Research on the application of “radon measurement-magnetic” method to detect spontaneous combustion technology in small coal mines
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摘要:
山西小窑煤矿自然发火区域存在火源多且分布范围较广、火源位置隐蔽难以准确探测、漏风通道多、难以防治的实际问题。为了准确探测火源位置及范围，首先，从自然发火区域探测手段的探测机理开展研究，基于测氡法与磁法探测火区基础理论，提出了地面“测氡−磁”联合技术探测原理对小窑火源的位置与范围进行精确探测；其次，使用FD213α能谱氡测量仪和GSM-19T磁力仪现场采集小窑隐蔽火源数据，采用地面“测氡−磁”联合技术对采集数据处理分析，综合圈定小窑隐蔽火源的位置与范围，并利用井下测温与测气钻孔，结合初步探测结果和井下巷道分布情况，对火源位置进行了核实；最后采用钻孔注浆技术进行火区治理，并采取束管气体监测和复测氡法联合技术对火区治理效果进行检测。试验结果发现，井下测温与测气钻孔结果成功验证“测氡−磁”联合技术圈定的隐蔽火源的位置与范围，本次试验共圈定隐蔽火区面积约213 m2；钻孔注浆火区治理工作累积充填材料约
1862 m3；治理效果检测表明圈定火区内部指标气体CO浓度降为0，氡浓度趋于正常水平，治理工作取得良好的效果。Abstract:There are many practical problems in the spontaneous combustion area of small coal mines coal mine in Shanxi Province, such as many fire sources and wide distribution range, hidden fire source location, difficult to accurately detect, many air leakage channels, and difficult to prevent and control. In order to accurately detect the location and range of fire source, firstly, The detection mechanism of spontaneous combustion area detection method is studied. Based on the basic theory of radon measurement method and magnetic method to detect fire area, the detection principle of ground ' radon measurement-magnetic ' joint technology is proposed to accurately detect the location and range of small kiln fire source. Secondly, FD213 alpha spectrum radon measuring instrument and GSM-19 T magnetometer were used to collect the hidden fire source data of small kiln on site. The ground ' radon measurement-magnetic ' joint technology was used to process and analyze the collected data, and the location and scope of the hidden fire source of small kiln were comprehensively delineated. The location of the fire source was verified by using underground temperature measurement and gas measurement boreholes, combined with the preliminary detection results and the distribution of underground roadways. Finally, the borehole grouting technology is used to control the fire area, and the combined technology of beam tube gas monitoring and re-measurement of radon method is used to detect the effect of fire area control. The test results show that the location and range of the hidden fire source delineated by the ' radon-magnetic ' joint technology are successfully verified by the results of downhole temperature measurement and gas measurement drilling. The area of the hidden fire area delineated in this test is about 213 m2. The cumulative filling material of drilling grouting fire area treatment is about 1862 m3; the detection of the treatment effect shows that the internal index gas CO concentration in the fire area is delineated.
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0. 引 言
中国不仅煤炭资源丰富，而且在煤炭开采方面具有很高的水平[1]。伴随着煤炭产业的发展，煤炭的开采逐步转向地下深部空间，随着开采深度增加，矿井煤自燃问题也日益凸显，同时还会遇到零星的小煤窑[2]。目前，由于过去小煤窑的无序开采，导致采空区遍布且相互连通，形成了一个极易引发隐蔽性煤自燃火灾的网络，这些火灾会释放出大量的有毒有害气体，严重威胁矿井安全生产。因此，运用高效快捷的地球物理方法对小煤窑火源探测及定位[3]，不仅能防止煤自燃的发展和扩大，而且对提高煤层自燃火灾防灭火的有效性、经济性具有十分重要的现实意义。
煤层自燃的研究主要从煤层自燃机理[4]、煤层自燃预警预测[5]、煤层自燃火灾探测[6]、煤层自燃火灾防治[7-8]等4个方面。煤层自燃火灾探测则是根据煤自燃升温及燃烧改变了煤岩体的物理化学（磁场、电场、光场和热场）特征，从而采取相应的地球物理手段进行隐蔽火源探测[9]。目前，煤自燃火灾的探测技术主要分为地表测温法、测气法、自然电位法、瞬变电磁法、测氡法、高精度磁探测法等[10]。这些测试方法在解决煤层自燃问题的同时，又附带一定的问题。如，FENG等[11]利用遥感或红外技术在地表测量温度来确定火区范围；GROMYKA等[12]通过采集地下裂缝中气体样本并分析其成分及浓度的技术，进而绘制出气体浓度分布图，以此推断出矿井火灾火区范围，这种方法主要用于探测矿井火灾产生的烟气对周围环境的影响；SHAO等[13]利用自然电位测量方法来圈定火源位置与范围，该方法更多用在火源周围含水的区域，且只能用在初步探测，受环境影响较大，户外探测难度高；YANG等[14]利用瞬变电磁法进行火区探测，该方法可以有效的探测深部火区位置；DU等[15]利用测氡法在地表对矿井下面的氡浓度进行测量，根据氡浓度大小进行分析，探测火区范围，操作简单、成本低、准确度高；KONG等[16]利用磁法测量岩层磁性对隐蔽火区进行探测，此方法适用岩层中含有铁质矿物的井田。因此，将现有的检测方法进行综合和整合，以充分利用它们各自的优势，同时弥补它们的劣势，将是一个更有效的选择。
山西小窑煤矿自然发火区域具有埋藏浅、火源位置隐蔽性强、漏风通道多、影响因素复杂的特点[17]。针对小窑自然发火区域特点，地表测温法不适合探测地下火源的温度的测量[18]；而测气法虽然具有操作简单的优点，但是该方法存在成本高，测试周期久，极易受大气环境影响的缺点；自然电位法则受环境影响较大，难以开展户外探测；瞬变电磁法对于浅部火区探测精度较低；测氡法[19]具有操作简单、成本低、安全可靠、抗干扰性强、对地形适应性广、无环境污染的优点，但是容易受地应力和岩性因素的影响；磁法[20]具有定位精度高、测量速度快、分辨率高、测量灵活方便、不受岩石裂隙和构造变化影响的优点，对火区中处于降温的区域比较敏感，更但是对于正在升温的区域探测具有一定的滞后性。初步推断探测区域面积比较小，因此可以发挥磁法小火区探测精度高的优点，同时测氡法易受岩性影响的缺点与磁法探测具有互补性，二者相结合可以互相发挥各自优点，弥补不足。
基于以上分析，笔者选择测氡法与磁法联合使用用来探测小窑自然发火区域，首先分析了测氡法与磁法探测机理以及二者联合技术探测原理。然后，在山西煤矿我们在现场先后开展磁法探测技术和测氡法探测技术来圈定小窑隐蔽火区边界，再结合钻孔测温验证测氡与磁法结合使用的准确性。最后，利用钻孔注浆技术进行火区治理并采用束管监测技术和复测氡方法检验火区治理效果，以实现科学精准灭火。
1. “测氡−磁”法理论研究
1.1 测氡法与磁法探测机理
氡是放射性元素，其半衰期为3.825 d。地下煤炭自燃时会形成高温高压的环境，产生大量水蒸气、CO、CO2、CH4和烃类化合物等[21]，加之煤自燃区域顶部裂隙的发育加速了氡气向上扩散的速度，导致地表氡浓度异常升高。与此同时，自燃煤层和围岩中的孔隙密布，并含有不同程度的水分，热蒸汽在地下有热源时，可使岩孔含水率发生变化，引起岩孔中氡射气系数增加。所以，在岩石孔隙中，地下热蒸汽的作用能增加氡射气的浓度。天然放射性元素氡的析出率在地下煤层氧化升温或自燃时升高，由于氡衰变时的离子交换作用使其反应到地表而形成放射性异常，该异常信息被检测出来，高氡浓度区域与小窑隐蔽自然发火区域相对应，即是同位素测氡检测的原理。
现场探测时，气泵将含氡的气体吸入闪烁瓶，氡及其子体发射的α粒子使闪烁瓶内的ZnS(Ag)发光，光电倍增管把光讯号变成电脉冲；经放大整形后由控制电路进行计数。根据单位时间内的电脉冲与氡浓度的正比关系即可确定闪烁瓶中的氡浓度，即是测氡仪现场探测原理[22]。原理方框图如图1所示。岩性、矿物粒度、气压、地应力、地下水以及温度都是影响氡析出的因素，现场测试时要尽量保持相同的环境条件开展工作，以取得精确的数值。
1.2 磁法探测原理
在煤田隐蔽火源探测工作中，磁探法作为一种重要的探测手段，其核心任务是通过精确测量地表磁场的微小变化，揭示出地下高温火源所引起的局部磁异常[23]。这种方法基于磁探测设备对目标体磁性差异造成的磁场畸变进行捕捉，即所谓的磁异常现象。通过对比分析正常场与异常场的数据差异，获得有效的磁异常场信息，并剔除非目标体对磁场的干扰，然后结合地质、地貌等其他相关信息进行数据处理和解释，推测所探测目标的分布特征。在实际观测中，从熄灭带到燃烧带，磁异常逐渐减弱。在熄灭带上，异常最强，而在挥发物涌出带和吸附水蒸发带上，则观测不到磁异常。这表明磁法探测火区实际上反映的是从发火带到熄灭带的范围。此外，除了温度和铁磁性矿物成分外，影响烧变岩石磁性的因素还包括氧化矿物结构比例成分、颗粒大小、排列形状和分布的均匀程度等[24]。因此，为了排除以上因素的干扰，本次研究开展岩（矿）石标本物性参数的测定，岩石样本采集地点为煤矿井下发火区域附近地区，选用钻孔采样法，共采集到了10块岩（矿）石标本，标本尺寸直径约50 mm、高约120 mm，制定成规格化磁性样品后经过质子磁力仪测定相关磁性参数，详细磁性参数见表1。熔融带烧变岩磁性最强，平均剩余磁化强度高达
5723 ×10−3 A/m，其次是细砂岩组成的上下烘烤带，其影响带磁性较弱，而由泥岩与石灰岩组成的围岩系沉积岩磁性最弱。因此，该探测区域受以上因素影响不大，磁法是探测该小窑自然发区域最有效的方法之一。表 1 磁参数测定统计Table 1. Statistical table for the determination of magnetic parameters岩性 标本数/
块磁化率范围/
(10−6)磁化率平均值/
(10−6)剩余磁化
强度平均值/
(10−3A·m−1)泥岩 3 3～142 72 32 细砂岩 2 8～2 049 1 042 467 石灰岩 3 13～318 157 94 烧变岩 3 1 030～9 332 6 326 5 723 1.3. “测氡法−磁法”联合技术圈定自然发火危险区域原理
前文对两种方法探测原理进行简要分析，煤层燃烧会导致顶底板及夹矸发生强烈的高温作用，形成烧变岩体[25]，在高温燃烧的过程中，顶底板中的一些铁质矿物如赤铁矿、黄铁矿、菱铁矿以及褐铁矿会随着烧变岩的形成转变为磁性矿物。而在场冷却过程中，强磁性体的烧变岩在磁性矿物的作用下逐渐形成。这种磁性的变化，引起了一种规律性的现象，即磁异常强度由高到低的变化是熄灭带到燃烧带的变化。因此，磁法在时空上探测具有滞后性；测氡法则对于正在燃烧或尚处在高温阶段的火区探查效果相对较好[26]，实测氡浓度还与断裂构造、裂隙的发育程度、及水文条件密切相关，一般情况下，断裂构造、裂隙发育及含水性较好的地段氡浓度偏高。测氡法更好的弥补磁法时空上滞后性的缺点，而磁法不受岩石裂隙和构造影响的优点也可以弥补测氡法受岩性影响的缺点，二者在探测过程中可以有效的推演火势发展过程。因此，“测氡法−磁法”联合技术原理可以用如下内容来解释：通过磁法圈定出熄灭带与燃烧带，而测氡法圈定出氡浓度水平高的区域，结合初步判断火势运动轨迹，在磁法熄灭带与测氡法氡水平异常区域寻找重叠部分，亦可推断出自然发火区域位置与范围。
2. 现场试验内容及方法
2.1 测氡法现场试验
测氡法现场测试区域范围为400 m×100 m，测点在测区内均匀分布，本次试验采用20 m×20 m的网度布置测点（图2）。因现场处于山区，有些是陡峭的山峰，有些是深谷，为了现场人员安全，实际测试中予以适当、合理的偏移或者舍弃。因此，测氡法实际完成物理探测点87个。
1）试验仪器与方法。现场使用FD213α能谱氡测量仪，本次测试中，每个测点采样三次，每次采样时间为5分钟，取最后一次的氡值为最终值，同时用GPS系统更新测试地理坐标和高程。
2）采集数据处理。现场数据采集之后，进行数据处理，测氡法数据处理首先需要确定探测区域的背景值（式1）、标准差（式2），计算公式如下：
$$ \bar{x}=\frac{\displaystyle\sum_{i=1}^n \lg x_i}{n} $$ (1) $$ s=\sqrt{\frac{\displaystyle\sum_{i=1}^n\left(\lg x_i-\bar{x}\right)}{n-1}} $$ (2) 式中：$ \bar{x}$为背景值的对数；s为标准差的对数；xi为各测点测得值；n为参加统计的测点数。
根据《铀矿勘查氡及其子体测量规范》EJ/T 605—2018对异常下限的界定方法，确定土壤氡浓度测量值大于背景值3倍以上为异常点。氡浓度晕分三级：下限为($ \bar{x} \cdot S$)、上限为($ \bar{x} \cdot 2S$)的称为偏高晕；下限为($ \bar{x} \cdot 3S$)称为异常晕；介于偏高晕与异常晕之间的称为高晕。
最后将测量的氡值用Surfer软件进行网格化处理，绘制氡异常等值平面图。
2.2 磁法现场试验
1）磁法现场测点布置。磁法现场测试区域与测氡法相同，同样采用20 m×20 m的网度布置测点，但因人员不足，没有办法同时开展测氡法与磁法现场测验，所以在现场先开展测氡法后开展磁法探测工作，磁法现场实际共完成物理探测点99个。
2）试验仪器与方法。磁法探测沿测线测量，每条测线的测点与测氡法相同，现场使用GSM-19T磁力仪（图3）进行测量，通过流动站手动观测，在测点自动采样，同时也通过GPS系统读取地理坐标和高度。
3）数据处理。磁法采集数据处理首先计算磁异常值，计算公式如下：
$$ \Delta T=T_{\text {test }}+T_{\text {sun }}+T_{\text {hight }}+T_{\text {normal }}+T_0 $$ (3) 式中：Ttest为测点上的观测值；Tsun为日变改正值；Thight为高度改正值；Tnormal为正常梯度改正值；T0为总基点磁场值；ΔT为测点磁异常值（nT）。
然后对磁场值进行数据预处理，剔除畸变点和滤波处理消除高频干扰，通过GEM自主研发的可视化软件Encom Technology Pty进行处理，绘制磁异常等值线平面图。
2.3. “测氡法−磁法”联合技术现场应用及验证
绘制磁异常等值线平面图与氡异常等值线平面图之后，在磁异常等值线平面图圈定磁异常熄灭带与磁异常燃烧带，同时在氡异常等值线平面图圈定氡浓度高水平区域，并结合火势方向综合圈定高温异常区域的位置与范围。在圈定高温区域选择一个点，通过钻孔测量该点内部温度和指标气体浓度验证“测氡法−磁法”联合技术的准确性。
3. 小窑火区综合治理技术
3.1 小窑自然发火区域综合治理方案
“测氡法−磁法”联合技术圈定小窑自然发火区域隐蔽火源位置后，急需采取灭火技术进行火区治理[27]。
经现场探勘，小窑自然发火区域有着良好的井下钻孔注浆施工条件。因此，采用井下注无机充填材料技术[28]可以更有效的治理小窑自然发火区域。为了进一步判断火区治理效果，从指标气体监测以及复测氡法两个角度出发，综合验证火区治理效果，小窑自然发火综合治理如图4所示。
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图 4 小窑自然发火区域综合治理示意Figure 4. Schematic diagram of integrated management of small coal mine spontaneous combustion areas、3.2 钻孔注浆技术及应用
1）注浆钻孔布置。针对小窑自然发火危险区域的位置以及范围，设计4个钻孔进行注浆充填，各个钻孔布置位置如图5，1号注浆孔与2号注浆孔距离20 m，3号、4号注浆孔分别距离2号注浆孔3 m、6 m。
2）注浆材料。本次选用无机充填材料分为两个组分水泥和水玻璃，试验阶段水泥∶水∶水玻璃比例为20∶20∶1，现场施工过程中可根据实际情况调整比例，以达到最好的充填效果。
3）注浆工艺。钻孔之后开始进行注浆工作，无机材料浆料的制备过程主要通过制浆系统、输送系统和混合系统三个系统完成（图6）。
3.3 火区治理效果检验
在钻孔注浆治理火区之前，图7为观察孔布置位置以及小窑周围密闭及巷道采样点布置图。本次治理共布置3个观测孔监测小窑内部指标气体浓度变化情况，以及5个密闭或巷道气体采样点来每日记录小窑周围及巷道指标气体浓度变化情况。①～⑤号采样点分别为发火区域采样点、C28密闭、C21密闭、C25密闭以及东二采区采样点。采样之后将束管监测数据以及周边密闭和巷道监测数据绘制成折线图以反映火区发展过程。并在注浆工作结束之后，采用复测氡法辅助指标气体监测验证火灾治理效果，针对圈定的小窑自然发火区域，本次复测试验共选定了12个复测测点（图8）进行复测氡，数据采集之后通过绘制氡浓度等值平面图与氡异常等值平面图进行对比分析，并将相同测点的两次氡值绘制折线图，探究氡值具体变化情况，从而判断火区治理效果。
4. 结果与讨论
4.1 测氡法检测结果讨论
氡值是一个精确的数字，用来描述氡的浓度[29]。氡水平代表氡浓度的一个程度，而不是一个数字。高氡水平是指氡浓度超过某一临界值。低氡水平是指氡浓度低于临界值。
基于式（1）计算出来背景值的对数，经过反对数之后得到真实背景值为
2114.75 Bq/m3，同理对式（2）计算结果求反对数得出真实标准差为1.43。结合背景值和标准差确定工作区土壤氡浓度大致在3024 ～6048 Bq/m3之间的为偏高晕（数值取整，下同），土壤氡浓度在6048 ～9072 Bq/m3之间的为高晕，土壤氡浓度在9072 Bq/m3以上为异常晕。将所有测点的氡值输入到Surfer软件后，绘制出了测试区域氡浓度等值线平面图（如图9），可以直观的反应探测区域的发火情况。
结合上述结果及氡浓度等值线平面图，在煤层自然发火危险区域大致圈定出1处氡异常带，编号Rn1，具体分析如下：
Rn1氡异常区域位于小窑采空区位置附近，整体异常范围较大，氡气浓度最高达
4719 Bq/m3，约为背景值的2.23倍。结合已知小窑自然发火趋势，划出一条直线AB并绘制沿该直线氡浓度变化曲线图（图10）来推演火势发展过程，从图10可知0～40 m处于低氡浓度区域，整体氡气浓度较低且有升高趋势，火势可能从此处开始但已经往后面区域蔓延；40～60 m处于氡浓度较平稳区域，氡浓度较高略微出现下降趋势，出现该现象的原因可能与裂隙差异有关；60～80 m处出现氡浓度快速升高且达到异常最高点的状况，这表明火势已经蔓延到该区域，即圈定的Rn1异常区域；80～100 m处氡浓度出现下降的趋势但是降低速度缓慢，这是由于火势正在往该处发展，周围围岩正在升温导致氡浓度增加；100 m之后区域还未出现发火状况，因此距离小窑自然火区越远，氡浓度越低。综上分析，推断Rn1区域为小窑自然发火区域，圈定面积约534 m2。![]()
图 10 小窑自然发火区域氡浓度变化曲线Figure 10. The curve of radon concentration change in spontaneous combustion area of small kiln4.2 磁法检测结果讨论
采用高精度磁法对探测区进行ΔT异常探测，探测结果如图11所示。由于探测区全为黄土覆盖，且局部褶皱发育，因此该区磁异常资料受近地表烧变岩不均匀磁化因素影响，其ΔT曲线在剖面上呈多峰异常“锯齿状”跳跃形态，在平面或部分剖面上表现为多个异常中心[30]。
本次测试在全测区共设96个测点，其中ΔTmin=−181.9 nT，ΔTmax=131.7 nT，总体上磁异常强度较大，异常明显，局部地区异常稍显凌乱，突变点较多。全区ΔT值表现为：测区西部及南部异常变化大，且范围较广，其主要磁源为烧变岩；测区东部及北部ΔT值变化相对稍小，其以背景场值为主，其磁源为第四系和石炭系沉积岩系。
图11磁异常等值线平面图共划分两个异常带，白色线条圈定范围为磁异常强度最高的区域。该区域经过火烧之后，经过一段时间降温，磁异常强度达到最高，因此推断该部分为S01熄灭带；红色线条圈定范围为磁异常强度正在升高的区域，该部分编号为H01燃烧带。结合矿上提供资料，初步判断煤自燃发火是从小窑西部开始，因此推断熄灭带右侧巷道附近燃烧带以内存在小窑自然发火高温区域。
4.3. “测氡法−磁法”联合技术圈定自然发火危险区域
将已经划分的磁异常区域和氡异常区域绘制在同一平面图中可以得到测氡−磁法联合技术共同圈定的自然发火区域如图12所示。根据图中以及前文分析信息可知，Rn1为氡异常区域，S01为磁异常熄灭带，H01为磁异常燃烧带，因火势为从西向东，因此我们将H01燃烧带与Rn1氡异常区域重合的部分划分出来，命名为F01，综合推断F01区域为小窑自然发火区域，该区域面积约213 m2。
4.4 钻孔测温探测结果
为了进一步验证测氡−磁法联合技术检测方法的准确性，我们选择最准确但是效率较低的钻孔测温方法进行验证，计划在燃烧带和氡异常区域选择几个高温点，然后从附近巷道钻孔。然而，由于地形狭窄，地形不均匀，工程机械很难对燃烧带和氡异常区域设置测点都进行钻探。因此，我们只在自然发火区域附近巷道钻了一个测温孔（验证钻孔位置如图12所示）。相关参数及位置记录见表2。
表 2 验证钻孔位置和参数Table 2. Verification drill locations and parameters纬度 经度 钻孔直径/mm 深度/m 4261123 37513482 90 70 钻孔测温及指标气体检测结果见表3，从温度和指标气体组分两个维度推断，验证划分的自然发火区域准确性。钻孔探测的温度高于地表温度和环境温度，指标气体CO浓度也暗示了火源的存在。
表 3 钻孔测温及指标气体检测结果Table 3. Borehole temperature measurement and index gas detection results温度/℃ 指标气体(体积分数) O2/% CO/10−6 CH4/% 73 19.33 60 0.04 4.5 火区治理结果
钻孔注浆共持续了1个月，整个期间水泥∶水∶水玻璃质量配比共调整了3次，分别为20∶20∶1、3∶6∶1和6∶6∶1，共计注浆量
1026.8 t（表4），大约充填1862 m3的小窑自然发火区域。表 4 1号～4号注浆孔注浆量Table 4. Grouting volume of No.1～No.4 grouting holes注浆孔 无机充填材料注浆量/t 20∶20∶1 3∶6∶1 6∶6∶1 1号 171 — — 2号 66.85 — — 3号 — 366.3 20 4号 — — 422.65 累计 237.85 366.3 442.65 4.6 束管监测结果分析
束管监测系统主要监测煤自燃指标气体CO和C2H6浓度的变化，具体分析如下：
1）一氧化碳（CO）浓度。图13a为各区域测得的CO气体浓度变化情况，2月底开始发现煤自燃情况，CO浓度不断升高，3月中旬开展了火区探测工作圈定火源位置后，开始钻孔注浆治理火区，CO浓度开始下降，4月底注浆工作结束，CO浓度逐渐趋于0。
图13b为束管监测3个观测孔测得的CO气体浓度变化情况，经推断火势从1号孔向3号孔发展，结合图中信息可以看出，2月底到3月初1号孔内CO浓度偏高，随着火势发展2号与3号孔探测CO浓度不断增加。3月中旬开始注浆工作治理火区，1号孔附近火势率先得到控制，孔内CO浓度趋于正常；2号孔附近火势逐渐得到控制，3月20日左右开始下降。4月初注浆工作持续进展，3号孔附近火势不断得到控制，孔内CO出现下降趋势。随着4月底注浆工作结束，3个观测孔内部CO浓度全部趋向于正常水平。
2）乙烷（C2H6）浓度。图14为各区域C2H6浓度变化趋势，从图中可以看出，小窑出现煤自然发火时，小窑发火区域以及相邻位置总体C2H6浓度不高，最高分别为0.12%、0.15%、0.14%和0.09%。随着向注浆孔压注浆液，从4月10日到5月6日，各位置处的乙烷气体浓度均降为0%。结合CO浓度变化，初步判断小窑自然发火区域发火形式得到控制，小窑自然发火点基本消除。图14为各区域C2H6浓度变化趋势，从图中可以看出，小窑出现煤自然发火时，小窑发火区域以及相邻位置总体C2H6浓度不高，最高分别为0.12%、0.15%、0.14%和0.09%。随着向注浆孔压注浆液，从4月10日到5月6日，各位置处的乙烷气体浓度均降为0%。结合CO浓度变化，初步判断小窑自然发火区域发火形式得到控制，小窑自然发火点基本消除。
4.7 复测氡法检验火区治理结果分析
针对划定小窑自然发火区域，选定12个测点进行复测氡，根据复测结果，利用计算机绘制了注浆前后异常区域氡值等值线对比云图（图15），并且绘制了相同12个测点的两次氡值测试对比图（图16）。
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图 15 复测氡浓度异常区域等值线对比云图Figure 15. Comparison of contour cloud map of the anomalous area of the retested radon value图15显示氡气含量已明显下降，高温异常区域红色部分已经变为正常绿色。结合图16，4月12日测试时该区域氡值最高达到了
4719 Bq/m3，而在5月1日测量时，该区域氡值最高仅为3156 Bq/m3，下降了33.12%。由此可见，在采取注浆措施后，该小窑自然发火区域得到了有效治理。5. 结 论
1）通过对国内外应用广泛的小窑自然发火区的探测手段进行对比，阐述各种方法的优缺点，结合小窑自然发火区的实际情况，提出了测氡法与磁法两种方法联合使用探测小窑自然发火区域。同时，分析测氡法与磁法探测小窑自然发火区域的探测机理，探究“测氡−磁”联合技术圈定小窑自然发火区域的原理，为后续现场应用提供理论基础。
2）理论研究之后，为了进一步验证该方法的可行性，我们在山西的一处煤矿进行了现场应用。现场试验先后开展了测氡法与磁法数据采集工作，经过后期数据处理与图形绘制，划分出磁异常熄灭带一处，磁异常燃烧带一处，氡异常区域一处，并基于测氡法与磁法联合技术原理圈定出一处面积约213 m2的小窑自然发火区域。经过在高温点钻孔测温、测气验证这种方法具有明显的效果，可以有效的探测出小窑自然发火区隐蔽火源的位置与范围，为后续治理工作提供帮助。
3）以“测氡−磁”联合技术圈定的高温异常危险区域为基础，根据煤矿现场实际情况，对此区域设计钻孔注浆治理工作。本次治理工作共施工4个注浆钻孔，选用水泥与水玻璃混合的无机注浆材料进行火区治理，累积注浆量
1862 m3，扑灭了小窑火区的火势。采用束管监测以及复测氡法联用方法对治理工作的效果进行检验，通过3个观测孔束管监测，以及对高温异常区域复测测氡，反映注浆治理工作取得了良好的效果，高温异常区域已经恢复正常，火势治理效果良好。 -
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图 4 小窑自然发火区域综合治理示意
Figure 4. Schematic diagram of integrated management of small coal mine spontaneous combustion areas、
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图 10 小窑自然发火区域氡浓度变化曲线
Figure 10. The curve of radon concentration change in spontaneous combustion area of small kiln
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图 15 复测氡浓度异常区域等值线对比云图
Figure 15. Comparison of contour cloud map of the anomalous area of the retested radon value
表 1 磁参数测定统计
Table 1 Statistical table for the determination of magnetic parameters
岩性 标本数/
块磁化率范围/
(10−6)磁化率平均值/
(10−6)剩余磁化
强度平均值/
(10−3A·m−1)泥岩 3 3～142 72 32 细砂岩 2 8～2 049 1 042 467 石灰岩 3 13～318 157 94 烧变岩 3 1 030～9 332 6 326 5 723 
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表 2 验证钻孔位置和参数
Table 2 Verification drill locations and parameters
纬度 经度 钻孔直径/mm 深度/m 4261123 37513482 90 70
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表 3 钻孔测温及指标气体检测结果
Table 3 Borehole temperature measurement and index gas detection results
温度/℃ 指标气体(体积分数) O2/% CO/10−6 CH4/% 73 19.33 60 0.04
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表 4 1号～4号注浆孔注浆量
Table 4 Grouting volume of No.1～No.4 grouting holes
注浆孔 无机充填材料注浆量/t 20∶20∶1 3∶6∶1 6∶6∶1 1号 171 — — 2号 66.85 — — 3号 — 366.3 20 4号 — — 422.65 累计 237.85 366.3 442.65
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