氡-磁-电联合探测火区技术的应用研究

李东凯，何启林,2，李金亮,2

(1.安徽理工大学安全科学与工程学院,安徽 淮南 232001；2.安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室,安徽 淮南 232001)

火灾是矿井五大灾害之一，井下火灾区域不仅冻结大量煤炭资源，也时刻威胁着井下正常生产及人员安全。在无法确定火源位置的情况下，火区的治理难度高、效果差，导致灭火过程中工程量大、治理时间长、火源点不能完全熄灭，且极易复燃，因此利用合适的探测方法确定火源位置是关键。

目前，煤矿隐蔽火源探测技术主要有遥感法、自然电位法、磁探法、测氡法、红外成像法等。文献[12]采用同位素测氡法测出刘家峁煤矿存在14个氡异常区域，面积约5 050m。文献[13]利用磁探法有效圈定了纳林庙煤矿2#井重点区域内的火区范围。文献[14]通过热遥感技术获得了新疆大泉湖、米泉三道坝大面积火区的范围。文献[15]通过建立煤田火区地电、地磁模型并计算，对高密度电法与磁法探测煤田火区的可行性进行研究。各种探测方法在单独探测火区时均存在缺陷。遥感法对埋藏较深的火源与地表温度显现不明显的浅埋煤层煤火源的探测比较困难；磁探法适用于探测富含铁质矿物的地区煤田自燃火区，只对已过火火区(形成烧变岩)有较为明显的响应，而对于正在燃烧的高温火区反应滞后，无法反映新生的高温火区；自然电位法适用于露天开采矿井或煤田的煤炭自然发火火源位置与范围的初步测定，在正负异常区之间存在异常空白区，且异常区两侧经常伴生出现反异现象；同位素测氡法操作简单、成本低、精度高，但容易受火区上覆岩层性质、含水量、裂隙发育等影响，抗干扰性差。但是测氡法、磁探法和自然电位法这三种方法探测火区存在互补，即虽然磁探法无法反映新生的高温火区，但高温所导致的自然电位异常却很明显；虽然自然电位正负异常区之间存在异常空白区，但该区域一般为降温带，而磁探法能够完整地反映出存在降温带的火区；氡法虽然抗干扰能力较弱，但是对温度变化较为敏感且技术成熟，操作简单。

为提高火区探测精度，本文提出先用地面测氡法初探火源位置及范围，再用地面磁探法和自然电位法进一步确定火源位置及范围的氡-磁-电联用火区探测技术，并在井下布置测温钻孔验证探测结果的准确性，以便为后期火区治理提供理论依据。

1 矿井概况

东峰煤业为资源整合矿井，矿井绝对瓦斯涌出量为1.31m/min，属瓦斯矿井。井田内开采8#、9#煤层，8#煤层属Ⅱ级自燃煤层，9#煤层属Ⅲ级不易自燃煤层。8#煤层平均厚度为3.02m，9#煤层上距8#煤层平均3.68m，煤层平均厚度为3.98m，9#煤层井田内有大范围巷道揭露。东峰矿三条大巷均为煤巷，运输大巷布置在9#煤层，轨道大巷掘至二采区75m后从8#煤层进入9#煤层，回风大巷掘至二采区进入9#煤层，三条大巷平行布置，间距20m。二采区回风大巷在掘进期间与未知小窑空巷连通，导致产生多源火区，且地表有冒烟现象，矿方对三条大巷构筑密闭封闭火区后，在没有探明火源位置及范围的情况下，采取向封闭区域注氮的方法治理火区，一定程度减缓了火势的发展，但封闭区情况复杂，漏风通道较多，仍存在高浓度CO，火区并未熄灭，时刻威胁井下安全生产。

2 氡-磁-电联用探测隐蔽火源

2.1 测点布置

在二采区封闭空间对应地表进行测氡法测点及磁探法、自然电位法测线布置，对火区进行联合探测，测点标记均采用GPS Leica TCR1202全站仪。

1) 测氡法测点布置：以经纬度坐标A(37612250，4196120)、A(37612250，4196270)、O(37612380，4196120)三点作为基准点，对南北长度约为150m，东西方向宽约为130m的范围布置测点并编号，点间距为10m×10m，共布置测点224个，测量之后，根据区域或边界异常情况，可适当增加测点，本次实际探测面积为19 500m，测点井上下对照示意图如图1所示。

图1 测点布置井上下对照示意图

2)磁探法、自然电位法测线布置：以经纬度坐标A(37612250，4196120)、P(37612250，4196255)、O(37612380，4196120)三点作为基准点，在地面平行布设了10条测线，各测线走向90°，测线间距均为15m，测线总长度1 300m，测点间距设为5m，测量面积约为17 550m，具体布置如图2所示。

图2 测线布置井上下对照示意图

2.2 现场测定结果及分析

1)采用RAD7专业电子测氡仪进行火区探测，对测氡法所测数据进行差异化分析后，以基点A1(37612250，4196120)为起点，通过专业软件绘制氡异常值立体图及井下氡异常区域对照图，如图3、图4所示。

图3 异常值立体图

图4 井下氡异常区域对照图

从图3、图4可以看出，探测区域内有2个氡值异常区域，主要位于二采区回风联络巷及回风大巷周围。A区面积约为550m，氡最大值为135Bq/m，B区面积约为650m，氡最大值为108Bq/m，总面积约为1 200m。

2)磁探法采用G-856AX型高精度质子磁力仪，通过对磁异常探测结果进行了提取与过滤性处理，得出二采区所在区域因煤自燃引起的磁异常数据，据此圈出二采区火源的可能的位置有2个，C区面积约为625m，D区面积约为875m，总面积约为1 500m，结果如图5所示。

图5 磁探法测定火源分布图

从图5知，磁探法探测的火源主要在二采区回风联络巷，而且向四周辐射，但是中间出现了间断，可能是早期小煤窑开采废弃巷道引起的磁测定误差，也有可能此处是高温区，磁法对新生高温火区不敏感，导致未能分辨出温度较高的火区。

3)自然电位法采用一台WDJD-1多功能数字直流激电仪和一对Cu-CuSO不极化电极，通过对自然电位测定的结果进行了提取与数值滤波处理，得出因煤自燃引起的电位异常数据，利用该测定结果对磁异常探测结果进行了完善，得出了利用火区磁、电异常探测技术所圈定二采区火区分布图，总面积约 1 850m，如图6所示。

图6 磁、电联合探测火源分布图

从图6可知， 自然电位法测定的火区分布包含仅用磁探法圈定的C、 D区中间的间断区， 且该区与测氡法圈定的A区火区分布范围重合， 说明该区是井下煤正在燃烧区域， 温度最高，而磁探法对新生高温火区不敏感， 因此测氡法、 自然电位异常法可以对磁探法探测矿井隐蔽火源的缺陷进行补充。

4)联合探测结果。对上述测氡法、磁探法、自然电位法测定的火区范围放置在一张图上，从而更加清晰地呈现出火区的位置，具体如图7所示。

图7 隐蔽火源联合探测结果

测氡法与磁电联探法测定圈定的火区分布范围基本一致，均位于二采区回风联络巷周围，重叠区域有两处，正是氡-磁-电联用探测结果中火源位置及分布较为精准的区域，a区面积约为450m，b区面积约为500m。说明氡-磁-电联合探测隐蔽火源技术不仅能够互相补充遗漏区域，也能互相验证圈定结果准确性，可以进一步精准圈定火源位置及范围，此探测结果可为下一步火区治理提供指导。

3 井下测温钻孔验证

在氡-磁-电联探火源位置的基础上，以8101回风联络巷为探火巷，对火区进行近距离探测，记录测温钻孔所测高温区域并布置注浆钻孔进行注高固水防灭火材料治理。

(1)首先确保探火巷安全掘至二采区回风联络巷附近，探火巷每掘进30m在巷道迎头施工5个测温钻孔。

(2) 将二采区封闭巷道分为3个区域，A区为轨道大巷至回风联络巷25m内范围，B区为运输大巷至回风联络巷25m内范围及运输大巷与轨道大巷联络巷，C区为回风大巷及剩余封闭巷道。

火区探测顺序为：先在探火巷探测A区；再在轨道大巷探测B区；最后在运输大巷探测C区，并在已解放巷道向回风联络巷周围30m煤体打钻灌注高固水胶体防灭火材料进行充填封堵，避免已熄灭火区在复杂漏风环境下再次复燃。测温期间，对所测高温区打钻灌注高固水胶体灭火材料，当本次探测区域内气体及温度变化满足《煤矿安全规程》第279条规定后，才可以启封该区域并进行下一步火区探测。观测孔布置图如图8所示，共布置了15个观测钻孔，65个注浆钻孔(记录终孔初温)，累计注浆量约28 500m，治理区域内观测孔所测CO浓度小于0.001%，温度均小于30℃，测温钻孔孔温及CO浓度变化如表1所示。

图8 井下测温钻孔布置示意图

表1 测温钻孔温度及CO浓度变化表

将钻孔初温大于80℃的区域圈定出来，如图9所示，井下钻孔所测高温区域面积约为450m，基本位于氡-磁-电联合探测火区范围内，约占其面积的47.3%，说明氡-磁-电联合技术探测复杂多源火区的互补性及准确性。

图9 井上下联合探测火区分布示意图

4 结论

(1) 通过理论分析提出了地面测氡法、磁探法、自然电位法联用精准探测复杂火区技术，有效圈定出东峰矿二采区较准确火区面积约950m，均位于二采区回风联络巷周围。

(2) 以地面所测矿井隐蔽火区范围为基础，利用井下8101回风联络巷作为探火巷靠近火区，然后通过钻孔布置测温探头，圈定出钻孔初温大于80℃的区域面积约为450m，约占测氡圈定面积的37.5%，约占磁电联用法圈定面积的24.3%，约占氡-磁-电联合探测火区面积的47.3%，明显提高了火区探测精度。