祁曉波

(晉能集團(tuán)有限公司，山西 太原 037000)

0 引言

煤矸石堆積不僅影響地面景觀，而且占用土地資源、污染水資源、矸石自燃的危險(xiǎn)性會(huì)隨著堆積時(shí)間的增長(zhǎng)而越來越大，大量污染大氣環(huán)境的有毒有害氣體如SO2、CO、H2S等會(huì)隨著矸石的自燃產(chǎn)生出來，并且，更為可怕的是矸石自燃有可能會(huì)引發(fā)爆炸等一系列惡劣影響，不僅如此，還有誘發(fā)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的可能。而火源探測(cè)則是煤矸石火災(zāi)治理的前提和基礎(chǔ)，一切行之有效的滅火手段都只有在精確的火源探測(cè)基礎(chǔ)上才能實(shí)施[1-3]。通過多種不同方法對(duì)矸石場(chǎng)火源進(jìn)行探測(cè)，并進(jìn)行比較分析，旨在得到一種多重方法聯(lián)用的火源探測(cè)技術(shù)。

1 矸石場(chǎng)概況

山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責(zé)任公司霍爾辛赫井田位于山西省長(zhǎng)治市長(zhǎng)子縣境內(nèi)，其地理坐標(biāo)為：東經(jīng)112°53′11″～112°57′20″，北緯36°03′03″～36°08′47″。矸場(chǎng)內(nèi)地形總趨勢(shì)為南高北低，地勢(shì)較為平坦。溝底高程為941，溝頂高程為951。近期，在矸石場(chǎng)東部邊坡位置矸石發(fā)生“爆炸”，現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)，“爆炸”產(chǎn)生一處直徑約為20 m的矸石坑，并伴有明顯冒煙現(xiàn)象及刺鼻氣味。矸石場(chǎng)南部邊緣位置及地表裂縫區(qū)域也見有冒煙現(xiàn)象。據(jù)此，判斷該矸石場(chǎng)矸石已發(fā)生自燃，決定對(duì)該矸石場(chǎng)進(jìn)行火源探測(cè)。結(jié)合前期的矸石場(chǎng)資料搜集，以及多重方法探測(cè)矸石場(chǎng)火源位置的結(jié)果，綜合分析現(xiàn)場(chǎng)勘查異常確定矸石場(chǎng)自燃區(qū)域位置，為矸石場(chǎng)火區(qū)的治理工作起到指導(dǎo)作用。

2 火源探測(cè)方法

由于矸石山自然發(fā)火位置一般深度較淺，且同矸石場(chǎng)地表裂隙等地表環(huán)境有著緊密的聯(lián)系，利用紅外成像儀、CO便攜儀、溫度便攜儀和同位素測(cè)氡儀等裝備對(duì)矸石場(chǎng)的熱異常及煙氣、矸石場(chǎng)裂縫等地表異常進(jìn)行勘查，綜合分析自然區(qū)域位置。

2.1 紅外熱成像法

紅外探測(cè)法能探測(cè)出物體表面的輻射能量場(chǎng)或輻射溫度，因此，對(duì)于淺埋煤層火區(qū)探測(cè)和露頭火火源探測(cè)，利用紅外熱成像技術(shù)能夠取得直觀的效果[4]。選用進(jìn)口設(shè)備ThermaCAM SC640紅外熱像儀針對(duì)露頭火進(jìn)行火源探測(cè)。ThermaCAM SC640紅外熱像儀采用高性能非制冷焦平面探測(cè)器，可生成640×480像素的紅外圖像，溫度分辨率0.01 ℃。采用ThermaCAM SC640紅外熱像儀進(jìn)行地表拍攝，拍攝圖片輸出至電腦利用專門的軟件進(jìn)行處理，可獲得地表表面溫度分布圖，初步判定地表高溫區(qū)域的范圍，并結(jié)合多參數(shù)氣體檢測(cè)技術(shù)，對(duì)治理區(qū)內(nèi)的有毒有害氣體進(jìn)行詳細(xì)探測(cè)，依據(jù)探測(cè)結(jié)果可初步將治理區(qū)劃分為不同的高溫等級(jí)。

2.2 氣體探測(cè)法

大量的氣體會(huì)隨著煤體的溫度升高而產(chǎn)生出來，但其種類與濃度差別較大，故可根據(jù)種類和濃度的差異判斷煤的自燃程度，然后根據(jù)不同種類的氣體濃度的變化趨勢(shì)來大致確定火源范圍。其原理是火源處溫度較高，由于溫差導(dǎo)致它與地面存在壓差，進(jìn)而導(dǎo)致分子擴(kuò)散，氣體會(huì)源源不斷地從火源位置涌向地面。據(jù)此，在預(yù)定的火源探測(cè)區(qū)域每隔10 m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，在測(cè)點(diǎn)處打深度為1～1.5 m的鉆孔，從鉆孔中取氣，檢測(cè)其中的CO濃度，并繪制成圖，含量大的地方則代表火源的大致位置[5-6]。

2.3 同位素測(cè)氡法

天然放射性的氡氣是廣泛存在于自然界中的，它是天然放射性鈾系氣體元素，鐳是其直接母體，而鐳的母體是鈾，巖石和土壤中的氡氣的濃度大小是由母體原始的含量水平?jīng)Q定的[7]。矸石的自燃產(chǎn)生大量氣體會(huì)形成一個(gè)壓力梯度，氡氣會(huì)以產(chǎn)生的氣體為載氣上升至地面，由此可見，氡氣的運(yùn)移速率會(huì)隨著矸石的燃燒產(chǎn)生的壓力梯度增大而增大，進(jìn)而導(dǎo)致地下鈾元素產(chǎn)生鐳元素，進(jìn)而不斷產(chǎn)生氡氣，這即是同位素測(cè)氡法定位火源的原理[8-10]。

2.4 多重方法結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)

紅外熱成像儀可以準(zhǔn)確的測(cè)量地表的溫度，獲得地表表面溫度分布圖，初步判定地表高溫區(qū)域的范圍，但是卻不能探測(cè)到埋藏較深火區(qū)，而測(cè)氡技術(shù)很好地彌補(bǔ)了這一點(diǎn)[11]。地面氣體測(cè)定法只能作為火源探測(cè)的輔助方法，因?yàn)樗粌H只能大致確定火源位置，而且受空氣流動(dòng)、覆蓋巖層性質(zhì)的影響較大。同位素測(cè)氡法探測(cè)技術(shù)使用的測(cè)氡儀受環(huán)境影響比較明顯，對(duì)振動(dòng)比較敏感。由此可見，幾種探測(cè)方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。因此，將幾種方法聯(lián)用，使用紅外熱成像技術(shù)大致的檢測(cè)出矸石自燃的火源位置，為測(cè)氡技術(shù)明確重點(diǎn)，在測(cè)氡的基礎(chǔ)上，對(duì)測(cè)氡區(qū)域進(jìn)行溫度和氣體測(cè)量，幾種技術(shù)相輔相成，互相彌補(bǔ)，通過對(duì)比，可以進(jìn)一步精確火源位置。

3 探測(cè)結(jié)果及分析

3.1 紅外熱成像法

在矸石場(chǎng)東部邊坡位置有一處直徑約為20 m的矸石坑，并伴有明顯冒煙現(xiàn)象及刺鼻氣味，如圖1所示。初步判定是由于該位置內(nèi)部矸石自燃產(chǎn)生高溫，外加雨水灌入，導(dǎo)致此區(qū)域矸石場(chǎng)“爆炸”所致。在矸石場(chǎng)東南部位置，也發(fā)現(xiàn)了成片溫度異常區(qū)域，此區(qū)域地表溫度最高可達(dá)70 ℃以上。矸石場(chǎng)南部邊緣位置及地表裂縫區(qū)域也見有冒煙現(xiàn)象，如圖2所示。

“爆炸”區(qū)域紅外成像及分析如圖3所示，勘測(cè)當(dāng)天的正常地表環(huán)境溫度為18.6 ℃，從圖3可以看出，此區(qū)域地表最高溫度可達(dá)85.1 ℃，估計(jì)內(nèi)部溫度達(dá)800～1 200 ℃。

紅外成像及分析如圖4所示，勘測(cè)當(dāng)天的正常地表環(huán)境溫度為18.6 ℃，從圖4可以看出，此區(qū)域地表最高溫度可達(dá)51.5 ℃。

圖1 矸石場(chǎng)東部邊坡“爆炸”位置

圖2 矸石場(chǎng)南部地表裂縫

圖3 “爆炸”區(qū)域紅外成像及分析

圖4 矸石場(chǎng)南部異常區(qū)域紅外成像及分析

由紅外熱成像技術(shù)可以得出，該矸石場(chǎng)自燃火源的大致區(qū)域?yàn)闁|部、南部及東南部。經(jīng)過大致確定后，再使用其他方法排查確認(rèn)。

3.2 同位素測(cè)氡法探測(cè)法、氣體探測(cè)法及溫度法

探測(cè)流程：確定探測(cè)區(qū)域→測(cè)場(chǎng)的選擇及測(cè)點(diǎn)布置→探測(cè)杯埋設(shè)、打鉆→測(cè)量→結(jié)果分析。

確定探測(cè)區(qū)域：為準(zhǔn)確確定矸石場(chǎng)自然發(fā)火位置，確定探測(cè)區(qū)域如圖5所示。此區(qū)域以坐標(biāo)東經(jīng)112°58′39.29″，北緯36°03′08.83″為原點(diǎn)，東西長(zhǎng)270 m，南北長(zhǎng)150 m矩形范圍內(nèi)的矸石場(chǎng)區(qū)域，如圖5斜線范圍區(qū)域所示。

圖5 同位素測(cè)氡法探測(cè)區(qū)域

測(cè)場(chǎng)的選擇及測(cè)點(diǎn)布置：本次同位素測(cè)氡、氣體探測(cè)法及溫度測(cè)定法的測(cè)點(diǎn)是在劃定好的探測(cè)范圍內(nèi)采用測(cè)點(diǎn)間距10 m的正方形網(wǎng)格布置的。每一點(diǎn)預(yù)先編號(hào)，確定相對(duì)位置，現(xiàn)場(chǎng)采用測(cè)繩找點(diǎn)及布置測(cè)點(diǎn)。

探測(cè)杯埋設(shè)、打鉆：同位素測(cè)氡法使用的探測(cè)杯是用高吸附材料制成的，收集范圍為12 cm×8 cm。在每個(gè)編號(hào)的測(cè)點(diǎn)上挖寬規(guī)格為高30 cm、深40 cm、直徑30 cm的坑，將探測(cè)杯用塑料布覆蓋后杯口朝下放入坑內(nèi)，隨后，用土覆蓋并進(jìn)行標(biāo)記，如圖6所示。氣體探測(cè)法及溫度測(cè)定法使用電鉆在布置網(wǎng)點(diǎn)處打深度為1.0～1.5 m的鉆孔，從中取氣樣進(jìn)行分析。

圖6 探杯埋設(shè)圖

測(cè)量：將埋設(shè)4～10 h的探測(cè)杯取出，放入CD-Ⅰα杯探測(cè)儀進(jìn)行測(cè)量，每隔1 min記錄一次數(shù)據(jù)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)記錄3次數(shù)據(jù)，并記錄下相應(yīng)的環(huán)境等參數(shù)，然后從鉆孔中取氣樣快速分析得到相應(yīng)的CO濃度及檢測(cè)鉆孔內(nèi)的溫度值。

結(jié)果分析：將所測(cè)結(jié)果輸入專用軟件，根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)得到相應(yīng)的氡值、CO濃度值及溫度值立體圖與等值線圖，如圖7所示。由圖7可以看出，雖然圖7(a)、圖7(b)、圖7(c)顯示的對(duì)應(yīng)的氡值、CO濃度值、溫度值顯示的異常值不能完全對(duì)應(yīng)，但可以看出異常的區(qū)域還是反應(yīng)出良好的對(duì)應(yīng)性，圖7(a)顯示的氡值立體圖與等值線較圖7(b)顯示的CO濃度值與圖7(c)顯示的溫度值更清晰和明了；圖7所顯示的異常區(qū)域與紅外熱成像法檢測(cè)到的異常區(qū)域也顯示了良好的對(duì)應(yīng)性?；趫D7所顯示的結(jié)果和各種方法本身的特點(diǎn)，可以確定，本次火源探測(cè)應(yīng)該以同位素氡探測(cè)法為主，紅外熱成像法、氣體探測(cè)法與測(cè)溫法為輔。

a-氡值立體圖與等值線圖;b-CO濃度值立體圖與等值線圖;c-溫度值立體圖與等值線圖圖7 氡值、CO濃度、溫度等值線圖

4 結(jié)論

(1)各種火源探測(cè)方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，通過各種方法對(duì)火源進(jìn)行探測(cè)，進(jìn)行對(duì)比分析，得出了對(duì)霍爾辛赫煤礦矸石場(chǎng)自燃火源位置探測(cè)應(yīng)采用以同位素氡探測(cè)法為主，紅外熱成像法、氣體探測(cè)法與測(cè)溫法為輔的多重方法聯(lián)用技術(shù)，得出火區(qū)分布平面圖。如圖8所示，在測(cè)場(chǎng)內(nèi)探明溫度異常區(qū)4個(gè)，分別為A、B、C、D，總面積約8 468.9 m2。

圖8 溫度異常區(qū)域圖

(2)A區(qū)為一高溫火區(qū)，面積為2 611.8 m2，位于探測(cè)區(qū)域北部，X坐標(biāo)范圍10～25，Y坐標(biāo)范圍11～15；B區(qū)為一高溫火區(qū)，面積為1 957 m2，位于探測(cè)區(qū)域東南部，X坐標(biāo)范圍20～27，Y坐標(biāo)范圍3～10；C區(qū)為一高溫火區(qū)，面積為1 367.5 m2，位于探測(cè)區(qū)域南部，X坐標(biāo)范圍14～20，Y坐標(biāo)范圍1～6；D區(qū)為一高溫火區(qū)，面積為2 532.6 m2，位于探測(cè)區(qū)域南部，X坐標(biāo)范圍5～15，Y坐標(biāo)范圍1～9。