同位素測氡法在淺煤層地質(zhì)火源探測中的應(yīng)用①

李斯昊 張景鋼

(1.平朔煤業(yè)有限責(zé)任公司通風(fēng)救護(hù)部,山西朔州 036002; 2.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院,北京東燕郊 101601)

同位素測氡法在淺煤層地質(zhì)火源探測中的應(yīng)用①

李斯昊1②張景鋼2

(1.平朔煤業(yè)有限責(zé)任公司通風(fēng)救護(hù)部,山西朔州 036002; 2.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院,北京東燕郊 101601)

本文主要介紹了同位素測氡法探測平朔公司井工一礦自燃火源位置,包括基本原理、探測方法、數(shù)據(jù)采集過程等方面內(nèi)容,并且經(jīng)過對數(shù)據(jù)的處理及分析,來探測到火源位置,然后根據(jù)探測結(jié)果,制定綜合防滅火方案,分別采用均壓通風(fēng)、井下注氮、地面加強(qiáng)注三相泡沫和水泥粉煤灰等措施,并檢驗(yàn)措施實(shí)施效果。關(guān)鍵詞:火源探測;煤層自燃;測氡技術(shù)

0 引言

煤炭自燃是礦井的主要災(zāi)害之一。據(jù)統(tǒng)計(jì),在我國開采煤層中,有 50%以上的礦井存在自然發(fā)火危險,每年因自燃火災(zāi)而封閉的工作面超過100個,大量的煤炭因火區(qū)而凍結(jié);同時,因煤炭自燃而產(chǎn)生的有毒有害氣體,還可能引起瓦斯、粉塵爆炸,嚴(yán)重危及井下人員的生命安全[1]。由于煤礦自燃火災(zāi)的火源隱蔽,給滅火工作帶來困難,因此火源位置的確定是解決煤炭自燃問題的關(guān)鍵。

1 概述

平朔公司井工一礦 9004工作面為上窯采區(qū)最后一個工作面,走向長 1320m,傾向長 250m,面積 330000m2,煤層厚 13.1m,傾角 0°～4°。該面北鄰安家?guī)X露天礦保安煤柱,西鄰 9003采空區(qū),南為東翼大巷保護(hù)煤柱;其上部北部區(qū)域?yàn)榈V聯(lián)安家?guī)X端幫礦 4#煤采空區(qū)。9004工作面采用綜采放頂煤回采工藝,“U”型通風(fēng)方式,工作面絕對瓦斯涌出量為 0.0288m3/min,煤層具有自燃傾向性,等級為Ⅱ級。該工作面推進(jìn)到 48m,頂板初次來壓,回風(fēng)隅角 CO濃度達(dá)到 135ppm,井工一礦立即采取了均壓、加快推進(jìn)速度、注氮等措施,氣體得到有效控制。當(dāng)工作面推進(jìn)到 73m,第 127～132號支架出現(xiàn)煙霧,頂板冒落的矸石出現(xiàn)高溫的火炭,火勢逐漸增大,回風(fēng)巷 CO濃度在2000ppm以上。

經(jīng)分析,CO氣體來源于礦聯(lián)公司端幫礦 4#煤采空區(qū),由于采用綜采放頂煤開采,上部 4#煤采空區(qū)引燃下部 9#層采空區(qū)。火源屬于近距離煤層群上部采空區(qū)自燃火災(zāi)。由于上方采空區(qū)面積較大,火源位置不詳,給滅火工作帶來很大困難,為了給火區(qū)治理提供科學(xué)的依據(jù),決定對工作面前方火情的進(jìn)行探測,確定火區(qū)范圍。為準(zhǔn)確測定火源位置,我們采用了太原理工大學(xué)的同位素測氡法。

2 同位素測氡法基本原理

原子核內(nèi)質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)之和稱為核子數(shù)(A),凡質(zhì)子數(shù)相等但核子數(shù)不等的核素稱為同位素。質(zhì)子數(shù) Z>82的核素都是不穩(wěn)定的,屬于放射性核素。自然界中有些核素的原子核能自發(fā)地產(chǎn)生變化,從一個核素的原子核變成另一核素的原子核,并伴隨放出射線,這種現(xiàn)象稱為核變,常見的衰變類型有α衰變、β衰變、γ衰變。放射性核素在衰變時放出能量,其能量可作為信息被檢測出來而反映地球體中核素含量及其活動形式與衰變類型,這就是核探測技術(shù)的基礎(chǔ)。

自然界存在著三個天然放射系,即鈾、釷、錒系,因其半衰期很長,故能作為母體核素廣泛存在于土壤、巖石、煤系等介質(zhì)中。其中鈾系的衰變產(chǎn)物氡,屬放射性惰性氣體,它特殊的地球化學(xué)性質(zhì)被廣泛應(yīng)用于評價地?zé)豳Y源、研究地震及火山噴發(fā)等地球動力現(xiàn)象[2]。而煤系地層中放射性元素的含量相對較高,其中鈾、釷、錒等放射性元素經(jīng)衰變后,均產(chǎn)生氡氣、釷射氣和錒射氣,氡氣的半衰期較長,且能從地下幾十米甚至數(shù)百米的地方運(yùn)移到地表。

氡作為放射性同位素,其衰變的子體為固體粒子,因此在測量時既可測氡氣,又可測其子體而反映母體核素的形態(tài)及變化狀況。氡子體有很強(qiáng)的吸附能力,它們能牢固地附著在器物表面。因此可用不同的方法將氡或其子體收集進(jìn)行測量。

隨溫度的上升,煤樣中的氡析出強(qiáng)度有顯著的增加,且粒度越小,氡的析出量在相同溫度下越大,當(dāng)達(dá)到一定溫度后趨勢逐漸變緩。在同樣的地質(zhì)地層條件下,當(dāng)?shù)叵旅簩影l(fā)生氧化升溫或自燃時,其周圍及上覆巖層中天然放射性氡的析出率增大。由于氡衰變時的離子交換作用,使其反映到地表而形成放射性異常,該異?？勺鳛榉从硿囟鹊男畔⒍粰z測出來,這就是同位素測氡法探測煤層自燃的原理。

煤層自燃時,溫度和壓力升高,氡氣的運(yùn)移數(shù)量和速度明顯增加,因而在火區(qū)的上方就會形成氡氣濃度相對的高值區(qū)。通過在地表測量氡氣濃度的大小,就可圈定火區(qū)的范圍,推斷煤層的燃燒狀況[3]。檢測數(shù)據(jù)經(jīng)過專用的計(jì)算機(jī)程序處理后,可得出火源位置及發(fā)展趨勢。其探測深度可達(dá) 500m,理論研究可達(dá) 800～1200m,且能探測出高溫氧化點(diǎn)。

3 地面探測

隨著核電子學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,測氡手段也不斷改進(jìn)。常規(guī)的方法是使氣樣進(jìn)入探測器后進(jìn)行測量。地面測氡的主要方法是采用測氡的衰變子體所放出的α射線強(qiáng)度。根據(jù)探測原理可分為α杯法、α卡法、活性炭法、熱釋光法以及釙量測量、徑跡蝕刻法等。各種方法依據(jù)不同的條件及探測精度,可同時使用或單獨(dú)使用。井工一礦采用了 CD-1α杯積分法,探測器為電離型。此方法具有靈敏度高、累積時間可長可短、操作簡便,使用靈活等特點(diǎn)。探測工藝如圖 1所示。

圖 1 探測工藝

3.1 測點(diǎn)布置

根據(jù)實(shí)際情況及井上下對照圖,選取測場基準(zhǔn)點(diǎn),基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)在端幫礦副斜井處,向東、向南延伸,向南 31個點(diǎn),向東 39個點(diǎn),形狀為長方形方格網(wǎng),然后在測場內(nèi)按線、點(diǎn)距 10×10m,總共布置測點(diǎn)約 1209個,總探測面積約 114000m2。

3.2 探測杯埋設(shè)

該探測杯用高吸附材料制成,收集面積為 12×8cm2,在每個編號的測點(diǎn)上挖寬 30cm左右,深40～50cm左右的坑,將杯口朝下放入,上面用塑料布覆蓋,然后用土掩埋,并記下點(diǎn)號、時間[4]。如圖 2所示。

圖 2 探杯埋設(shè)圖

3.3 數(shù)據(jù)測量

探杯埋設(shè)4～10h后取出,置入CD-lα杯探測儀測量,測量時取 3min,記下讀數(shù)及相應(yīng)的基巖性質(zhì)、時間等參數(shù)[5]。

4 探測結(jié)果分析

本次探測面積約 114000m2,將各探測點(diǎn)參數(shù)應(yīng)用 CDTH專用軟件包進(jìn)行處理測值,異常值立體圖 (見圖 3)及相對應(yīng)的等值線圖 (見圖 4)。根據(jù)火源探測結(jié)果得出了 9004工作面煤層自燃火源位置探測平面圖;對平朔公司井工一礦 9004工作面自燃火災(zāi)進(jìn)行了以下的分析[6]。

圖 3 異常值立體圖

圖 4 異常等值線

1)在測場內(nèi)探明溫度異常區(qū) 1個,為高溫氧化區(qū),預(yù)計(jì)溫度 120℃～170℃,面積約 1334m2,發(fā)展方向?yàn)楸逼鞣较颉?/p>

2)溫度異常區(qū)范圍、位置、發(fā)展趨勢如圖 5所示。

圖 5 9004工作面煤層自燃火源位置探測平面圖所示

5 結(jié)語

平朔公司井工一礦根據(jù)源探測平面圖、三維立體圖及測量數(shù)據(jù)結(jié)果分析,確定了火區(qū)范圍,制定了綜合防滅火方案,采用了均壓通風(fēng)、井下注氮、地面加強(qiáng)注三相泡沫和水泥粉煤灰等措施,有效對高溫點(diǎn)進(jìn)行了滅火,取得了較好的效果。經(jīng)檢測,井下巷道有害氣體濃度均降到了規(guī)程規(guī)定濃度以下。實(shí)踐證明,用同位素測氡法探測自燃火源的方法是準(zhǔn)確可靠的,探測結(jié)果為井工一礦安全回采提供了可靠的科學(xué)依據(jù),對煤礦安全生產(chǎn)具有重要的意義和推廣價值。

[1]趙耀江,鄔劍明 .測氡探火機(jī)理的研究 [J].煤炭學(xué)報,2003,(3)

[2]彭飛,李建軍 .測氡法探測煤層自燃火區(qū)[J].西部探礦工程,2007,(12)

[3]鄔劍明,劉艷,周春山 .同位素測氡法在柳灣礦自燃火源位置探測中的應(yīng)用 [J].中國煤炭,2006,(9)

[4]隋濤,潘越飛,鄔劍明 .同位素測氡法探測火源位置在柴里煤礦火區(qū)治理中的應(yīng)用[J].山西煤炭,2006,26(3):46-48

[5]林保政 .地面同位素測氡法在探測火區(qū)中的應(yīng)用[J].西北煤炭,2005,3(4):25-27

[6]梅國棟,李元中,劉璐 .同位素測氡法在治理主井筒火區(qū)中的應(yīng)用 [J].陜西煤炭,2006,(3):33-34

Application of radon measurement with isotope on the survey of fire seat location inshallow coal seam

L I Sihao1,ZHANG Jinggang2

(1.Pingshuo Coal Industry Co.Ltd ventilation Ambulance Depar tment,Shuozhou Shanxi 036002;2 .The College of Safety Engineering,North China Institute of Science and Technology,Yanjiao Beijing-East 101601)

This article describes the use of radon method working well for a mining company Pingshuo spontaneous combustion through the basic principles of detection methods,data acquisition and data processing aspects.Through data processing and analysis can accurately detect the location of the fire source.The technology to develop a comprehensive fire prevention program,using pressure ventilation,underground injection of nitrogen,ground to enhance injection three-phase foam,cement fly ash and othermeasures to achieve good results.The technology has broad application prospects,low investment,high precision,reliable and intuitive sof tware processing for the detection of shallow coal seam address the source of fire to provide a scientific basis,in the treatment of Spontaneous fires have an important promotional value.

Fire Detection;Coal Fire;Radon Technology

TD75+2.1

A

1672-7169(2011)02-0009-03

2011-03-15

李斯昊 (1982-),男,河北唐山人,大學(xué)畢業(yè),平朔通風(fēng)救護(hù)部助理工程師,從事防滅火技術(shù)管理工作。