胡 凱

（山西省煤炭建設(shè)監(jiān)理有限公司， 山西 太原 030012）

地下煤層自燃屬礦井五大災(zāi)害之一，其火源隱蔽，嚴(yán)重威脅煤礦安全生產(chǎn)和煤炭資源。煤的熱容量較大，熱傳導(dǎo)率低，煤層不斷氧化，溫度不斷增高，到達(dá)一定溫度煤層就會(huì)自燃。因此，對(duì)煤礦火區(qū)采取相應(yīng)的治理措施非常必要。

目前，探測(cè)煤礦火區(qū)的方法有很多，在眾多方法中，測(cè)氡法是一種快速、有效、經(jīng)濟(jì)的方法。與其他方法相比，測(cè)氡法能更準(zhǔn)確、快速地圈定出火區(qū)面積和位置，另外，它受地形、氣候和溫度影響較小，作為一種靜態(tài)、累積的氡氣測(cè)量方法，從短期勘探和長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)角度都有很大優(yōu)勢(shì)，在煤礦火區(qū)中應(yīng)用廣泛。

本次以?xún)?nèi)蒙古自治區(qū)烏海市烏達(dá)煤田為例，采用活性炭測(cè)氡法對(duì)其煤礦火區(qū)進(jìn)行探測(cè)。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，基本確定了測(cè)區(qū)內(nèi)氡異常（火區(qū)）的形態(tài)和范圍，為煤礦火區(qū)進(jìn)行治理提供依據(jù)。

1 活性炭測(cè)氡法的基本原理

1.1 基本原理

活性炭為非極性吸附劑，氡為非極性單原子分子。當(dāng)這兩種物質(zhì)的分子或原子相互接近時(shí)，由于電力轉(zhuǎn)動(dòng)和核振動(dòng)，發(fā)生電子和核之間相對(duì)位移而產(chǎn)生瞬時(shí)偶極。這種情況的不斷重復(fù)使分子間始終存在色散力，這是活性炭吸附氡的內(nèi)在動(dòng)力。當(dāng)氧運(yùn)移到活性炭表面時(shí)，很快會(huì)被吸附。造成其周?chē)碾睗舛冉档?。在濃度差作用下，高濃度處的氡不斷向活性炭擴(kuò)散，直至它吸附的氡量達(dá)最大值，并與周?chē)碾睗舛冗_(dá)到平衡。

1.2 儀器參數(shù)

TYHC-1活性炭測(cè)氡儀主要指標(biāo)：

探測(cè)器：NaI（Tl）晶體；靈敏度：鈾約為10-6，釷約為3×10-6，鉀約為0.5%左右；能量范圍：0.5～3.0 MeV；能量分辨率：12%（對(duì)137Cs而言）；工作溫度：-10～+50℃。

2 活性炭測(cè)氡法應(yīng)用實(shí)例

2.1 工程概況

本次勘察對(duì)象為烏達(dá)煤田火區(qū)，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市境內(nèi)，東距黃河11 km，西靠巴音善旦。火區(qū)位于井田西南部，面積約17.3萬(wàn)m2，其主要燃燒煤層為 2、4、7 煤層。

2.2 地質(zhì)特征

1）地層?？辈閰^(qū)地層分布較廣，由老至新，由中石炭統(tǒng)本溪組至第四系均有出露。

2）構(gòu)造。烏達(dá)礦區(qū)位于巴音鄂博背斜東翼的盆狀向斜部分，其東部被逆掩斷層所切，中段呈近南北走向。向斜北部開(kāi)闊，南部窄小，形似“耳”狀。烏達(dá)煤田構(gòu)造總體特征：北部構(gòu)造簡(jiǎn)單，褶曲平緩開(kāi)闊，斷層多為高角度正斷層，南部構(gòu)造復(fù)雜，褶曲較多，巖層受擠壓較強(qiáng)，有較大的斷層出現(xiàn)。

3）煤層?？辈閰^(qū)煤層共有27層，平均總厚度42.58 m。其中穩(wěn)定和較穩(wěn)定煤層12層（1號(hào)、2號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)、9號(hào)、10號(hào)、12號(hào)、13號(hào)上 2、13號(hào)、15號(hào)），局部可采煤層7層（8號(hào)、11號(hào)、13號(hào)上 3、13號(hào)上 1、14號(hào)、16號(hào)、17號(hào)），可采煤層平均總厚度33.6 m。不可采煤層8層（2號(hào)上、3號(hào)、4號(hào)上、4號(hào)下、12號(hào)上、12號(hào)下、13號(hào)下、18號(hào)）。

2.3 野外數(shù)據(jù)采集

測(cè)網(wǎng)布設(shè)：共布設(shè)物探測(cè)線(xiàn)37條，線(xiàn)距20 m，點(diǎn)距20 m，測(cè)線(xiàn)長(zhǎng)度760～230 m，測(cè)線(xiàn)總長(zhǎng)度為17.78 km。共960個(gè)物理點(diǎn)，其中坐標(biāo)點(diǎn)922個(gè)，檢查點(diǎn)38個(gè)。實(shí)際野外數(shù)據(jù)采集工作中，由于地形原因，D01-D09線(xiàn)人員無(wú)法到達(dá)，未能采集到測(cè)氡數(shù)據(jù)；另外，在測(cè)區(qū)中部一帶，部分測(cè)點(diǎn)由于白灰覆蓋，人員無(wú)法進(jìn)入，也未能采集到測(cè)氡數(shù)據(jù)，平面布置圖詳見(jiàn)圖1。

圖1 測(cè)氡平面布置圖

2.4 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

2.4.1 氡值平面分布

由于現(xiàn)場(chǎng)施工、白灰覆蓋和地形危險(xiǎn)等原因，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際獲得數(shù)據(jù)點(diǎn)542個(gè)。由于測(cè)區(qū)地表裂隙極度發(fā)育，剝采區(qū)域?qū)υ嫉孛财茐膰?yán)重，為了盡可能消除裂隙等隨機(jī)因素的干擾和影響，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了低通濾波處理。在此基礎(chǔ)上，繪制了測(cè)區(qū)氡值平面等值線(xiàn)圖（見(jiàn)圖2）。

圖2 測(cè)區(qū)氡值平面等值線(xiàn)圖

從下頁(yè)圖3中可看出，測(cè)區(qū)中部從西向東有一條寬達(dá)100～200 m的氡異常高值帶，帶內(nèi)連片分布，規(guī)模大、氡值高。表明火區(qū)已發(fā)展到一定規(guī)模。除此之外，測(cè)區(qū)北部邊緣偏東一帶，零星分布有5個(gè)氡值異常區(qū)，規(guī)模相對(duì)較小，異常值相對(duì)也較小。除最西側(cè)2個(gè)區(qū)有連片趨勢(shì)外，其余均為散布狀態(tài)。表明火區(qū)正處在發(fā)展初期。測(cè)區(qū)西南角部以及南部邊緣一帶，散列分布有4個(gè)氡值異常區(qū)，規(guī)模中等，氡異常值相對(duì)較高，有即將連片的趨勢(shì)，表明這一帶的火區(qū)處于發(fā)展期。

2.4.2 氡值剖面線(xiàn)分析

為了更進(jìn)一步了解氡異常區(qū)分布情況，選取若干典型剖面進(jìn)行詳細(xì)分析。沿測(cè)區(qū)東西方向，于D11測(cè)線(xiàn)、D15測(cè)線(xiàn)、D20測(cè)線(xiàn)、D22測(cè)線(xiàn)、D29測(cè)線(xiàn)、D31測(cè)線(xiàn)位置，分別切橫貫測(cè)區(qū)的剖面；沿南北方向，分別于測(cè)區(qū)距西部邊界170 m處、370 m處和590 m處分別切出縱貫測(cè)區(qū)南北的三條剖面，稱(chēng)為縱1、縱2、縱3剖面，由此產(chǎn)生的剖面曲線(xiàn)見(jiàn)下頁(yè)圖3。

11線(xiàn)剖面可看出，中部有一個(gè)波谷，氡值在300計(jì)數(shù)/3 min以下，波谷西、東兩側(cè)均有氡值異常，表明該剖面線(xiàn)經(jīng)過(guò)兩個(gè)火區(qū)，西邊火區(qū)距測(cè)區(qū)西界約150 m，而東邊火區(qū)一直到達(dá)測(cè)區(qū)東界。

15線(xiàn)剖面，曲線(xiàn)有明顯的兩個(gè)波峰，表明該線(xiàn)穿越兩個(gè)火區(qū)。兩火區(qū)分別位于測(cè)區(qū)西界和東界，西邊的氡值更高，氡值達(dá)到600計(jì)數(shù)/3 min以上，而峰寬大致相當(dāng)，表明西邊的火區(qū)溫度要高于東邊火區(qū)。

20線(xiàn)，中部偏西有兩個(gè)緊連的波峰，兩峰之間的波谷并不深，表明兩個(gè)火區(qū)有即將連片的趨勢(shì)，東峰高于西峰，表明東側(cè)火區(qū)已發(fā)展到一定規(guī)模，而西邊峰值為400～550計(jì)數(shù)/3 min之間，波峰東側(cè)為低緩地帶，該地段為無(wú)火區(qū)域。

22線(xiàn)，距測(cè)區(qū)西界100 m開(kāi)始，出現(xiàn)連綿不斷的高峰，直至距西界400 m結(jié)束，表明該線(xiàn)穿越一定規(guī)模的火區(qū)。

29線(xiàn)，西側(cè)有一規(guī)模較小的波峰，峰頂距測(cè)區(qū)西界約170 m，表明該火區(qū)規(guī)模尚小。越過(guò)波谷后，進(jìn)入連綿高峰，直至測(cè)區(qū)東界，這些高峰氡值均在600計(jì)數(shù)/3 min。

以上，即使它們之間的波谷氡值也在400計(jì)數(shù)/3 min以上。為測(cè)區(qū)規(guī)模最大的火區(qū)，最高峰寬度高度均非?？捎^。

31線(xiàn)，西部與中部偏西有兩個(gè)規(guī)模較小的波峰，東部為低緩地帶，表明西中部有兩個(gè)火區(qū)，而東部為無(wú)火區(qū)域。

縱1線(xiàn)，北部和中部有兩個(gè)規(guī)模較大的波峰，兩峰之間的波谷氡值亦達(dá)400計(jì)數(shù)/3 min以上，表明火區(qū)已連片。南部邊界，氡值又上升，表明該處存在火區(qū)。

縱2線(xiàn)，中部有一個(gè)較大規(guī)模的波峰，峰寬約200 m，峰高約700計(jì)數(shù)/3 min，表明該線(xiàn)穿越具有一定規(guī)模的火區(qū)。

縱3線(xiàn)，南部有一個(gè)波峰，直至測(cè)區(qū)南界，峰值很高，超過(guò)700計(jì)數(shù)/3 min，表明存在火區(qū)且火區(qū)溫度較高。

圖3 測(cè)區(qū)氡值剖面圖

2.4.3 趨勢(shì)面分析

為了更好地把握測(cè)區(qū)范圍內(nèi)氡背景值的整體特征和規(guī)律，采用最小二乘法多項(xiàng)式擬合的方法，得到了氡值的趨勢(shì)面。按多項(xiàng)式最高項(xiàng)次數(shù)由低到高，分別進(jìn)行了1次至4次擬合，結(jié)果如圖4。

圖4 擬合圖

在趨勢(shì)面分析的基礎(chǔ)上，獲得測(cè)區(qū)氡值殘差圖，根據(jù)各次趨勢(shì)面圖，分別得出相應(yīng)的各次殘差圖（見(jiàn)圖 5）。

圖5 氡值殘差圖

從圖5可看出，一次殘差圖與氡等值線(xiàn)圖（圖2）最為相近，隨著次數(shù)的增高，殘差圖與等值線(xiàn)圖的差異逐漸增大，表明高次殘差圖可以更好的反映氡異常的局部細(xì)節(jié)。根據(jù)各次殘差效果的對(duì)比以及以往的數(shù)據(jù)處理經(jīng)驗(yàn)，采用四次殘差圖作為測(cè)區(qū)氡異常范圍的主要參考，在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)二值化處理，圈定測(cè)區(qū)氡異常（火）區(qū)范圍（見(jiàn)下頁(yè)圖6）。

根據(jù)319計(jì)數(shù)/3 min和670計(jì)數(shù)/3 min兩個(gè)等級(jí)，在氡值等值線(xiàn)圖的基礎(chǔ)上圈定氡異常區(qū)域，該異常區(qū)域自然分為高異常區(qū)域和一般異常區(qū)域（見(jiàn)下頁(yè)圖7）。該結(jié)果與前面趨勢(shì)面分析法所圈定的氡異常區(qū)（火區(qū)）范圍大致相當(dāng)，局部有所差異，建議在全區(qū)各處以范圍大者為準(zhǔn)。

圖6 測(cè)區(qū)氡異常（火）區(qū)范圍

圖7 氡值異常（火區(qū)）分布圖

3 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1）本文以?xún)?nèi)蒙古烏達(dá)煤田7號(hào)火區(qū)為研究對(duì)象，采用測(cè)氡法探測(cè)煤礦地下火區(qū)，通過(guò)測(cè)區(qū)氡平面分布圖、剖面線(xiàn)圖分析，參照基點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)，基本確定了測(cè)區(qū)內(nèi)氡異常（火區(qū)）的形態(tài)和范圍。

2）由于礦區(qū)井上下條件復(fù)雜等，測(cè)區(qū)氡值分布不符合正態(tài)分布，在利用趨勢(shì)面分析以及異常下限值的基礎(chǔ)上，對(duì)氡異常區(qū)（火區(qū)）進(jìn)行了等級(jí)劃分，將火區(qū)劃分為一般異常區(qū)和高異常區(qū)。

3）地下煤層火區(qū)在自燃時(shí)，與周?chē)鷧^(qū)域有溫度差異，氡氣濃度也有顯著的差別。因而氡探測(cè)火區(qū)自燃位置與區(qū)域范圍具有深層機(jī)理，值得進(jìn)一步研究。

4）巖石熱容值極高，只是用常規(guī)的探測(cè)儀器和方法，在地表探測(cè)埋藏深度較大的自燃煤層的位置和圈定其范圍，難度很大。而氡氣具有因溫度改變，可從深部沿裂縫和巖石遷移到地表的特點(diǎn)，恰好可為探測(cè)自燃區(qū)域所用。因此，利用氡氣探測(cè)深部煤層燃燒位置和范圍的方法，具有實(shí)際和深遠(yuǎn)的意義。