测氡法在确定煤矿地下火区中的应用

胡 凯

（山西省煤炭建设监理有限公司， 山西 太原 030012）

地下煤层自燃属矿井五大灾害之一，其火源隐蔽，严重威胁煤矿安全生产和煤炭资源。煤的热容量较大，热传导率低，煤层不断氧化，温度不断增高，到达一定温度煤层就会自燃。因此，对煤矿火区采取相应的治理措施非常必要。

目前，探测煤矿火区的方法有很多，在众多方法中，测氡法是一种快速、有效、经济的方法。与其他方法相比，测氡法能更准确、快速地圈定出火区面积和位置，另外，它受地形、气候和温度影响较小，作为一种静态、累积的氡气测量方法，从短期勘探和长期监测角度都有很大优势，在煤矿火区中应用广泛。

本次以内蒙古自治区乌海市乌达煤田为例，采用活性炭测氡法对其煤矿火区进行探测。通过对现场采集的数据进行处理分析，基本确定了测区内氡异常（火区）的形态和范围，为煤矿火区进行治理提供依据。

1 活性炭测氡法的基本原理

1.1 基本原理

活性炭为非极性吸附剂，氡为非极性单原子分子。当这两种物质的分子或原子相互接近时，由于电力转动和核振动，发生电子和核之间相对位移而产生瞬时偶极。这种情况的不断重复使分子间始终存在色散力，这是活性炭吸附氡的内在动力。当氧运移到活性炭表面时，很快会被吸附。造成其周围的氡浓度降低。在浓度差作用下，高浓度处的氡不断向活性炭扩散，直至它吸附的氡量达最大值，并与周围的氡浓度达到平衡。

1.2 仪器参数

TYHC-1活性炭测氡仪主要指标：

探测器：NaI（Tl）晶体；灵敏度：铀约为10-6，钍约为3×10-6，钾约为0.5%左右；能量范围：0.5～3.0 MeV；能量分辨率：12%（对137Cs而言）；工作温度：-10～+50℃。

2 活性炭测氡法应用实例

2.1 工程概况

本次勘察对象为乌达煤田火区，位于内蒙古自治区乌海市境内，东距黄河11 km，西靠巴音善旦。火区位于井田西南部，面积约17.3万m2，其主要燃烧煤层为 2、4、7 煤层。

2.2 地质特征

1）地层。勘查区地层分布较广，由老至新，由中石炭统本溪组至第四系均有出露。

2）构造。乌达矿区位于巴音鄂博背斜东翼的盆状向斜部分，其东部被逆掩断层所切，中段呈近南北走向。向斜北部开阔，南部窄小，形似“耳”状。乌达煤田构造总体特征：北部构造简单，褶曲平缓开阔，断层多为高角度正断层，南部构造复杂，褶曲较多，岩层受挤压较强，有较大的断层出现。

3）煤层。勘查区煤层共有27层，平均总厚度42.58 m。其中稳定和较稳定煤层12层（1号、2号、4号、5号、6号、7号、9号、10号、12号、13号上 2、13号、15号），局部可采煤层7层（8号、11号、13号上 3、13号上 1、14号、16号、17号），可采煤层平均总厚度33.6 m。不可采煤层8层（2号上、3号、4号上、4号下、12号上、12号下、13号下、18号）。

2.3 野外数据采集

测网布设：共布设物探测线37条，线距20 m，点距20 m，测线长度760～230 m，测线总长度为17.78 km。共960个物理点，其中坐标点922个，检查点38个。实际野外数据采集工作中，由于地形原因，D01-D09线人员无法到达，未能采集到测氡数据；另外，在测区中部一带，部分测点由于白灰覆盖，人员无法进入，也未能采集到测氡数据，平面布置图详见图1。

图1 测氡平面布置图

2.4 数据处理与结果分析

2.4.1 氡值平面分布

由于现场施工、白灰覆盖和地形危险等原因，现场实际获得数据点542个。由于测区地表裂隙极度发育，剥采区域对原始地貌破坏严重，为了尽可能消除裂隙等随机因素的干扰和影响，对原始数据进行了低通滤波处理。在此基础上，绘制了测区氡值平面等值线图（见图2）。

图2 测区氡值平面等值线图

从下页图3中可看出，测区中部从西向东有一条宽达100～200 m的氡异常高值带，带内连片分布，规模大、氡值高。表明火区已发展到一定规模。除此之外，测区北部边缘偏东一带，零星分布有5个氡值异常区，规模相对较小，异常值相对也较小。除最西侧2个区有连片趋势外，其余均为散布状态。表明火区正处在发展初期。测区西南角部以及南部边缘一带，散列分布有4个氡值异常区，规模中等，氡异常值相对较高，有即将连片的趋势，表明这一带的火区处于发展期。

2.4.2 氡值剖面线分析

为了更进一步了解氡异常区分布情况，选取若干典型剖面进行详细分析。沿测区东西方向，于D11测线、D15测线、D20测线、D22测线、D29测线、D31测线位置，分别切横贯测区的剖面；沿南北方向，分别于测区距西部边界170 m处、370 m处和590 m处分别切出纵贯测区南北的三条剖面，称为纵1、纵2、纵3剖面，由此产生的剖面曲线见下页图3。

11线剖面可看出，中部有一个波谷，氡值在300计数/3 min以下，波谷西、东两侧均有氡值异常，表明该剖面线经过两个火区，西边火区距测区西界约150 m，而东边火区一直到达测区东界。

15线剖面，曲线有明显的两个波峰，表明该线穿越两个火区。两火区分别位于测区西界和东界，西边的氡值更高，氡值达到600计数/3 min以上，而峰宽大致相当，表明西边的火区温度要高于东边火区。

20线，中部偏西有两个紧连的波峰，两峰之间的波谷并不深，表明两个火区有即将连片的趋势，东峰高于西峰，表明东侧火区已发展到一定规模，而西边峰值为400～550计数/3 min之间，波峰东侧为低缓地带，该地段为无火区域。

22线，距测区西界100 m开始，出现连绵不断的高峰，直至距西界400 m结束，表明该线穿越一定规模的火区。

29线，西侧有一规模较小的波峰，峰顶距测区西界约170 m，表明该火区规模尚小。越过波谷后，进入连绵高峰，直至测区东界，这些高峰氡值均在600计数/3 min。

以上，即使它们之间的波谷氡值也在400计数/3 min以上。为测区规模最大的火区，最高峰宽度高度均非常可观。

31线，西部与中部偏西有两个规模较小的波峰，东部为低缓地带，表明西中部有两个火区，而东部为无火区域。

纵1线，北部和中部有两个规模较大的波峰，两峰之间的波谷氡值亦达400计数/3 min以上，表明火区已连片。南部边界，氡值又上升，表明该处存在火区。

纵2线，中部有一个较大规模的波峰，峰宽约200 m，峰高约700计数/3 min，表明该线穿越具有一定规模的火区。

纵3线，南部有一个波峰，直至测区南界，峰值很高，超过700计数/3 min，表明存在火区且火区温度较高。

图3 测区氡值剖面图

2.4.3 趋势面分析

为了更好地把握测区范围内氡背景值的整体特征和规律，采用最小二乘法多项式拟合的方法，得到了氡值的趋势面。按多项式最高项次数由低到高，分别进行了1次至4次拟合，结果如图4。

图4 拟合图

在趋势面分析的基础上，获得测区氡值残差图，根据各次趋势面图，分别得出相应的各次残差图（见图 5）。

图5 氡值残差图

从图5可看出，一次残差图与氡等值线图（图2）最为相近，随着次数的增高，残差图与等值线图的差异逐渐增大，表明高次残差图可以更好的反映氡异常的局部细节。根据各次残差效果的对比以及以往的数据处理经验，采用四次残差图作为测区氡异常范围的主要参考，在此基础上，经过二值化处理，圈定测区氡异常（火）区范围（见下页图6）。

根据319计数/3 min和670计数/3 min两个等级，在氡值等值线图的基础上圈定氡异常区域，该异常区域自然分为高异常区域和一般异常区域（见下页图7）。该结果与前面趋势面分析法所圈定的氡异常区（火区）范围大致相当，局部有所差异，建议在全区各处以范围大者为准。

图6 测区氡异常（火）区范围

图7 氡值异常（火区）分布图

3 结论与认识

1）本文以内蒙古乌达煤田7号火区为研究对象，采用测氡法探测煤矿地下火区，通过测区氡平面分布图、剖面线图分析，参照基点测试数据，基本确定了测区内氡异常（火区）的形态和范围。

2）由于矿区井上下条件复杂等，测区氡值分布不符合正态分布，在利用趋势面分析以及异常下限值的基础上，对氡异常区（火区）进行了等级划分，将火区划分为一般异常区和高异常区。

3）地下煤层火区在自燃时，与周围区域有温度差异，氡气浓度也有显著的差别。因而氡探测火区自燃位置与区域范围具有深层机理，值得进一步研究。

4）岩石热容值极高，只是用常规的探测仪器和方法，在地表探测埋藏深度较大的自燃煤层的位置和圈定其范围，难度很大。而氡气具有因温度改变，可从深部沿裂缝和岩石迁移到地表的特点，恰好可为探测自燃区域所用。因此，利用氡气探测深部煤层燃烧位置和范围的方法，具有实际和深远的意义。