測氡法在淺埋煤層火區(qū)探測中的應(yīng)用

費金彪，文 虎，金永飛

0 引言

2016年1月6日上午9時許，神木縣劉家峁煤礦發(fā)生一起爆炸事故，事故導(dǎo)致11人遇難。爆炸導(dǎo)致煤體燃燒，產(chǎn)生了大量的有毒有害氣體。同時，由于爆破點附近儲存有炸藥和雷管等火工品，為了避免火災(zāi)蔓延，再次引起火工品爆炸，需要盡快控制火區(qū)，要明確火區(qū)的火源位置和范圍?，F(xiàn)有的地下煤火探測技術(shù)主要有:溫度探測法、氣體探測法、雷達(dá)探測法、遙感法、磁探法、電阻率探測法、紅外熱成像法、測氡法等［1－4］，每種探測法均有適用的環(huán)境和條件。如溫度探測法一般應(yīng)用于距離較近、淺埋藏的煤層;氣體探測法能夠檢測火源的燃燒程度，無法探測高溫的具體位置和范圍;雷達(dá)探測法由于波衰減太快，缺乏可靠的參數(shù)對比，很難區(qū)分地質(zhì)構(gòu)造與高溫區(qū);遙感法、磁探法、電阻率探測法適用于大范圍的煤田火;紅外熱成像法適用于煤礦井下煤壁、煤層露頭、煤矸石山等表面高溫區(qū)域的探測;測氡法技術(shù)已經(jīng)成熟，曾多次在地面探測井下采空區(qū)煤火的位置和范圍探測中應(yīng)用，準(zhǔn)確，可靠，經(jīng)濟，方便，是較為高效的煤火探測技術(shù)［5－7］。鄧軍等研究了老窯煤自燃氡探測法，得出測氡法對長時間的老窯火區(qū)位置和范圍探測切實有效［8］;王海燕等對典型的煤層露頭、采空區(qū)綜合火區(qū)采用測氡法進(jìn)行了探測，明確了火區(qū)位置范圍的同時，掌握了火區(qū)的漏風(fēng)情況［9］;張辛亥、金永飛等學(xué)者針對煤田和礦井火災(zāi)采用測氡法作了大量的理論和應(yīng)用研究［5－6］。以上學(xué)者都針對內(nèi)因火災(zāi)采用測氡法，對于外因引起的煤層火災(zāi)地面探測技術(shù)研究尚少，文中采用氡法探測淺埋煤層外因火災(zāi)，確定了高溫區(qū)域的位置和范圍。

1 火區(qū)概況

乾安煤礦露天開采，與劉家峁煤礦相鄰。爆炸點位置位于1－2煤層保護煤柱附近，導(dǎo)致1－2煤層煤柱著火。該煤層距離地表50～60 m，1－2煤層下部為2－2煤層，距離地表 80～90 m，1－2煤層和2－2煤層通過溜煤眼和回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷相連，如圖1所示。救護隊員在事故救援過程中，發(fā)現(xiàn)劉家峁煤礦巷道煙霧較重，測得井下最高的 CO氣體為4 204 ppm，并在乾安煤礦井下發(fā)現(xiàn)兩處明火，同時露天坑口發(fā)現(xiàn)明火。根據(jù)現(xiàn)場情況，及時將劉家峁礦全部井口和乾安煤礦露天坑口與火區(qū)連通的7個通道全部用黃土封閉，2月26日現(xiàn)場氣體觀測主井封閉墻外CO氣體濃度是3 050 ppm，風(fēng)井主扇處CO濃度為750 ppm，4月中旬，在主井封閉墻外CO氣體濃度偶爾達(dá)到1 000 ppm，采空區(qū)地表存在漏風(fēng)情況較嚴(yán)重。

圖1 爆炸點位置示意圖Fig．1 Explosion location

2 火區(qū)特點

乾安礦與劉家峁礦火區(qū)由于外因引起，處于陰燃狀態(tài)，具有以下特點:①火源點位置和范圍不明確;②火區(qū)熱容量大。煤體一旦燃燒，短時間內(nèi)就會蓄積大量的熱能，巖石和煤體都是熱的不良導(dǎo)體，導(dǎo)致火區(qū)熱容量大;③裂隙供風(fēng)為火區(qū)發(fā)展提供了條件;④產(chǎn)生大量有毒有害氣體;⑤火區(qū)熄滅易復(fù)燃。該火區(qū)漏風(fēng)通道復(fù)雜，火區(qū)既與下層煤通風(fēng)系統(tǒng)相連，同時還存在地表裂隙;⑥存在雷管及炸藥爆炸危險。隨時有可能引起雷管或炸藥發(fā)生爆炸，增加了火區(qū)治理難度［10－13］。

綜上所述，火災(zāi)熄滅難度很大，要徹底治理火區(qū)，先要對著火位置和范圍進(jìn)行探測，確定火災(zāi)的位置和范圍。

3 火區(qū)探測技術(shù)及方案

礦井外因火災(zāi)和內(nèi)因火災(zāi)不同。礦井內(nèi)因火災(zāi)是指煤在一定環(huán)境條件下自身發(fā)生物理化學(xué)變化，產(chǎn)生并積聚熱量，使其溫度升高，達(dá)到自燃點而形成的火災(zāi)，與外因火災(zāi)相比，內(nèi)因火災(zāi)蓄熱時間更長，一旦被發(fā)現(xiàn)煤體內(nèi)就已經(jīng)積蓄了大量的熱能，而外因火災(zāi)是在缺少煤自燃環(huán)境的條件因外界條件引燃，一開始就很猛烈，從燃燒到被控制，火區(qū)內(nèi)熱量波動非常大。根據(jù)劉家峁礦火區(qū)特點，由于地形地貌特點和開采狀況不明等實際狀況，封堵不徹底，經(jīng)分析火區(qū)內(nèi)存在高溫區(qū)域，并且持續(xù)時間較長，利用測氡法探測高溫區(qū)域位置具有可行性。

3.1 測氡法探測火區(qū)的依據(jù)

由于氡的強遷移能力，氡作為一種示蹤元素被廣泛應(yīng)用在活斷層及隱伏斷層確定、油氣探尋、地裂縫探測、地震監(jiān)測、大氣輸運示蹤、地下煤火探測等領(lǐng)域［14－18］。在相似的地質(zhì)地層環(huán)境下，通過氡元素濃度的不同，對煤礦井下的氡氣散布與煤火關(guān)系來判定煤火的位置。礦井煤火災(zāi)害發(fā)生后，其上覆巖層中氡的溢散加強，因為氡衰變導(dǎo)致地表氡氣濃度差異，此差異可與溫度具有一定的對應(yīng)關(guān)系，檢測此差異信息來反映溫度異常，這就是氡法通過地面探測地下煤火區(qū)的原理。

3.2 火區(qū)探測方案

根據(jù)礦方提供的圖紙及收集的開采開拓相關(guān)資料，劃定了火區(qū)探測范圍以劉家峁礦老空火區(qū)地表范圍為主。

1)選基準(zhǔn)點，圈定大致探測范圍，在探測范圍邊緣尋找3個基準(zhǔn)點，呈近似等邊三角形，探測范圍位于該三角形范圍內(nèi);

2)探測范圍形狀應(yīng)為矩形，設(shè)計測點，確定測點的位置和對應(yīng)編號，點距為10 m×10 m主要控制和探測形狀接近四邊形，先后共設(shè)計測點460個，探測區(qū)域長約240 m，寬210 m，探測面積約50 400 m2;

3)在設(shè)計測點處地表挖約40 cm深，30 cm長，30 cm寬的坑，埋α杯;

4)埋杯4至24 h后取出α杯并利用CD－1α杯測氡儀立即測量，測量時間為3 min，每隔1 min記一次數(shù)據(jù)，每個測點記錄3次數(shù)據(jù);

5)利用專業(yè)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，確定氡異常區(qū)域并進(jìn)行火區(qū)位置和范圍分析。

探測儀器:CD－1α杯測氡儀、α杯和GPS，如圖2所示。

圖2 測氡法探測的儀器Fig．2 Radon detecting instruments

4 火源位置探測結(jié)果及分析

由于測點的布置為網(wǎng)狀，實際探測過程中，因為地表實際情況，遇到大石塊、溝壑等無法埋杯測量的地方取消了實際布置，有些異常區(qū)域地表存在裂隙，增加了測點，設(shè)計布置460個測點，實際布置401個，見表1．將數(shù)據(jù)進(jìn)行差異化分析并通過專業(yè)軟件分析，獲得氡異常測值平面圖和立體圖。

表1 劉家峁礦火源測氡法探測數(shù)據(jù)表Tab．1 Liujiamao mine fire radon detection data

從圖3～圖5可以看出

1)測值平面圖等值線密集區(qū)域和測值立面圖柱狀凸起區(qū)域為氡異常區(qū)域;

2)測氡范圍內(nèi)存在高溫區(qū)域14個，編號與面積分別為 A 約800 m2，B 約600 m2，C 約400 m2，D約 400 m2，E 約100 m2，F(xiàn) 約 100 m2，G 約 400 m2，H 約200 m2，I約300 m2，J約200 m2，K 約50 m2，L約 600 m2，M 約 600 m2，N 約 300 m2，面積共計約為5 050 m2左右;

3)高溫區(qū)域主要沿兩橫兩縱布置，符合房柱式開采特點;

4)高溫區(qū)域以爆炸點為中心呈扇形密集分布，惡化趨勢逐漸形成。

5 鉆孔探測

針對氡探測法的結(jié)果，高溫區(qū)域距離爆炸點位置較遠(yuǎn)，通過鉆孔施工驗證測氡法的準(zhǔn)確性。在L區(qū)域施工1#鉆孔，孔內(nèi)溫度高達(dá)100℃，CO氣體濃度達(dá)11 000 ppm;在Ⅰ區(qū)域施工的3#鉆孔，孔內(nèi)溫度高達(dá)95℃，CO氣體濃度達(dá)12 500 ppm;在B區(qū)域施工的4#鉆孔，孔內(nèi)溫度高達(dá)92．8℃，CO氣體濃度達(dá)16 500 ppm，驗證了煤火探測的精確性，解決了火區(qū)治理關(guān)鍵問題。

圖3 測值平面圖Fig．3 Radon contour plan

圖4 異常值立體圖Fig．4 Three-dimensional diagram of outlier detection

圖5 測值平面對照圖Fig．5 Measurement value contrast

6 結(jié)論

1)通過測氡法在劉家峁火區(qū)火源探測中的應(yīng)用，說明該方法在淺埋煤層外因火災(zāi)火源探測中是有效的;

2)測氡法探明了劉家峁火區(qū)高溫區(qū)域有14處，總面積約5 050 m2;

3)爆炸導(dǎo)致煤火，爆炸點為火區(qū)的主要高溫點，氡值異常的地表位置，附近存在不同程度的漏風(fēng)情況，或與山體裂隙有關(guān)，或與地表裂隙有關(guān)，需要進(jìn)行進(jìn)一步的漏風(fēng)觀測。

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