活性炭測氡法在煤層自燃區(qū)探測中的應(yīng)用
——以山西寧武縣寺耳溝煤礦為例

劉瑞成，毛洪亮，趙婷婷，肖超，魏臺桂

（美麗華夏生態(tài)環(huán)境科技有限公司，北京 100076）

0 引言

煤層自燃不僅浪費煤炭資源，還會產(chǎn)生SO2、CO2、NO 等有毒有害氣體，對大氣環(huán)境造成嚴重污染。有毒有害氣體導(dǎo)致酸雨的發(fā)生，不僅對河流水質(zhì)造成嚴重污染，而且會對周邊居民的身體健康造成嚴重危害（劉敦旺等，2009；金永飛等，2010；陳達蔚，2015；費金彪等，2018）。煤層自燃過程中產(chǎn)生的熱輻射導(dǎo)致大面積土地荒蕪和植被枯死，嚴重破壞土地資源和植物資源，影響土地耕種和植被生長。煤層自燃若不加以控制，則其火源將外延并串通至煤層下部，形成不可控制的更大范圍的火區(qū)，導(dǎo)致火區(qū)條件及地面條件進一步惡化，可能引起更大范圍的地質(zhì)災(zāi)害（魏樹群和王璽瑞，1997；郎文霞和劉鴻福，2011；王剛，2015；李源輝等，2016；王剛等，2016）。

煤田火災(zāi)具有火區(qū)面積大、不易治理、火源位置探測困難、火區(qū)治理成本高等特點，因此煤層火區(qū)治理始終是礦山地質(zhì)環(huán)境治理過程中最為復(fù)雜的問題之一。精確的探測出火區(qū)的平面位置和地下空間分布范圍是治理火區(qū)首要的工作，目前探測火區(qū)位置的勘查手段主要有磁探法、電阻率測定法、遙感法、紅外探測法和測氡等技術(shù)（鄧軍等，2012；王海燕和程亞飛，2016；武中華等，2019）。磁探測法和電阻率測定法適合礦井投產(chǎn)之前的火源探測，探測已經(jīng)投產(chǎn)的井田火區(qū)會受到電器設(shè)備的影響，準確度不高。遙感法適合測定較大面積火區(qū)，但成本較高。測氡法會由于地形的影響而增加工作量，而紅外探測法的測量深度較小（張新軍和劉鴻福，2004；王祥等，2010；呂英華和于婷婷，2015），測氡法和紅外探測法相結(jié)合可降低工作量，并且可提高探測的準確性。

1 火區(qū)概況

寧武縣寺耳溝礦區(qū)周邊地勢高峻，山嶺縱橫，標高為1578～2034 m。寧武縣寺耳溝煤礦位于晉北煤炭基地寧武煤田，區(qū)域地層由老到新依次為：奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組（O2s），石炭系中統(tǒng)本溪組（C2b）、上統(tǒng)太原組（C3t）、二疊系下統(tǒng)山西組（P1s）、下石盒子組（P1x）、二疊系上統(tǒng)上石盒子組（P2s）、二疊系上統(tǒng)石千峰組（P2sh）及第四系上更新統(tǒng)（Q3）及全新統(tǒng)（Q4）地層。太原組為礦區(qū)主要含煤地層，為一套海陸交互相的鐵鋁巖建造，含煤2#、3#、4#、5#、6#，其中2#、5#為賦存區(qū)穩(wěn)定可采煤層，其余均為不可采或零星可采。

項目區(qū)內(nèi)火點HD01 和HD03 為空區(qū)及煤層露頭組成的復(fù)合火區(qū)、HD02 為煤層淺層露頭火區(qū)。同時，在火區(qū)范圍內(nèi)有進回風井口和窯口9 個，在火區(qū)周邊有進回風井口和窯口17 個。根據(jù)以往煤礦資料分析并結(jié)合鉆探驗證結(jié)果，HD01 子火區(qū)內(nèi)有寺耳溝煤礦老采空區(qū)分布，采空區(qū)深度67.6 m，且空區(qū)內(nèi)有遺煤自燃情況，溫度探測顯示有高溫異常；HD02 子火區(qū)內(nèi)鉆孔驗證無采空區(qū)分布；HD03 子火區(qū)內(nèi)有石窯溝煤礦老采空區(qū)分布，采空區(qū)平均深度30 m，有高溫異常。寺耳溝煤礦火點及采空區(qū)分布見圖1。由于測氡法具有操作簡單，成本低、探測便捷等優(yōu)點，綜合礦區(qū)的各種因素，最終選定綜合采用紅外探測法和活性炭測氡法進行火區(qū)范圍探測。

圖1 采空區(qū)及窯口平面位置分布圖

2 活性炭測氡技術(shù)簡介

2.1 煤自燃機理

煤層的井下開采破壞了煤體的完整性，煤體與空氣接觸使空氣中的氧與煤表面分子中的活性結(jié)構(gòu)發(fā)生復(fù)雜的物理化學作用，產(chǎn)生并放出熱量。當放出的熱量大于向周邊環(huán)境散發(fā)的熱量時，熱量聚集使煤溫上升，反之煤溫下降。當積聚的熱量使煤溫上升到臨界溫度并繼續(xù)上升，最終導(dǎo)致煤體發(fā)生自燃。煤體自燃主要取決于三大要素，即煤自身的氧化放熱性能、自燃所需的供氧條件以及自燃所需的蓄熱條件（彭飛和李建軍，2007；王正輝等，2010）。

2.2 活性炭測氡法基本原理

氡是一種無色無味無臭的放射性氣體，而且是一種惰性氣體，一般不參加化學反應(yīng)，能溶于水油等液體中，具有強烈的擴散性和擴散能力。氡半衰期為3.825 d，煤層中氡的析出受礦物粒度、空隙度、氣壓、巖性、地應(yīng)力、地下水及介質(zhì)溫度等因素影響（趙亞軍等，2012）。早在20 世紀50 年代，R.E.科林曾提出，在溫度梯度的作用下，多孔介質(zhì)內(nèi)部流體將從熱的地區(qū)向較冷的區(qū)域流動（李建軍等，2009）。煤田火區(qū)中的煤炭自燃形成一個高溫高壓的環(huán)境，并產(chǎn)生大量的水蒸氣、一氧化碳等，自燃區(qū)頂部存在大量裂隙，將加快氡氣向上移動的速度。因此，能夠在地表形成較高的氡氣異常區(qū)域。趙耀江和鄔劍明（2003）研究了煤巖溫升過程中氡的析出規(guī)律和氡氣在地層中的分布及運移規(guī)律，推導(dǎo)出在自燃發(fā)火狀態(tài)下地層中的氡濃度分布方程，確定了其邊界條件，通過求解，得出火區(qū)以上地層中氡分布函數(shù)，再次論證了通過地面同位素測氡技術(shù)可確定地下火源位置和推算火源溫度（鮑慶國等，2000；鄔劍明和高尚青，2004；隋濤等，2006；鄔劍明等，2006）。

活性炭可以吸附各種氣、液態(tài)物質(zhì)，其比表面積高達700～1600m2/g，因此具有較強的吸附能力。活性炭為非極性吸附劑，而氡為非極性單原子分子，因此活性炭對氡具有較強的吸附能力。當氡運移到活性炭表面時，很快被吸附，造成其周圍的氡濃度降低。在濃度差作用下，高濃度出的氡不斷地向活性炭運移，直到它吸附的氡量達到最大值，并與周圍的氡濃度達到平衡（山亞等，2019）。

在地下火區(qū)燃燒過程中，燃燒區(qū)巖層及其上覆巖層處于一個高溫高壓的環(huán)境中。煤系地層在高溫高壓的作用下，其本身的射氣系數(shù)以及氡的析出量都在不斷地增加，此外，煤炭燃燒使煤系地層中孔隙水或裂隙水的溫度和礦化度升高，而隨著溫度的升高水溶解氡的能力降低（表1），礦化度的提高也使得水中氡的溶解度降低，這就使得煤系地層中自由氡的數(shù)量進一步增加。這必然在火區(qū)上方地表淺層形成一個氡濃度高值區(qū)，從而使得測氡法探測煤礦地下火區(qū)成為可能。

表1 氡在水中溶解度系數(shù)與溫度的關(guān)系

3 火區(qū)探測過程

3.1 高溫點的確定

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查成果，結(jié)合前期紅外遙感探測成果初步圈定隱伏火區(qū)大致范圍，初步劃定煤層隱伏高溫區(qū)或煤自燃氧化區(qū)的活性炭測氡工作范圍。

3.2 測點布置

以40 m×10 m 網(wǎng)度（即線距40 m，點距10 m）布置活性炭氡氣測點，測線方向基本垂直通過火區(qū)走向，為控制火區(qū)邊界，測線沿著火區(qū)延伸方向，剖面長度一般約600 m，部分測線根據(jù)現(xiàn)場情況適當延長，共布設(shè)測線120 條，測點5788 個。

3.3 活性炭杯的埋設(shè)

首先，在測點設(shè)置位置用鐵鍬挖深50 cm 的探坑，然后把采樣器固定好，平穩(wěn)地放在探坑底部并上覆塑料布，然后填土埋好，做好標記等待5 d 后取杯測量。測量儀器采用太原理工大學自主研發(fā)的TYHC-1 活性炭測氡儀。采樣器由集氣罩杯和活性炭盒組成，集氣罩杯高約15 cm，活性炭盒為塑料圓柱形盒，規(guī)格為40 mm×60 mm，瓶內(nèi)可裝15 g 活性炭和5 g 變色硅膠，硅膠起干燥劑的作用，吸收土壤中的水分，瓶口帶雙層密封蓋，集氣罩杯容積為500 mL，杯底中心有插入活性炭吸附器的圓形口?；钚蕴繙y氡現(xiàn)場埋設(shè)情況見圖2。

4 探測結(jié)果分析與驗證

4.1 紅外探測結(jié)果

用飛馬D200 無人機搭載紅外相機分別在晚上20：00 以后和早上8：00 點以前進行航飛，獲取了測區(qū)的熱紅外影像數(shù)據(jù)。通過遙感數(shù)據(jù)分析和已知高溫點的地面驗證，解譯出7 處高溫區(qū)，經(jīng)過與已知現(xiàn)場測實地測溫核實、CO 濃度測量數(shù)據(jù)對比分析，最終確定7 處高溫區(qū)是確定的煤自燃區(qū)、2 處為疑似煤自燃火區(qū)。寺耳溝礦區(qū)熱紅外遙感解譯異常區(qū)見圖3 。

4.2 活性炭氡氣測量試驗與質(zhì)量檢測過程

結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，試驗線選擇在東寨鎮(zhèn)寺耳溝村附近109、110、111測線，3條測線在210號點附近有明顯的高溫顯示，且現(xiàn)場地表裂隙、出氣孔熱氣等煤層自燃特征明顯。

圖2 活性炭測氡現(xiàn)場埋設(shè)過程圖

圖3 寺耳溝煤礦紅外成像圖

圖4 109 線測氡剖面

圖5 110 線測氡剖面

從3 條氡剖面圖（圖4～6）對比可以看出，氡值變化起伏較大，從200～218 號點氡值計數(shù)普遍大于400 cpm，反映出由于地下高溫及地面裂隙造成氡的跳躍式變化。地表有沿煤層露頭走向的巖層破裂裂縫，多處有高溫熱氣流涌出，并伴有刺激性異常氣味，黃色硫化物結(jié)晶。109 線、110 線230 號點附近高氡異常產(chǎn)生的原因，根據(jù)勘探區(qū)鄰近火區(qū)自燃延伸情況，分析認為應(yīng)該為采空區(qū)引起。質(zhì)量檢測表明實測值與檢查線相對誤差為-7.7%，曲線形態(tài)起伏基本一致。

圖6 111 線測氡剖面

4.3 活性炭測氡剖面分析

為了解測區(qū)氡異常區(qū)分布情況，選取若干典型剖面進行詳細分析。測線布置方向沿煤層傾向，各側(cè)線起始點基本跨過5#煤層底板以期獲得正常場。從112 測線可以看出，自207 號點開始，氡值較小，基本為背景值。自208 號點氡值開始增大，并出現(xiàn)起伏較大的變化，應(yīng)為地下火區(qū)高溫引起。229～230 點出現(xiàn)較高的氡值，應(yīng)為地下采空引起氡值高異常，詳見圖7。114 線氡值變化特征基本與112 線相似，小號點氡值基本為背景值大小，210 號點附近氡值增大，應(yīng)為地下火區(qū)高溫引起，224 號點附近的高氡異常推測為地下采空引起，詳見圖8。

圖7 112 線測氡剖面

圖8 114 線測氡剖面

4.4 活性炭測氡平面等值線分析

對原始數(shù)據(jù)檢查合格以及均滑處理后，繪制完成測區(qū)氡值平面等值線圖，如圖9 所示。從圖9 中可以看出，測區(qū)內(nèi)氡值高值區(qū)域分布明顯，綜合分析認為沿煤層露頭線方向紅色線圈定的6 個區(qū)域為地下火區(qū)，1、3、4 規(guī)模較小、氡值高；2 號區(qū)異常較大，可以連成片狀，局部有較高氡值出現(xiàn)，與自燃裂隙發(fā)育有關(guān)；5 區(qū)由于地形陡峭，有測點丟失，致使該區(qū)等值線數(shù)值較低。另外，測區(qū)有明顯的冒煙冒氣現(xiàn)象，淺部巖層溫度較高，影響了活性炭對氡的吸附，氡值相對較小。結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查，初步圈定為煤層自燃火區(qū)。

綜合分析發(fā)現(xiàn)氡異常高值呈北東-南西向展布的趨勢，與煤層露頭走向基本一致，為5#煤層露頭自燃著火特征。圖中藍色線條圈定的相對氡高值區(qū)，由于距離煤層露頭有一定距離，按煤層傾角推斷不應(yīng)該是地下火區(qū)燃燒引起，因此解釋為地下相對較大的采空引起。另外，從氡等值線圖可見測區(qū)存在多個局部小異常區(qū)，分析原因應(yīng)為該區(qū)4#、2#煤層埋藏較淺，歷史上存在私挖亂采現(xiàn)場，且鉆探已發(fā)現(xiàn)多個小采空區(qū)存在，所以認為局部小異常應(yīng)為小采空。

圖9 寺耳溝測區(qū)氡平面等值線圖

4.5 鉆探驗證

為驗證活性炭測氡法確定的煤層自燃火區(qū)范圍可靠性，選擇在重點煤層自燃區(qū)域開展鉆探驗證工作，以查明煤層自燃火區(qū)的燃燒狀況、煤層厚度、煤層深度、煤層層號、煤層頂?shù)装宓娜紵冑|(zhì)狀況，結(jié)合地表溫度、CO 濃度測定，孔口CO 濃度、溫度測定結(jié)果，最終確定煤層自燃范圍及邊界。

本次布置10 個驗證鉆孔（位置分布見圖10），完成進尺總計755 m。對比分析鉆孔探測及測溫結(jié)果，孔內(nèi)幾乎全部揭露采空區(qū)高溫異常（67.3～328.6℃），而布置在測氡法圈定的火區(qū)外部，孔內(nèi)未揭露到高溫異常，鉆探驗證結(jié)果表明紅外探測和地面活性炭氡氣測量的方法在探測本區(qū)域火區(qū)范圍是準確有效的。

5 結(jié)論

圖10 寺耳溝礦區(qū)鉆孔布置圖

采用活性炭測氡法結(jié)合熱紅外遙感解譯法可以確定煤礦自燃區(qū)的范圍，為了保證測氡法圈定的煤層自燃范圍的準確性可以采用鉆探法進行驗證。采用測氡法在寧武縣寺耳溝煤礦成功圈定了3 處煤層自燃區(qū)范圍，為后期滅火工程提供了準確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。綜上所述，該方法在煤礦隱伏火區(qū)探測中具有一定的應(yīng)用前景。