測氡法在確定煤礦地下火區(qū)中的應用

胡 凱

（山西省煤炭建設監(jiān)理有限公司， 山西 太原 030012）

地下煤層自燃屬礦井五大災害之一，其火源隱蔽，嚴重威脅煤礦安全生產(chǎn)和煤炭資源。煤的熱容量較大，熱傳導率低，煤層不斷氧化，溫度不斷增高，到達一定溫度煤層就會自燃。因此，對煤礦火區(qū)采取相應的治理措施非常必要。

目前，探測煤礦火區(qū)的方法有很多，在眾多方法中，測氡法是一種快速、有效、經(jīng)濟的方法。與其他方法相比，測氡法能更準確、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)、累積的氡氣測量方法，從短期勘探和長期監(jiān)測角度都有很大優(yōu)勢，在煤礦火區(qū)中應用廣泛。

本次以內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市烏達煤田為例，采用活性炭測氡法對其煤礦火區(qū)進行探測。通過對現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)進行處理分析，基本確定了測區(qū)內(nèi)氡異常（火區(qū)）的形態(tài)和范圍，為煤礦火區(qū)進行治理提供依據(jù)。

1 活性炭測氡法的基本原理

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。當這兩種物質(zhì)的分子或原子相互接近時，由于電力轉(zhuǎn)動和核振動，發(fā)生電子和核之間相對位移而產(chǎn)生瞬時偶極。這種情況的不斷重復使分子間始終存在色散力，這是活性炭吸附氡的內(nèi)在動力。當氧運移到活性炭表面時，很快會被吸附。造成其周圍的氡濃度降低。在濃度差作用下，高濃度處的氡不斷向活性炭擴散，直至它吸附的氡量達最大值，并與周圍的氡濃度達到平衡。

1.2 儀器參數(shù)

TYHC-1活性炭測氡儀主要指標：

探測器：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137Cs而言）；工作溫度：-10～+50℃。

2 活性炭測氡法應用實例

2.1 工程概況

本次勘察對象為烏達煤田火區(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?；饏^(qū)位于井田西南部，面積約17.3萬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）構造。烏達礦區(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。向斜北部開闊，南部窄小，形似“耳”狀。烏達煤田構造總體特征：北部構造簡單，褶曲平緩開闊，斷層多為高角度正斷層，南部構造復雜，褶曲較多，巖層受擠壓較強，有較大的斷層出現(xiàn)。

3）煤層。勘查區(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、2號、4號、5號、6號、7號、9號、10號、12號、13號上 2、13號、15號），局部可采煤層7層（8號、11號、13號上 3、13號上 1、14號、16號、17號），可采煤層平均總厚度33.6 m。不可采煤層8層（2號上、3號、4號上、4號下、12號上、12號下、13號下、18號）。

2.3 野外數(shù)據(jù)采集

測網(wǎng)布設：共布設物探測線37條，線距20 m，點距20 m，測線長度760～230 m，測線總長度為17.78 km。共960個物理點，其中坐標點922個，檢查點38個。實際野外數(shù)據(jù)采集工作中，由于地形原因，D01-D09線人員無法到達，未能采集到測氡數(shù)據(jù)；另外，在測區(qū)中部一帶，部分測點由于白灰覆蓋，人員無法進入，也未能采集到測氡數(shù)據(jù)，平面布置圖詳見圖1。

圖1 測氡平面布置圖

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)場施工、白灰覆蓋和地形危險等原因，現(xiàn)場實際獲得數(shù)據(jù)點542個。由于測區(qū)地表裂隙極度發(fā)育，剝采區(qū)域?qū)υ嫉孛财茐膰乐兀瑸榱吮M可能消除裂隙等隨機因素的干擾和影響，對原始數(shù)據(jù)進行了低通濾波處理。在此基礎上，繪制了測區(qū)氡值平面等值線圖（見圖2）。

圖2 測區(qū)氡值平面等值線圖

從下頁圖3中可看出，測區(qū)中部從西向東有一條寬達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，測區(qū)北部邊緣偏東一帶，零星分布有5個氡值異常區(qū)，規(guī)模相對較小，異常值相對也較小。除最西側(cè)2個區(qū)有連片趨勢外，其余均為散布狀態(tài)。表明火區(qū)正處在發(fā)展初期。測區(qū)西南角部以及南部邊緣一帶，散列分布有4個氡值異常區(qū)，規(guī)模中等，氡異常值相對較高，有即將連片的趨勢，表明這一帶的火區(qū)處于發(fā)展期。

2.4.2 氡值剖面線分析

為了更進一步了解氡異常區(qū)分布情況，選取若干典型剖面進行詳細分析。沿測區(qū)東西方向，于D11測線、D15測線、D20測線、D22測線、D29測線、D31測線位置，分別切橫貫測區(qū)的剖面；沿南北方向，分別于測區(qū)距西部邊界170 m處、370 m處和590 m處分別切出縱貫測區(qū)南北的三條剖面，稱為縱1、縱2、縱3剖面，由此產(chǎn)生的剖面曲線見下頁圖3。

11線剖面可看出，中部有一個波谷，氡值在300計數(shù)/3 min以下，波谷西、東兩側(cè)均有氡值異常，表明該剖面線經(jīng)過兩個火區(qū)，西邊火區(qū)距測區(qū)西界約150 m，而東邊火區(qū)一直到達測區(qū)東界。

15線剖面，曲線有明顯的兩個波峰，表明該線穿越兩個火區(qū)。兩火區(qū)分別位于測區(qū)西界和東界，西邊的氡值更高，氡值達到600計數(shù)/3 min以上，而峰寬大致相當，表明西邊的火區(qū)溫度要高于東邊火區(qū)。

20線，中部偏西有兩個緊連的波峰，兩峰之間的波谷并不深，表明兩個火區(qū)有即將連片的趨勢，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計數(shù)/3 min之間，波峰東側(cè)為低緩地帶，該地段為無火區(qū)域。

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

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

以上，即使它們之間的波谷氡值也在400計數(shù)/3 min以上。為測區(qū)規(guī)模最大的火區(qū)，最高峰寬度高度均非常可觀。

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

縱1線，北部和中部有兩個規(guī)模較大的波峰，兩峰之間的波谷氡值亦達400計數(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，中部有一個較大規(guī)模的波峰，峰寬約200 m，峰高約700計數(shù)/3 min，表明該線穿越具有一定規(guī)模的火區(qū)。

縱3線，南部有一個波峰，直至測區(qū)南界，峰值很高，超過700計數(shù)/3 min，表明存在火區(qū)且火區(qū)溫度較高。

圖3 測區(qū)氡值剖面圖

2.4.3 趨勢面分析

為了更好地把握測區(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式擬合的方法，得到了氡值的趨勢面。按多項式最高項次數(shù)由低到高，分別進行了1次至4次擬合，結(jié)果如圖4。

圖4 擬合圖

在趨勢面分析的基礎上，獲得測區(qū)氡值殘差圖，根據(jù)各次趨勢面圖，分別得出相應的各次殘差圖（見圖 5）。

圖5 氡值殘差圖

從圖5可看出，一次殘差圖與氡等值線圖（圖2）最為相近，隨著次數(shù)的增高，殘差圖與等值線圖的差異逐漸增大，表明高次殘差圖可以更好的反映氡異常的局部細節(jié)。根據(jù)各次殘差效果的對比以及以往的數(shù)據(jù)處理經(jīng)驗，采用四次殘差圖作為測區(qū)氡異常范圍的主要參考，在此基礎上，經(jīng)過二值化處理，圈定測區(qū)氡異常（火）區(qū)范圍（見下頁圖6）。

根據(jù)319計數(shù)/3 min和670計數(shù)/3 min兩個等級，在氡值等值線圖的基礎上圈定氡異常區(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（見下頁圖7）。該結(jié)果與前面趨勢面分析法所圈定的氡異常區(qū)（火區(qū)）范圍大致相當，局部有所差異，建議在全區(qū)各處以范圍大者為準。

圖6 測區(qū)氡異常（火）區(qū)范圍

圖7 氡值異常（火區(qū)）分布圖

3 結(jié)論與認識

1）本文以內(nèi)蒙古烏達煤田7號火區(qū)為研究對象，采用測氡法探測煤礦地下火區(qū)，通過測區(qū)氡平面分布圖、剖面線圖分析，參照基點測試數(shù)據(jù)，基本確定了測區(qū)內(nèi)氡異常（火區(qū)）的形態(tài)和范圍。

2）由于礦區(qū)井上下條件復雜等，測區(qū)氡值分布不符合正態(tài)分布，在利用趨勢面分析以及異常下限值的基礎上，對氡異常區(qū)（火區(qū)）進行了等級劃分，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，與周圍區(qū)域有溫度差異，氡氣濃度也有顯著的差別。因而氡探測火區(qū)自燃位置與區(qū)域范圍具有深層機理，值得進一步研究。

4）巖石熱容值極高，只是用常規(guī)的探測儀器和方法，在地表探測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，恰好可為探測自燃區(qū)域所用。因此，利用氡氣探測深部煤層燃燒位置和范圍的方法，具有實際和深遠的意義。