面积为2 532.6 m2，位于探测区域南部，X坐标范围5～15，Y坐标范围1～9。