探測自燃火源位置的多重方法聯(lián)用技術(shù)

祁曉波

(晉能集團有限公司，山西 太原 037000)

0 引言

煤矸石堆積不僅影響地面景觀，而且占用土地資源、污染水資源、矸石自燃的危險性會隨著堆積時間的增長而越來越大，大量污染大氣環(huán)境的有毒有害氣體如SO2、CO、H2S等會隨著矸石的自燃產(chǎn)生出來，并且，更為可怕的是矸石自燃有可能會引發(fā)爆炸等一系列惡劣影響，不僅如此，還有誘發(fā)滑坡等地質(zhì)災害的可能。而火源探測則是煤矸石火災治理的前提和基礎，一切行之有效的滅火手段都只有在精確的火源探測基礎上才能實施[1-3]。通過多種不同方法對矸石場火源進行探測，并進行比較分析，旨在得到一種多重方法聯(lián)用的火源探測技術(shù)。

1 矸石場概況

山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責任公司霍爾辛赫井田位于山西省長治市長子縣境內(nèi)，其地理坐標為：東經(jīng)112°53′11″～112°57′20″，北緯36°03′03″～36°08′47″。矸場內(nèi)地形總趨勢為南高北低，地勢較為平坦。溝底高程為941，溝頂高程為951。近期，在矸石場東部邊坡位置矸石發(fā)生“爆炸”，現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)，“爆炸”產(chǎn)生一處直徑約為20 m的矸石坑，并伴有明顯冒煙現(xiàn)象及刺鼻氣味。矸石場南部邊緣位置及地表裂縫區(qū)域也見有冒煙現(xiàn)象。據(jù)此，判斷該矸石場矸石已發(fā)生自燃，決定對該矸石場進行火源探測。結(jié)合前期的矸石場資料搜集，以及多重方法探測矸石場火源位置的結(jié)果，綜合分析現(xiàn)場勘查異常確定矸石場自燃區(qū)域位置，為矸石場火區(qū)的治理工作起到指導作用。

2 火源探測方法

由于矸石山自然發(fā)火位置一般深度較淺，且同矸石場地表裂隙等地表環(huán)境有著緊密的聯(lián)系，利用紅外成像儀、CO便攜儀、溫度便攜儀和同位素測氡儀等裝備對矸石場的熱異常及煙氣、矸石場裂縫等地表異常進行勘查，綜合分析自然區(qū)域位置。

2.1 紅外熱成像法

紅外探測法能探測出物體表面的輻射能量場或輻射溫度，因此，對于淺埋煤層火區(qū)探測和露頭火火源探測，利用紅外熱成像技術(shù)能夠取得直觀的效果[4]。選用進口設備ThermaCAM SC640紅外熱像儀針對露頭火進行火源探測。ThermaCAM SC640紅外熱像儀采用高性能非制冷焦平面探測器，可生成640×480像素的紅外圖像，溫度分辨率0.01 ℃。采用ThermaCAM SC640紅外熱像儀進行地表拍攝，拍攝圖片輸出至電腦利用專門的軟件進行處理，可獲得地表表面溫度分布圖，初步判定地表高溫區(qū)域的范圍，并結(jié)合多參數(shù)氣體檢測技術(shù)，對治理區(qū)內(nèi)的有毒有害氣體進行詳細探測，依據(jù)探測結(jié)果可初步將治理區(qū)劃分為不同的高溫等級。

2.2 氣體探測法

大量的氣體會隨著煤體的溫度升高而產(chǎn)生出來，但其種類與濃度差別較大，故可根據(jù)種類和濃度的差異判斷煤的自燃程度，然后根據(jù)不同種類的氣體濃度的變化趨勢來大致確定火源范圍。其原理是火源處溫度較高，由于溫差導致它與地面存在壓差，進而導致分子擴散，氣體會源源不斷地從火源位置涌向地面。據(jù)此，在預定的火源探測區(qū)域每隔10 m布置一個測點，在測點處打深度為1～1.5 m的鉆孔，從鉆孔中取氣，檢測其中的CO濃度，并繪制成圖，含量大的地方則代表火源的大致位置[5-6]。

2.3 同位素測氡法

天然放射性的氡氣是廣泛存在于自然界中的，它是天然放射性鈾系氣體元素，鐳是其直接母體，而鐳的母體是鈾，巖石和土壤中的氡氣的濃度大小是由母體原始的含量水平?jīng)Q定的[7]。矸石的自燃產(chǎn)生大量氣體會形成一個壓力梯度，氡氣會以產(chǎn)生的氣體為載氣上升至地面，由此可見，氡氣的運移速率會隨著矸石的燃燒產(chǎn)生的壓力梯度增大而增大，進而導致地下鈾元素產(chǎn)生鐳元素，進而不斷產(chǎn)生氡氣，這即是同位素測氡法定位火源的原理[8-10]。

2.4 多重方法結(jié)合的優(yōu)點

紅外熱成像儀可以準確的測量地表的溫度，獲得地表表面溫度分布圖，初步判定地表高溫區(qū)域的范圍，但是卻不能探測到埋藏較深火區(qū)，而測氡技術(shù)很好地彌補了這一點[11]。地面氣體測定法只能作為火源探測的輔助方法，因為它不僅只能大致確定火源位置，而且受空氣流動、覆蓋巖層性質(zhì)的影響較大。同位素測氡法探測技術(shù)使用的測氡儀受環(huán)境影響比較明顯，對振動比較敏感。由此可見，幾種探測方法各有優(yōu)缺點。因此，將幾種方法聯(lián)用，使用紅外熱成像技術(shù)大致的檢測出矸石自燃的火源位置，為測氡技術(shù)明確重點，在測氡的基礎上，對測氡區(qū)域進行溫度和氣體測量，幾種技術(shù)相輔相成，互相彌補，通過對比，可以進一步精確火源位置。

3 探測結(jié)果及分析

3.1 紅外熱成像法

在矸石場東部邊坡位置有一處直徑約為20 m的矸石坑，并伴有明顯冒煙現(xiàn)象及刺鼻氣味，如圖1所示。初步判定是由于該位置內(nèi)部矸石自燃產(chǎn)生高溫，外加雨水灌入，導致此區(qū)域矸石場“爆炸”所致。在矸石場東南部位置，也發(fā)現(xiàn)了成片溫度異常區(qū)域，此區(qū)域地表溫度最高可達70 ℃以上。矸石場南部邊緣位置及地表裂縫區(qū)域也見有冒煙現(xiàn)象，如圖2所示。

“爆炸”區(qū)域紅外成像及分析如圖3所示，勘測當天的正常地表環(huán)境溫度為18.6 ℃，從圖3可以看出，此區(qū)域地表最高溫度可達85.1 ℃，估計內(nèi)部溫度達800～1 200 ℃。

紅外成像及分析如圖4所示，勘測當天的正常地表環(huán)境溫度為18.6 ℃，從圖4可以看出，此區(qū)域地表最高溫度可達51.5 ℃。

圖1 矸石場東部邊坡“爆炸”位置

圖2 矸石場南部地表裂縫

圖3 “爆炸”區(qū)域紅外成像及分析

圖4 矸石場南部異常區(qū)域紅外成像及分析

由紅外熱成像技術(shù)可以得出，該矸石場自燃火源的大致區(qū)域為東部、南部及東南部。經(jīng)過大致確定后，再使用其他方法排查確認。

3.2 同位素測氡法探測法、氣體探測法及溫度法

探測流程：確定探測區(qū)域→測場的選擇及測點布置→探測杯埋設、打鉆→測量→結(jié)果分析。

確定探測區(qū)域：為準確確定矸石場自然發(fā)火位置，確定探測區(qū)域如圖5所示。此區(qū)域以坐標東經(jīng)112°58′39.29″，北緯36°03′08.83″為原點，東西長270 m，南北長150 m矩形范圍內(nèi)的矸石場區(qū)域，如圖5斜線范圍區(qū)域所示。

圖5 同位素測氡法探測區(qū)域

測場的選擇及測點布置：本次同位素測氡、氣體探測法及溫度測定法的測點是在劃定好的探測范圍內(nèi)采用測點間距10 m的正方形網(wǎng)格布置的。每一點預先編號，確定相對位置，現(xiàn)場采用測繩找點及布置測點。

探測杯埋設、打鉆：同位素測氡法使用的探測杯是用高吸附材料制成的，收集范圍為12 cm×8 cm。在每個編號的測點上挖寬規(guī)格為高30 cm、深40 cm、直徑30 cm的坑，將探測杯用塑料布覆蓋后杯口朝下放入坑內(nèi)，隨后，用土覆蓋并進行標記，如圖6所示。氣體探測法及溫度測定法使用電鉆在布置網(wǎng)點處打深度為1.0～1.5 m的鉆孔，從中取氣樣進行分析。

圖6 探杯埋設圖

測量：將埋設4～10 h的探測杯取出，放入CD-Ⅰα杯探測儀進行測量，每隔1 min記錄一次數(shù)據(jù)，每個測點記錄3次數(shù)據(jù)，并記錄下相應的環(huán)境等參數(shù)，然后從鉆孔中取氣樣快速分析得到相應的CO濃度及檢測鉆孔內(nèi)的溫度值。

結(jié)果分析：將所測結(jié)果輸入專用軟件，根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)得到相應的氡值、CO濃度值及溫度值立體圖與等值線圖，如圖7所示。由圖7可以看出，雖然圖7(a)、圖7(b)、圖7(c)顯示的對應的氡值、CO濃度值、溫度值顯示的異常值不能完全對應，但可以看出異常的區(qū)域還是反應出良好的對應性，圖7(a)顯示的氡值立體圖與等值線較圖7(b)顯示的CO濃度值與圖7(c)顯示的溫度值更清晰和明了；圖7所顯示的異常區(qū)域與紅外熱成像法檢測到的異常區(qū)域也顯示了良好的對應性。基于圖7所顯示的結(jié)果和各種方法本身的特點，可以確定，本次火源探測應該以同位素氡探測法為主，紅外熱成像法、氣體探測法與測溫法為輔。

a-氡值立體圖與等值線圖;b-CO濃度值立體圖與等值線圖;c-溫度值立體圖與等值線圖圖7 氡值、CO濃度、溫度等值線圖

4 結(jié)論

(1)各種火源探測方法各有優(yōu)缺點，通過各種方法對火源進行探測，進行對比分析，得出了對霍爾辛赫煤礦矸石場自燃火源位置探測應采用以同位素氡探測法為主，紅外熱成像法、氣體探測法與測溫法為輔的多重方法聯(lián)用技術(shù)，得出火區(qū)分布平面圖。如圖8所示，在測場內(nèi)探明溫度異常區(qū)4個，分別為A、B、C、D，總面積約8 468.9 m2。

圖8 溫度異常區(qū)域圖

(2)A區(qū)為一高溫火區(qū)，面積為2 611.8 m2，位于探測區(qū)域北部，X坐標范圍10～25，Y坐標范圍11～15；B區(qū)為一高溫火區(qū)，面積為1 957 m2，位于探測區(qū)域東南部，X坐標范圍20～27，Y坐標范圍3～10；C區(qū)為一高溫火區(qū)，面積為1 367.5 m2，位于探測區(qū)域南部，X坐標范圍14～20，Y坐標范圍1～6；D區(qū)為一高溫火區(qū)，面積為2 532.6 m2，位于探測區(qū)域南部，X坐標范圍5～15，Y坐標范圍1～9。