安 帮，邸晟钧

(1.国能准能集团有限责任公司 黑岱沟露天煤矿， 内蒙古 准格尔旗 017100； 2.晋能控股山西电力股份有限公司， 山西 太原 030006)

具有自燃倾向性的煤与空气中的氧气发生物理吸附、化学吸附以及化学反应的过程中会释放热量，当反应产生的热量大于其散失热量时，煤体内部热量开始积聚，煤温升高，最终达到煤着火点而发生自燃。随着矿井生产规模扩大、开采深度增加，煤层自燃及矿井自然发火事故数量不断上升，特别是兼并重组整合保留矿井，时刻受到周边或上层废弃采空区自然发火的威胁。此外，矿井火灾事故可能会诱发瓦斯、煤尘爆炸等次生灾害，煤自燃释放出的大量有害气体也会直接污染大气。为了避免不必要的经济损失和环境生态污染，科学高效的矿井自燃火灾防治十分必要。然而，煤层火灾及矿井火灾通常发生在地下数十米至数百米处，复杂的地质条件、动态的氧化蓄热环境，给煤自燃火源的精准定位以及后续灭火方案的制定和实施带来了困难。

探测地下煤自燃隐蔽高温火源位置，基于探测原理的不同，国内外研究学者提出了不同探测方法，包括红外探测法、遥感探测法、磁探测法、电阻率探测法、无线电波法、地质雷达法、氡气探测法等[1-5]. 红外探测法和遥感法主要利用红外线在不同温度物体上所反射的颜色特征进行探测，其只能探测较浅层位的火源位置；磁探法主要通过对火区范围磁场的异常进行探测，容易受到地球磁场、地质构造以及煤岩体中存在的磁性物质干扰，影响其探测效果；电阻率法通过火区范围电阻率变化进行探测，适宜于煤田自燃火区，很难应用于自燃隐蔽火源探测；无线电波法和地质雷达法，对于煤自燃高温火源位置的探测目前仍处于研究阶段。

同位素测氡法作为一种成熟的探测技术，最早应用于环境评价、资源勘探及地质构造勘查等领域。通过对地表氡浓度进行测定，可对井下高温热源位置进行判定。

1 氡的来源及性质

自然界中大部分元素的原子核比较稳定，但也有部分原子核由于结构复杂，会自发分解，直至成为较为稳定的原子核结构，这种现象称为放射性衰变。放射性元素的衰变特性通常用半衰期进行表示，即放射性元素原子数量衰变到原来数量的一半所需的时间。氡元素最主要的3个同位素为Rn-222、Rn-220和Rn-219，它们来源于3个天然放射系，铀系、钍系和锕系的放射性衰变，物理放射特性见表1. Rn-220和Rn-219较短的半衰期导致其在空气中的浓度很小，而Rn-222较长的半衰期以及快速移动的气体特性，使得Rn-222常被作为一种携带地球深部信息的示踪气体在地球物理勘探工程中进行应用。

表1 Rn-222、Rn-220和Rn-219放射特性表

2 煤自燃氡析出研究现状

同位素测氡法探测煤自燃火源位置最早由太原理工大学提出，并进行了一定的理论探索和实践应用[4-6]. 其探测理论主要由3个部分组成，即煤自燃过程中氡气源的形成，覆岩层中氡的纵向长距离运移以及地表氡的析出。煤从低温氧化到自燃的过程中，煤层及一定范围内的岩层物理力学性质遭到破坏，高温作用使得煤岩体晶格发生松动、变形，导致氡射气系数急速增大，氡气浓度快速增加，因此煤自燃及其高温影响区域内的煤岩体介质可看作氡气源。从煤岩体释放的氡气会在扩散作用、对流作用、温度梯度、压力梯度、地下水搬运、地气及火灾气体载带等多种迁移机制的作用下，沿着地下深处岩体微裂隙或微孔隙向地表方向纵向运移，最终在地表一定范围内形成高浓度的氡异常区域，见图1.

图1 同位素测氡法探测煤自燃火源位置原理图

在实验研究方面，邬剑明，王俊峰等[5-6]在设计制作大型煤自燃与测氡实验台基础上，针对煤自燃氧化特性，研究了煤升温过程中氡气的析出规律及其影响因素。通过煤自然发火实验研究发现，随着温度升高，氧化作用时间延长，煤体释放的氡显著增加，提出可通过氡释放规律来判定煤自然发火程度。

西安科技大学文虎等[7]对松散煤体的氡析出特性进行了研究，结果表明相同温度下氡气具有明显的累积效应，浓度先经历快速上升，4～5 h后趋于平稳发展，这与现场氡吸附探杯埋设时间相符合。随着温度升高，氡析出率增加，氡浓度达到平衡的时间有所减小。在垂直方向上，气流影响范围内氡气运移以渗流为主，浓度沿轴向呈指数形式增长。张辛亥，王辉[8]通过氡扩散多角度试验模拟了30 ℃～200 ℃温度条件下氡在0°、30°、45°、60°方向上的扩散特性，并探讨了温度、扩散方向、氡气浓度间的相互内在关系，进一步丰富了煤自燃氡运移理论。结果表明,相同条件下倾斜方向的氡扩散特性要明显高于水平方向，且倾斜角度越大，氡的扩散能力越强；与垂直方向氡运移相比，温度对水平及倾斜方向氡运移的影响较弱。

3 煤自燃氡探测现场应用

同一种放射性元素在衰变时释出的α射线能量是固定的，因而可通过辨别不同能量的α粒子对放射性元素种类进行区分。为了在短时间内获取火区地表氡浓度变化规律，及时对火源位置及火势发展趋势进行判定，现场一般通过测定单位时间内氡的直接短寿命子体Po-218的衰变数量来对地表氡气浓度进行计算。Po-218的半衰期为3.05 min，意味着当Rn-222衰变成子体Po-218后，大多数Po-218核素会在6 min内发生衰变。

3.1 探测设备

现场通常选用α杯测氡仪进行地表氡值测量。α杯测氡仪由α吸附杯、空气脉冲电离室、低噪声放大器、脉冲计数器等元件组成，见图2. 氡的衰变子体为重金属粒子，α吸附杯表面产生的静电效应对其有良好的吸附作用。当收集了氡子体的α探测杯被放入电离室后，氡子体衰变释放出的α射线使电离室的空气电离，并由电离室将其转换为电脉冲信号。脉冲信号被低噪声脉冲放大器放大后，转化为脉冲计数进行显示。单位时间内氡的直接子体Po-218衰变记录的脉冲数与其母体氡浓度成正比，因此α杯在静态条件下获得的高精度测量结果可以真实地反映该测点氡浓度大小。

图2 测氡仪结构示意图

3.2 探测实例

内蒙某煤矿402工作面平均煤厚2.4 m，倾向长220 m，走向长1 440 m. 工作面所处区域内断层与褶曲均不发育，工作面外围均为未开采的实体煤，无旧巷、采空区等采动情况，属于地质构造简单地区。对402工作面开切眼处煤自然发火情况进行探测。402工作面开切眼处对应地表测场布置及测点位置见图3，共计测点130个，测点间距为10 m×10 m.

图3 402工作面地表测点布置图

确定测点位置后，将α探杯埋入对应测点并在地表做好对应标记，4 h后将探杯取出并置于测氡仪中进行检测，检测时间3 min. 根据各测点检测数据，绘制测场氡值等值线平面图和立体图，见图4，图5.

图4 测场氡值等值线平面图

图5 测场氡值立体图

由图4，图5可知，测场内明显的高温氧化区域有2处，分别为Ⅰ区域和Ⅱ区域。Ⅰ高温氧化区域位于测场东侧，呈圆形分布，面积约为1 050 m2. 高温热源位于Ⅰ区域中心，对应氡值为1 574 N/3 min，是整个测场的最大值，表明该区域煤自然发火程度较为严重。Ⅱ高温氧化区域位于I区域左下方，面积约为600 m2，区域中心位置处氡测值最高，为1 082 N/3 min. 402工作面开切眼处的工作空间较大，空隙率较高，为煤自然发火提供了良好的供氧蓄热环境，最终导致了煤自燃。

4 结 语

作为一种有效的井下火源位置探测技术，同位素测氡法因操作简便、成本低、不受探测地形限制等优点，已在中国、澳大利亚等自然发火严重的矿区进行了成功应用。实践表明，利用氡气的地球物理化学特性从地表精准探测地下煤自燃隐蔽火源位置是可行的，在煤自燃区域地表能够成功探测到氡浓度异常现象，为地下隐蔽火源的治理提供可靠的技术支撑。目前现场煤自燃火区探测主要采用α杯测氡法，该方法易受环境温度、气象条件及人为等因素的影响，在具体实施过程中要加以注意。