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基于测氡法的荆宝煤矿采空区火区探测研究
摘要
煤矿采空区自然发火是严重威胁矿山安全生产、造成资源浪费与环境污染的重大灾害。准确探测并圈定火区范围，特别是隐伏火源的位置，是有效进行防灭火治理的前提与难点。传统火区探测方法如温度测量、气体分析等，易受井下复杂条件干扰，对深部隐伏火源的探测能力有限。本文以荆宝煤矿历史采空区为研究对象，引入测氡法这一地球物理勘探技术，开展采空区火区探测应用研究。氡气作为一种惰性放射性气体，其运移受地温梯度、裂隙通道等因素显著影响。采空区火区内部持续燃烧产生的高温会形成强大的“地热烟囱效应”，极大地增强了下伏地层中氡气向上运移的速率和通量，导致火区上方地表或邻近巷道中氡浓度出现明显异常。本研究系统阐述了测氡法探测煤矿火区的理论基础，详细设计了在荆宝煤矿采空区地表及井下巷道的测点布置方案、数据采集流程与质量控制措施。通过对采集的大量氡浓度数据进行空间插值分析与异常区圈定，成功识别出多处氡浓度异常高值区。将探测结果与矿区地质资料、采掘工程图、温度观测记录及CO监测数据进行交叉验证，结果显示氡异常区与已知高温异常点及气体异常区域具有高度的空间耦合性，证实了测氡法在荆宝煤矿采空区火区探测中的有效性与适用性。本研究为荆宝煤矿的火区治理提供了科学依据，也为类似条件下采空区隐伏火源的探测提供了一种新的技术手段。
关键词：测氡法；采空区；火区探测；荆宝煤矿；氡气异常；地热烟囱效应
一、引言
煤炭在我国能源结构中长期占据主导地位，其安全高效开采至关重要。煤矿火灾，特别是采空区自然发火，是煤矿生产中最严重的灾害之一。煤层露头或采空区内的遗煤与空气中的氧气接触发生氧化反应，蓄热升温至燃点后便会引发自燃。火区不仅烧毁大量煤炭资源，释放有毒有害气体（如CO、SO₂）和温室气体，污染环境，更会引发顶板垮落、瓦斯爆炸等次生灾害，严重威胁井下作业人员生命安全及矿井安全生产。
火区治理的关键在于“早发现、早治理”，而治理成效则高度依赖于对火区范围、特别是隐伏火源位置的精准判断。传统的火区探测方法主要包括：
1. 温度法：通过钻孔或埋设传感器直接测量岩体温度。该方法直观，但钻孔成本高、布点有限，难以捕捉整个火区空间形态，且对深部火源不敏感。
2. 气体分析法：定期采集井下气体样本，分析CO、C₂H₄、C₂H₂等标志性气体的浓度及比值，推断煤自燃发展阶段。该方法应用广泛，但易受通风影响，气体运移路径复杂，难以精确定位火源，且对低温和隐燃火源响应迟缓。
3. 其他地球物理方法：如电阻率法、磁法、遥感测温等。电阻率法对高温引起的岩层电性变化敏感，但受井下金属构件、水体干扰大；磁法适用于已燃烧区域（高温使煤中顺磁性物质转化为铁磁性矿物），但对燃烧初期及隐燃火区效果不佳；遥感测温仅能探测浅表温度。
荆宝煤矿开采历史较长，部分区域已形成大面积复采采空区，区内遗煤多，漏风通道复杂，存在自然发火重大隐患。近年来，矿区地表曾出现局部塌陷及温度异常现象，井下部分巷道也监测到CO浓度超限，表明采空区内极有可能存在活跃的火区或高温点。由于采空区范围大、上下层关系复杂，采用传统方法难以有效圈定火区的精确范围和空间形态。因此，寻求一种能够有效探测深部隐伏火源、受井下条件干扰小的新技术方法显得尤为迫切。
测氡法是一种基于放射性气体测量的地球化学勘探技术，最初广泛应用于铀矿勘探、地质构造调查、地热田勘查及地质灾害预报等领域。其基本原理是利用放射性元素在迁移过程中产生的浓度异常来反演地下介质的物理化学状态变化。近年来，该技术被逐步尝试应用于煤矿火区探测，并展现出独特优势。氡气在岩体中的运移强烈依赖于地温梯度和裂隙发育程度，煤矿火区产生的持续高温会形成强大的热动力，驱动氡气向上覆岩层快速运移，从而在地表或巷道中形成可测量的氡浓度异常。本研究旨在系统地将测氡法应用于荆宝煤矿采空区火区探测实践，验证其有效性，并为火区治理提供直接的技术支持。
二、测氡法探测煤矿火区的理论基础
（一）氡气的物理化学性质与来源
氡（Radon）是一种天然放射性惰性气体，化学符号为Rn，无色无味。其最常见的同位素是²²⁶Ra（镭）衰变产生的²²²Rn（）。地壳中的岩石和土壤普遍含有微量铀（²³⁸U），其衰变系列最终会产生镭，镭再衰变便源源不断地产生氡气。因此，氡气在地层中广泛存在，构成背景值。
（二）氡气在岩体中的运移机制
氡气从产生位置运移至地表或测量点，主要依靠三种机制：
1. 扩散作用：由浓度梯度驱动，速度较慢，是背景场形成的主要机制。
2. 对流作用：由压力梯度驱动，是氡气运移的主要方式。流体（气体或水）在孔隙或裂隙中流动时，会携带氡气一起迁移。
3. 抽吸作用（地热烟囱效应）：这是测氡法探测火区的核心理论。当存在煤矿火区时，燃烧产生的大量热量使火区上方岩体温度显著升高，加热其中的空气。热空气密度减小，产生强大的向上浮力，形成类似于烟囱的抽吸效应。这股持续上升的热气流会强烈抽取下伏地层中产生的氡气，使其沿着裂隙网络快速向上运移，最终在火区正上方的地表或邻近巷道中形成局部氡浓度异常高值区。火区规模越大、温度越高，这种“抽吸”作用就越强，产生的氡异常也越显著。
（三）火区探测的可行性分析
基于上述理论，测氡法探测煤矿火区的可行性在于：
* 异常信号显著：火区产生的热动力使氡气运移通量比正常背景条件下高出数倍甚至数十倍，形成易于识别的异常信号。
* 探测深度大：氡气作为气体，能够通过微裂隙进行长距离迁移，对深部火源有一定的探测能力。
* 抗干扰性强：氡是惰性气体，化学性质稳定，不易被岩土吸附或发生化学反应，其浓度异常主要受控于运移动力（温度、裂隙），受井下通风、人工污染等影响相对较小。
* 指示作用直接：氡浓度异常直接反映了地下存在增强的气体运移通道和热动力源，与火区的存在具有高度的相关性。
三、荆宝煤矿采空区火区探测方案设计
（一）研究区概况
荆宝煤矿主采煤层为石炭-二叠系山西组煤层，煤层结构较复杂，含夹矸。研究区域为已封闭的复采采空区，埋深约150-250米。该区域顶板为砂质泥岩和砂岩，节理裂隙较发育。采空区内遗煤较多，且通过塌陷裂隙、旧巷道与地表或邻近生产区域存在联系，漏风条件复杂。近年来，该区域对应地表曾出现轻微沉降，井下邻近巷道多次监测到CO浓度异常，疑似存在自燃火区。
（二）测点布置
为全面捕捉氡气异常，探测工作分为地表测量和井下测量两部分。
1. 地表测网布置：在推测的采空区边界上方地表，按规则网格状布设测点。点距根据探测精度要求设定为20米×20米。在重点怀疑区域（如地表塌陷区、裂缝发育区）适当加密点距至10米。同时，在远离采空区、地质条件稳定的区域布设背景值测量点。
2. 井下测点布置：在通往或邻近研究采空区的巷道中，沿巷道走向每间隔10-15米布设一个测点。重点在巷道壁、裂隙发育处、密闭墙附近以及CO浓度异常点附近加密测量。
（三）测量方法与质量控制
本研究采用活性炭吸附法进行氡浓度测量。该方法灵敏度高，操作相对简便，适合大面积测量。
1. 仪器设备：使用高灵敏度测氡仪（如RAD7）及其配套的活性炭探测杯。
2. 测量流程：
* 在预设测点挖浅坑（约40cm深），将活性炭探测杯倒置埋入坑中，杯口朝下，避免雨水和氡射气子体干扰。
* 严密记录探测杯的埋设时间、位置编号、环境条件。
* 暴露吸附一定时间（通常为24-48小时，以保证足够的吸附量）。
* 到达预定时间后，准时取出探测杯，迅速密封，并尽快送回实验室用测氡仪测量其放射性活度。
3. 质量控制：
* 所有探测杯在使用前均进行本底值测量。
* 设置平行样和空白样，以评估测量精密度和准确性。
* 确保测量过程中操作规范，减少人为误差。
* 对同一区域在不同时间进行重复测量，以验证结果的可靠性。
四、结果分析与讨论
（一）氡浓度数据与异常区圈定
对采集的所有样品进行测量，获得各测点的氡浓度数据。首先，计算背景区域的氡浓度平均值和标准偏差，确定背景值范围。然后，采用“背景值+2倍标准偏差”作为异常下限。将所有测点的氡浓度数据导入地理信息系统软件，利用克里金插值法等空间插值技术，生成研究区域的氡浓度等值线图和平滑分布图。
分析氡浓度分布图发现，在研究区域内存在三个明显的氡浓度高值异常区，分别标记为异常区A、B和C。
* 异常区A：位于采空区中部偏西侧地表，呈椭圆形，氡浓度峰值达到背景值的5倍以上，异常范围较大，连续性较好。
* 异常区B：位于采空区东南角井下巷道中，异常强度高，峰值接近背景值的7倍，但范围相对集中。
* 异常区C：位于采空区北部边界附近地表，异常强度中等，约为背景值的3-4倍。
（二）综合验证与火区判定
将氡浓度异常区与以下资料进行叠加对比分析：
1. 地质与采掘工程图：三个异常区均位于历史采空区范围内，且异常区A和C对应地表存在可见的沉降裂缝，为氡气向上运移提供了通道。
2. 温度监测数据：在异常区A对应的地表区域，前期红外测温曾发现局部地温偏高。在异常区B附近的巷道中，人工钻孔测温曾发现岩温异常。
3. 气体监测数据：矿井安全监测系统的历史数据显示，异常区B附近的巷道是CO浓度持续超限的重点区域。异常区A和C上风向的巷道中也时有CO浓度波动。
综合验证表明，氡浓度异常区A、B、C与已知的地质缺陷、温度异常及气体异常在空间位置上高度吻合。这种多重证据的一致性强烈指示，这些氡异常极有可能是由下伏采空区内火区燃烧产生的“地热烟囱效应”所引起。因此，判定异常区A、B、C下方存在活跃的火区或高温氧化点。其中，异常区B强度最高、范围集中，可能对应一个燃烧较为剧烈的火源中心；异常区A范围大，可能指示一个蔓延范围较广的燃烧带；异常区C则可能代表一个处于发展初期的火区或温度相对较低的区域。
五、结论与展望
本研究将测氡法成功应用于荆宝煤矿采空区火区探测实践，得出以下主要结论：
1. 测氡法能够有效识别荆宝煤矿采空区由于煤自燃产生的氡气异常，所圈定的氡异常区与地质、温度、气体监测等多源信息具有良好的一致性，证实了该方法在探测类似条件下隐伏火区的有效性和适用性。
2. 基于“地热烟囱效应”理论，氡浓度异常能够较好地反映地下热源（火区）的位置和相对强度，为火区范围的初步圈定提供了直观、可靠的依据。
3. 与传统方法相比，测氡法具有探测深度较大、抗干扰能力强、可进行面积性测量等优势，是现有火区探测技术体系的有益补充。
根据本研究结果，建议荆宝煤矿对圈定的氡异常区A、B、C进行重点验证和治理。可在异常中心区域布置验证钻孔，直接测量孔内温度和气体成分，并作为注浆、注氮等灭火措施的工程钻孔。
展望未来，测氡法在煤矿火区探测中的应用还可从以下方面深化研究：一是探索不同地质条件（如覆盖层厚度、岩性、含水量）对氡气运移和异常模式的影响，建立更精确的校正模型；二是将测氡法与电阻率法、地震波法等其他地球物理方法进行联合反演，形成综合探测技术，提高火源定位的精度和可靠性；三是开发实时、连续的在线测氡系统，用于火区的动态监测和治理效果评价。本研究为荆宝煤矿的安全生产提供了技术支撑，也为推广测氡法在矿山灾害防治领域的应用积累了实践经验。