活性炭测氡法在煤层自燃区探测中的应用——以山西宁武县寺耳沟煤矿为例

刘瑞成，毛洪亮，赵婷婷，肖超，魏台桂

（美丽华夏生态环境科技有限公司，北京 100076）

0 引言

煤层自燃不仅浪费煤炭资源，还会产生SO2、CO2、NO 等有毒有害气体，对大气环境造成严重污染。有毒有害气体导致酸雨的发生，不仅对河流水质造成严重污染，而且会对周边居民的身体健康造成严重危害（刘敦旺等，2009；金永飞等，2010；陈达蔚，2015；费金彪等，2018）。煤层自燃过程中产生的热辐射导致大面积土地荒芜和植被枯死，严重破坏土地资源和植物资源，影响土地耕种和植被生长。煤层自燃若不加以控制，则其火源将外延并串通至煤层下部，形成不可控制的更大范围的火区，导致火区条件及地面条件进一步恶化，可能引起更大范围的地质灾害（魏树群和王玺瑞，1997；郎文霞和刘鸿福，2011；王刚，2015；李源辉等，2016；王刚等，2016）。

煤田火灾具有火区面积大、不易治理、火源位置探测困难、火区治理成本高等特点，因此煤层火区治理始终是矿山地质环境治理过程中最为复杂的问题之一。精确的探测出火区的平面位置和地下空间分布范围是治理火区首要的工作，目前探测火区位置的勘查手段主要有磁探法、电阻率测定法、遥感法、红外探测法和测氡等技术（邓军等，2012；王海燕和程亚飞，2016；武中华等，2019）。磁探测法和电阻率测定法适合矿井投产之前的火源探测，探测已经投产的井田火区会受到电器设备的影响，准确度不高。遥感法适合测定较大面积火区，但成本较高。测氡法会由于地形的影响而增加工作量，而红外探测法的测量深度较小（张新军和刘鸿福，2004；王祥等，2010；吕英华和于婷婷，2015），测氡法和红外探测法相结合可降低工作量，并且可提高探测的准确性。

1 火区概况

宁武县寺耳沟矿区周边地势高峻，山岭纵横，标高为1578～2034 m。宁武县寺耳沟煤矿位于晋北煤炭基地宁武煤田，区域地层由老到新依次为：奥陶系中统上马家沟组（O2s），石炭系中统本溪组（C2b）、上统太原组（C3t）、二叠系下统山西组（P1s）、下石盒子组（P1x）、二叠系上统上石盒子组（P2s）、二叠系上统石千峰组（P2sh）及第四系上更新统（Q3）及全新统（Q4）地层。太原组为矿区主要含煤地层，为一套海陆交互相的铁铝岩建造，含煤2#、3#、4#、5#、6#，其中2#、5#为赋存区稳定可采煤层，其余均为不可采或零星可采。

项目区内火点HD01 和HD03 为空区及煤层露头组成的复合火区、HD02 为煤层浅层露头火区。同时，在火区范围内有进回风井口和窑口9 个，在火区周边有进回风井口和窑口17 个。根据以往煤矿资料分析并结合钻探验证结果，HD01 子火区内有寺耳沟煤矿老采空区分布，采空区深度67.6 m，且空区内有遗煤自燃情况，温度探测显示有高温异常；HD02 子火区内钻孔验证无采空区分布；HD03 子火区内有石窑沟煤矿老采空区分布，采空区平均深度30 m，有高温异常。寺耳沟煤矿火点及采空区分布见图1。由于测氡法具有操作简单，成本低、探测便捷等优点，综合矿区的各种因素，最终选定综合采用红外探测法和活性炭测氡法进行火区范围探测。

图1 采空区及窑口平面位置分布图

2 活性炭测氡技术简介

2.1 煤自燃机理

煤层的井下开采破坏了煤体的完整性，煤体与空气接触使空气中的氧与煤表面分子中的活性结构发生复杂的物理化学作用，产生并放出热量。当放出的热量大于向周边环境散发的热量时，热量聚集使煤温上升，反之煤温下降。当积聚的热量使煤温上升到临界温度并继续上升，最终导致煤体发生自燃。煤体自燃主要取决于三大要素，即煤自身的氧化放热性能、自燃所需的供氧条件以及自燃所需的蓄热条件（彭飞和李建军，2007；王正辉等，2010）。

2.2 活性炭测氡法基本原理

氡是一种无色无味无臭的放射性气体，而且是一种惰性气体，一般不参加化学反应，能溶于水油等液体中，具有强烈的扩散性和扩散能力。氡半衰期为3.825 d，煤层中氡的析出受矿物粒度、空隙度、气压、岩性、地应力、地下水及介质温度等因素影响（赵亚军等，2012）。早在20 世纪50 年代，R.E.科林曾提出，在温度梯度的作用下，多孔介质内部流体将从热的地区向较冷的区域流动（李建军等，2009）。煤田火区中的煤炭自燃形成一个高温高压的环境，并产生大量的水蒸气、一氧化碳等，自燃区顶部存在大量裂隙，将加快氡气向上移动的速度。因此，能够在地表形成较高的氡气异常区域。赵耀江和邬剑明（2003）研究了煤岩温升过程中氡的析出规律和氡气在地层中的分布及运移规律，推导出在自燃发火状态下地层中的氡浓度分布方程，确定了其边界条件，通过求解，得出火区以上地层中氡分布函数，再次论证了通过地面同位素测氡技术可确定地下火源位置和推算火源温度（鲍庆国等，2000；邬剑明和高尚青，2004；隋涛等，2006；邬剑明等，2006）。

活性炭可以吸附各种气、液态物质，其比表面积高达700～1600m2/g，因此具有较强的吸附能力。活性炭为非极性吸附剂，而氡为非极性单原子分子，因此活性炭对氡具有较强的吸附能力。当氡运移到活性炭表面时，很快被吸附，造成其周围的氡浓度降低。在浓度差作用下，高浓度出的氡不断地向活性炭运移，直到它吸附的氡量达到最大值，并与周围的氡浓度达到平衡（山亚等，2019）。

在地下火区燃烧过程中，燃烧区岩层及其上覆岩层处于一个高温高压的环境中。煤系地层在高温高压的作用下，其本身的射气系数以及氡的析出量都在不断地增加，此外，煤炭燃烧使煤系地层中孔隙水或裂隙水的温度和矿化度升高，而随着温度的升高水溶解氡的能力降低（表1），矿化度的提高也使得水中氡的溶解度降低，这就使得煤系地层中自由氡的数量进一步增加。这必然在火区上方地表浅层形成一个氡浓度高值区，从而使得测氡法探测煤矿地下火区成为可能。

表1 氡在水中溶解度系数与温度的关系

3 火区探测过程

3.1 高温点的确定

根据现场调查成果，结合前期红外遥感探测成果初步圈定隐伏火区大致范围，初步划定煤层隐伏高温区或煤自燃氧化区的活性炭测氡工作范围。

3.2 测点布置

以40 m×10 m 网度（即线距40 m，点距10 m）布置活性炭氡气测点，测线方向基本垂直通过火区走向，为控制火区边界，测线沿着火区延伸方向，剖面长度一般约600 m，部分测线根据现场情况适当延长，共布设测线120 条，测点5788 个。

3.3 活性炭杯的埋设

首先，在测点设置位置用铁锹挖深50 cm 的探坑，然后把采样器固定好，平稳地放在探坑底部并上覆塑料布，然后填土埋好，做好标记等待5 d 后取杯测量。测量仪器采用太原理工大学自主研发的TYHC-1 活性炭测氡仪。采样器由集气罩杯和活性炭盒组成，集气罩杯高约15 cm，活性炭盒为塑料圆柱形盒，规格为40 mm×60 mm，瓶内可装15 g 活性炭和5 g 变色硅胶，硅胶起干燥剂的作用，吸收土壤中的水分，瓶口带双层密封盖，集气罩杯容积为500 mL，杯底中心有插入活性炭吸附器的圆形口。活性炭测氡现场埋设情况见图2。

4 探测结果分析与验证

4.1 红外探测结果

用飞马D200 无人机搭载红外相机分别在晚上20：00 以后和早上8：00 点以前进行航飞，获取了测区的热红外影像数据。通过遥感数据分析和已知高温点的地面验证，解译出7 处高温区，经过与已知现场测实地测温核实、CO 浓度测量数据对比分析，最终确定7 处高温区是确定的煤自燃区、2 处为疑似煤自燃火区。寺耳沟矿区热红外遥感解译异常区见图3 。

4.2 活性炭氡气测量试验与质量检测过程

结合现场调查结果，试验线选择在东寨镇寺耳沟村附近109、110、111测线，3条测线在210号点附近有明显的高温显示，且现场地表裂隙、出气孔热气等煤层自燃特征明显。

图2 活性炭测氡现场埋设过程图

图3 寺耳沟煤矿红外成像图

图4 109 线测氡剖面

图5 110 线测氡剖面

从3 条氡剖面图（图4～6）对比可以看出，氡值变化起伏较大，从200～218 号点氡值计数普遍大于400 cpm，反映出由于地下高温及地面裂隙造成氡的跳跃式变化。地表有沿煤层露头走向的岩层破裂裂缝，多处有高温热气流涌出，并伴有刺激性异常气味，黄色硫化物结晶。109 线、110 线230 号点附近高氡异常产生的原因，根据勘探区邻近火区自燃延伸情况，分析认为应该为采空区引起。质量检测表明实测值与检查线相对误差为-7.7%，曲线形态起伏基本一致。

图6 111 线测氡剖面

4.3 活性炭测氡剖面分析

为了解测区氡异常区分布情况，选取若干典型剖面进行详细分析。测线布置方向沿煤层倾向，各侧线起始点基本跨过5#煤层底板以期获得正常场。从112 测线可以看出，自207 号点开始，氡值较小，基本为背景值。自208 号点氡值开始增大，并出现起伏较大的变化，应为地下火区高温引起。229～230 点出现较高的氡值，应为地下采空引起氡值高异常，详见图7。114 线氡值变化特征基本与112 线相似，小号点氡值基本为背景值大小，210 号点附近氡值增大，应为地下火区高温引起，224 号点附近的高氡异常推测为地下采空引起，详见图8。

图7 112 线测氡剖面

图8 114 线测氡剖面

4.4 活性炭测氡平面等值线分析

对原始数据检查合格以及均滑处理后，绘制完成测区氡值平面等值线图，如图9 所示。从图9 中可以看出，测区内氡值高值区域分布明显，综合分析认为沿煤层露头线方向红色线圈定的6 个区域为地下火区，1、3、4 规模较小、氡值高；2 号区异常较大，可以连成片状，局部有较高氡值出现，与自燃裂隙发育有关；5 区由于地形陡峭，有测点丢失，致使该区等值线数值较低。另外，测区有明显的冒烟冒气现象，浅部岩层温度较高，影响了活性炭对氡的吸附，氡值相对较小。结合现场调查，初步圈定为煤层自燃火区。

综合分析发现氡异常高值呈北东-南西向展布的趋势，与煤层露头走向基本一致，为5#煤层露头自燃着火特征。图中蓝色线条圈定的相对氡高值区，由于距离煤层露头有一定距离，按煤层倾角推断不应该是地下火区燃烧引起，因此解释为地下相对较大的采空引起。另外，从氡等值线图可见测区存在多个局部小异常区，分析原因应为该区4#、2#煤层埋藏较浅，历史上存在私挖乱采现场，且钻探已发现多个小采空区存在，所以认为局部小异常应为小采空。

图9 寺耳沟测区氡平面等值线图

4.5 钻探验证

为验证活性炭测氡法确定的煤层自燃火区范围可靠性，选择在重点煤层自燃区域开展钻探验证工作，以查明煤层自燃火区的燃烧状况、煤层厚度、煤层深度、煤层层号、煤层顶底板的燃烧变质状况，结合地表温度、CO 浓度测定，孔口CO 浓度、温度测定结果，最终确定煤层自燃范围及边界。

本次布置10 个验证钻孔（位置分布见图10），完成进尺总计755 m。对比分析钻孔探测及测温结果，孔内几乎全部揭露采空区高温异常（67.3～328.6℃），而布置在测氡法圈定的火区外部，孔内未揭露到高温异常，钻探验证结果表明红外探测和地面活性炭氡气测量的方法在探测本区域火区范围是准确有效的。

5 结论

图10 寺耳沟矿区钻孔布置图

采用活性炭测氡法结合热红外遥感解译法可以确定煤矿自燃区的范围，为了保证测氡法圈定的煤层自燃范围的准确性可以采用钻探法进行验证。采用测氡法在宁武县寺耳沟煤矿成功圈定了3 处煤层自燃区范围，为后期灭火工程提供了准确的基础数据。综上所述，该方法在煤矿隐伏火区探测中具有一定的应用前景。