劉瑞成，毛洪亮，趙婷婷，肖超，魏臺(tái)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(fèi)煤炭資源，還會(huì)產(chǎn)生SO2、CO2、NO 等有毒有害氣體，對(duì)大氣環(huán)境造成嚴(yán)重污染。有毒有害氣體導(dǎo)致酸雨的發(fā)生，不僅對(duì)河流水質(zhì)造成嚴(yán)重污染，而且會(huì)對(duì)周邊居民的身體健康造成嚴(yán)重危害（劉敦旺等，2009；金永飛等，2010；陳達(dá)蔚，2015；費(fèi)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(yán)重破壞土地資源和植物資源，影響土地耕種和植被生長(zhǎng)。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(jìn)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(cè)困難、火區(qū)治理成本高等特點(diǎn)，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(cè)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(cè)火區(qū)位置的勘查手段主要有磁探法、電阻率測(cè)定法、遙感法、紅外探測(cè)法和測(cè)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(cè)法和電阻率測(cè)定法適合礦井投產(chǎn)之前的火源探測(cè)，探測(cè)已經(jīng)投產(chǎn)的井田火區(qū)會(huì)受到電器設(shè)備的影響，準(zhǔn)確度不高。遙感法適合測(cè)定較大面積火區(qū)，但成本較高。測(cè)氡法會(huì)由于地形的影響而增加工作量，而紅外探測(cè)法的測(cè)量深度較?。◤埿萝姾蛣Ⅷ櫢＃?004；王祥等，2010；呂英華和于婷婷，2015），測(cè)氡法和紅外探測(cè)法相結(jié)合可降低工作量，并且可提高探測(cè)的準(zhǔn)確性。

1 火區(qū)概況

寧武縣寺耳溝礦區(qū)周邊地勢(shì)高峻，山嶺縱橫，標(biāo)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(xiàng)目區(qū)內(nèi)火點(diǎn)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(shí)，在火區(qū)范圍內(nèi)有進(jìn)回風(fēng)井口和窯口9 個(gè)，在火區(qū)周邊有進(jìn)回風(fēng)井口和窯口17 個(gè)。根據(jù)以往煤礦資料分析并結(jié)合鉆探驗(yàn)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(cè)顯示有高溫異常；HD02 子火區(qū)內(nèi)鉆孔驗(yàn)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(diǎn)及采空區(qū)分布見圖1。由于測(cè)氡法具有操作簡(jiǎn)單，成本低、探測(cè)便捷等優(yōu)點(diǎn)，綜合礦區(qū)的各種因素，最終選定綜合采用紅外探測(cè)法和活性炭測(cè)氡法進(jìn)行火區(qū)范圍探測(cè)。

圖1 采空區(qū)及窯口平面位置分布圖

2 活性炭測(cè)氡技術(shù)簡(jiǎn)介

2.1 煤自燃機(jī)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(xué)作用，產(chǎn)生并放出熱量。當(dāng)放出的熱量大于向周邊環(huán)境散發(fā)的熱量時(shí)，熱量聚集使煤溫上升，反之煤溫下降。當(dāng)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(cè)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(xué)反應(yīng)，能溶于水油等液體中，具有強(qiáng)烈的擴(kuò)散性和擴(kuò)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(jì)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(dòng)（李建軍等，2009）。煤田火區(qū)中的煤炭自燃形成一個(gè)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(dòng)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(yùn)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(cè)氡技術(shù)可確定地下火源位置和推算火源溫度（鮑慶國(guó)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(dá)700～1600m2/g，因此具有較強(qiáng)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(duì)氡具有較強(qiáng)的吸附能力。當(dāng)氡運(yùn)移到活性炭表面時(shí)，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(yùn)移，直到它吸附的氡量達(dá)到最大值，并與周圍的氡濃度達(dá)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(gè)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(jìn)一步增加。這必然在火區(qū)上方地表淺層形成一個(gè)氡濃度高值區(qū)，從而使得測(cè)氡法探測(cè)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(cè)過程

3.1 高溫點(diǎn)的確定

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查成果，結(jié)合前期紅外遙感探測(cè)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(cè)氡工作范圍。

3.2 測(cè)點(diǎn)布置

以40 m×10 m 網(wǎng)度（即線距40 m，點(diǎn)距10 m）布置活性炭氡氣測(cè)點(diǎn)，測(cè)線方向基本垂直通過火區(qū)走向，為控制火區(qū)邊界，測(cè)線沿著火區(qū)延伸方向，剖面長(zhǎng)度一般約600 m，部分測(cè)線根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況適當(dāng)延長(zhǎng)，共布設(shè)測(cè)線120 條，測(cè)點(diǎn)5788 個(gè)。

3.3 活性炭杯的埋設(shè)

首先，在測(cè)點(diǎn)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(biāo)記等待5 d 后取杯測(cè)量。測(cè)量?jī)x器采用太原理工大學(xué)自主研發(fā)的TYHC-1 活性炭測(cè)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?jī)?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(cè)氡現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)情況見圖2。

4 探測(cè)結(jié)果分析與驗(yàn)證

4.1 紅外探測(cè)結(jié)果

用飛馬D200 無人機(jī)搭載紅外相機(jī)分別在晚上20：00 以后和早上8：00 點(diǎn)以前進(jìn)行航飛，獲取了測(cè)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(diǎn)的地面驗(yàn)證，解譯出7 處高溫區(qū)，經(jīng)過與已知現(xiàn)場(chǎng)測(cè)實(shí)地測(cè)溫核實(shí)、CO 濃度測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)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(cè)量試驗(yàn)與質(zhì)量檢測(cè)過程

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果，試驗(yàn)線選擇在東寨鎮(zhèn)寺耳溝村附近109、110、111測(cè)線，3條測(cè)線在210號(hào)點(diǎn)附近有明顯的高溫顯示，且現(xiàn)場(chǎng)地表裂隙、出氣孔熱氣等煤層自燃特征明顯。

圖2 活性炭測(cè)氡現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)過程圖

圖3 寺耳溝煤礦紅外成像圖

圖4 109 線測(cè)氡剖面

圖5 110 線測(cè)氡剖面

從3 條氡剖面圖（圖4～6）對(duì)比可以看出，氡值變化起伏較大，從200～218 號(hào)點(diǎn)氡值計(jì)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?zé)釟饬饔砍?，并伴有刺激性異常氣味，黃色硫化物結(jié)晶。109 線、110 線230 號(hào)點(diǎn)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(rèn)為應(yīng)該為采空區(qū)引起。質(zhì)量檢測(cè)表明實(shí)測(cè)值與檢查線相對(duì)誤差為-7.7%，曲線形態(tài)起伏基本一致。

圖6 111 線測(cè)氡剖面

4.3 活性炭測(cè)氡剖面分析

為了解測(cè)區(qū)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。測(cè)線布置方向沿煤層傾向，各側(cè)線起始點(diǎn)基本跨過5#煤層底板以期獲得正常場(chǎng)。從112 測(cè)線可以看出，自207 號(hào)點(diǎn)開始，氡值較小，基本為背景值。自208 號(hào)點(diǎn)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(diǎn)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(hào)點(diǎn)氡值基本為背景值大小，210 號(hào)點(diǎn)附近氡值增大，應(yīng)為地下火區(qū)高溫引起，224 號(hào)點(diǎn)附近的高氡異常推測(cè)為地下采空引起，詳見圖8。

圖7 112 線測(cè)氡剖面

圖8 114 線測(cè)氡剖面

4.4 活性炭測(cè)氡平面等值線分析

對(duì)原始數(shù)據(jù)檢查合格以及均滑處理后，繪制完成測(cè)區(qū)氡值平面等值線圖，如圖9 所示。從圖9 中可以看出，測(cè)區(qū)內(nèi)氡值高值區(qū)域分布明顯，綜合分析認(rèn)為沿煤層露頭線方向紅色線圈定的6 個(gè)區(qū)域?yàn)榈叵禄饏^(qū)，1、3、4 規(guī)模較小、氡值高；2 號(hào)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(cè)點(diǎn)丟失，致使該區(qū)等值線數(shù)值較低。另外，測(cè)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(duì)氡的吸附，氡值相對(duì)較小。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)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(shì)，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(lán)色線條圈定的相對(duì)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(duì)較大的采空引起。另外，從氡等值線圖可見測(cè)區(qū)存在多個(gè)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(chǎng)，且鉆探已發(fā)現(xiàn)多個(gè)小采空區(qū)存在，所以認(rèn)為局部小異常應(yīng)為小采空。

圖9 寺耳溝測(cè)區(qū)氡平面等值線圖

4.5 鉆探驗(yàn)證

為驗(yàn)證活性炭測(cè)氡法確定的煤層自燃火區(qū)范圍可靠性，選擇在重點(diǎn)煤層自燃區(qū)域開展鉆探驗(yàn)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(hào)、煤層頂?shù)装宓娜紵冑|(zhì)狀況，結(jié)合地表溫度、CO 濃度測(cè)定，孔口CO 濃度、溫度測(cè)定結(jié)果，最終確定煤層自燃范圍及邊界。

本次布置10 個(gè)驗(yàn)證鉆孔（位置分布見圖10），完成進(jìn)尺總計(jì)755 m。對(duì)比分析鉆孔探測(cè)及測(cè)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(cè)氡法圈定的火區(qū)外部，孔內(nèi)未揭露到高溫異常，鉆探驗(yàn)證結(jié)果表明紅外探測(cè)和地面活性炭氡氣測(cè)量的方法在探測(cè)本區(qū)域火區(qū)范圍是準(zhǔn)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(cè)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(cè)氡法圈定的煤層自燃范圍的準(zhǔn)確性可以采用鉆探法進(jìn)行驗(yàn)證。采用測(cè)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(zhǔn)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(cè)中具有一定的應(yīng)用前景。