同位素測氡法在煤自燃火源位置探測中的應(yīng)用

安 幫，邸晟鈞

(1.國能準(zhǔn)能集團(tuán)有限責(zé)任公司 黑岱溝露天煤礦， 內(nèi)蒙古 準(zhǔn)格爾旗 017100； 2.晉能控股山西電力股份有限公司， 山西 太原 030006)

具有自燃傾向性的煤與空氣中的氧氣發(fā)生物理吸附、化學(xué)吸附以及化學(xué)反應(yīng)的過程中會(huì)釋放熱量，當(dāng)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量大于其散失熱量時(shí)，煤體內(nèi)部熱量開始積聚，煤溫升高，最終達(dá)到煤著火點(diǎn)而發(fā)生自燃。隨著礦井生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大、開采深度增加，煤層自燃及礦井自然發(fā)火事故數(shù)量不斷上升，特別是兼并重組整合保留礦井，時(shí)刻受到周邊或上層廢棄采空區(qū)自然發(fā)火的威脅。此外，礦井火災(zāi)事故可能會(huì)誘發(fā)瓦斯、煤塵爆炸等次生災(zāi)害，煤自燃釋放出的大量有害氣體也會(huì)直接污染大氣。為了避免不必要的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境生態(tài)污染，科學(xué)高效的礦井自燃火災(zāi)防治十分必要。然而，煤層火災(zāi)及礦井火災(zāi)通常發(fā)生在地下數(shù)十米至數(shù)百米處，復(fù)雜的地質(zhì)條件、動(dòng)態(tài)的氧化蓄熱環(huán)境，給煤自燃火源的精準(zhǔn)定位以及后續(xù)滅火方案的制定和實(shí)施帶來了困難。

探測地下煤自燃隱蔽高溫火源位置，基于探測原理的不同，國內(nèi)外研究學(xué)者提出了不同探測方法，包括紅外探測法、遙感探測法、磁探測法、電阻率探測法、無線電波法、地質(zhì)雷達(dá)法、氡氣探測法等[1-5]. 紅外探測法和遙感法主要利用紅外線在不同溫度物體上所反射的顏色特征進(jìn)行探測，其只能探測較淺層位的火源位置；磁探法主要通過對火區(qū)范圍磁場的異常進(jìn)行探測，容易受到地球磁場、地質(zhì)構(gòu)造以及煤巖體中存在的磁性物質(zhì)干擾，影響其探測效果；電阻率法通過火區(qū)范圍電阻率變化進(jìn)行探測，適宜于煤田自燃火區(qū)，很難應(yīng)用于自燃隱蔽火源探測；無線電波法和地質(zhì)雷達(dá)法，對于煤自燃高溫火源位置的探測目前仍處于研究階段。

同位素測氡法作為一種成熟的探測技術(shù)，最早應(yīng)用于環(huán)境評價(jià)、資源勘探及地質(zhì)構(gòu)造勘查等領(lǐng)域。通過對地表氡濃度進(jìn)行測定，可對井下高溫?zé)嵩次恢眠M(jìn)行判定。

1 氡的來源及性質(zhì)

自然界中大部分元素的原子核比較穩(wěn)定，但也有部分原子核由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，會(huì)自發(fā)分解，直至成為較為穩(wěn)定的原子核結(jié)構(gòu)，這種現(xiàn)象稱為放射性衰變。放射性元素的衰變特性通常用半衰期進(jìn)行表示，即放射性元素原子數(shù)量衰變到原來數(shù)量的一半所需的時(shí)間。氡元素最主要的3個(gè)同位素為Rn-222、Rn-220和Rn-219，它們來源于3個(gè)天然放射系，鈾系、釷系和錒系的放射性衰變，物理放射特性見表1. Rn-220和Rn-219較短的半衰期導(dǎo)致其在空氣中的濃度很小，而Rn-222較長的半衰期以及快速移動(dòng)的氣體特性，使得Rn-222常被作為一種攜帶地球深部信息的示蹤氣體在地球物理勘探工程中進(jìn)行應(yīng)用。

表1 Rn-222、Rn-220和Rn-219放射特性表

2 煤自燃氡析出研究現(xiàn)狀

同位素測氡法探測煤自燃火源位置最早由太原理工大學(xué)提出，并進(jìn)行了一定的理論探索和實(shí)踐應(yīng)用[4-6]. 其探測理論主要由3個(gè)部分組成，即煤自燃過程中氡氣源的形成，覆巖層中氡的縱向長距離運(yùn)移以及地表氡的析出。煤從低溫氧化到自燃的過程中，煤層及一定范圍內(nèi)的巖層物理力學(xué)性質(zhì)遭到破壞，高溫作用使得煤巖體晶格發(fā)生松動(dòng)、變形，導(dǎo)致氡射氣系數(shù)急速增大，氡氣濃度快速增加，因此煤自燃及其高溫影響區(qū)域內(nèi)的煤巖體介質(zhì)可看作氡氣源。從煤巖體釋放的氡氣會(huì)在擴(kuò)散作用、對流作用、溫度梯度、壓力梯度、地下水搬運(yùn)、地氣及火災(zāi)氣體載帶等多種遷移機(jī)制的作用下，沿著地下深處巖體微裂隙或微孔隙向地表方向縱向運(yùn)移，最終在地表一定范圍內(nèi)形成高濃度的氡異常區(qū)域，見圖1.

圖1 同位素測氡法探測煤自燃火源位置原理圖

在實(shí)驗(yàn)研究方面，鄔劍明，王俊峰等[5-6]在設(shè)計(jì)制作大型煤自燃與測氡實(shí)驗(yàn)臺(tái)基礎(chǔ)上，針對煤自燃氧化特性，研究了煤升溫過程中氡氣的析出規(guī)律及其影響因素。通過煤自然發(fā)火實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，隨著溫度升高，氧化作用時(shí)間延長，煤體釋放的氡顯著增加，提出可通過氡釋放規(guī)律來判定煤自然發(fā)火程度。

西安科技大學(xué)文虎等[7]對松散煤體的氡析出特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明相同溫度下氡氣具有明顯的累積效應(yīng)，濃度先經(jīng)歷快速上升，4～5 h后趨于平穩(wěn)發(fā)展，這與現(xiàn)場氡吸附探杯埋設(shè)時(shí)間相符合。隨著溫度升高，氡析出率增加，氡濃度達(dá)到平衡的時(shí)間有所減小。在垂直方向上，氣流影響范圍內(nèi)氡氣運(yùn)移以滲流為主，濃度沿軸向呈指數(shù)形式增長。張辛亥，王輝[8]通過氡擴(kuò)散多角度試驗(yàn)?zāi)M了30 ℃～200 ℃溫度條件下氡在0°、30°、45°、60°方向上的擴(kuò)散特性，并探討了溫度、擴(kuò)散方向、氡氣濃度間的相互內(nèi)在關(guān)系，進(jìn)一步豐富了煤自燃氡運(yùn)移理論。結(jié)果表明,相同條件下傾斜方向的氡擴(kuò)散特性要明顯高于水平方向，且傾斜角度越大，氡的擴(kuò)散能力越強(qiáng)；與垂直方向氡運(yùn)移相比，溫度對水平及傾斜方向氡運(yùn)移的影響較弱。

3 煤自燃氡探測現(xiàn)場應(yīng)用

同一種放射性元素在衰變時(shí)釋出的α射線能量是固定的，因而可通過辨別不同能量的α粒子對放射性元素種類進(jìn)行區(qū)分。為了在短時(shí)間內(nèi)獲取火區(qū)地表氡濃度變化規(guī)律，及時(shí)對火源位置及火勢發(fā)展趨勢進(jìn)行判定，現(xiàn)場一般通過測定單位時(shí)間內(nèi)氡的直接短壽命子體Po-218的衰變數(shù)量來對地表氡氣濃度進(jìn)行計(jì)算。Po-218的半衰期為3.05 min，意味著當(dāng)Rn-222衰變成子體Po-218后，大多數(shù)Po-218核素會(huì)在6 min內(nèi)發(fā)生衰變。

3.1 探測設(shè)備

現(xiàn)場通常選用α杯測氡儀進(jìn)行地表氡值測量。α杯測氡儀由α吸附杯、空氣脈沖電離室、低噪聲放大器、脈沖計(jì)數(shù)器等元件組成，見圖2. 氡的衰變子體為重金屬粒子，α吸附杯表面產(chǎn)生的靜電效應(yīng)對其有良好的吸附作用。當(dāng)收集了氡子體的α探測杯被放入電離室后，氡子體衰變釋放出的α射線使電離室的空氣電離，并由電離室將其轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)。脈沖信號(hào)被低噪聲脈沖放大器放大后，轉(zhuǎn)化為脈沖計(jì)數(shù)進(jìn)行顯示。單位時(shí)間內(nèi)氡的直接子體Po-218衰變記錄的脈沖數(shù)與其母體氡濃度成正比，因此α杯在靜態(tài)條件下獲得的高精度測量結(jié)果可以真實(shí)地反映該測點(diǎn)氡濃度大小。

圖2 測氡儀結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 探測實(shí)例

內(nèi)蒙某煤礦402工作面平均煤厚2.4 m，傾向長220 m，走向長1 440 m. 工作面所處區(qū)域內(nèi)斷層與褶曲均不發(fā)育，工作面外圍均為未開采的實(shí)體煤，無舊巷、采空區(qū)等采動(dòng)情況，屬于地質(zhì)構(gòu)造簡單地區(qū)。對402工作面開切眼處煤自然發(fā)火情況進(jìn)行探測。402工作面開切眼處對應(yīng)地表測場布置及測點(diǎn)位置見圖3，共計(jì)測點(diǎn)130個(gè)，測點(diǎn)間距為10 m×10 m.

圖3 402工作面地表測點(diǎn)布置圖

確定測點(diǎn)位置后，將α探杯埋入對應(yīng)測點(diǎn)并在地表做好對應(yīng)標(biāo)記，4 h后將探杯取出并置于測氡儀中進(jìn)行檢測，檢測時(shí)間3 min. 根據(jù)各測點(diǎn)檢測數(shù)據(jù)，繪制測場氡值等值線平面圖和立體圖，見圖4，圖5.

圖4 測場氡值等值線平面圖

圖5 測場氡值立體圖

由圖4，圖5可知，測場內(nèi)明顯的高溫氧化區(qū)域有2處，分別為Ⅰ區(qū)域和Ⅱ區(qū)域。Ⅰ高溫氧化區(qū)域位于測場東側(cè)，呈圓形分布，面積約為1 050 m2. 高溫?zé)嵩次挥冖駞^(qū)域中心，對應(yīng)氡值為1 574 N/3 min，是整個(gè)測場的最大值，表明該區(qū)域煤自然發(fā)火程度較為嚴(yán)重。Ⅱ高溫氧化區(qū)域位于I區(qū)域左下方，面積約為600 m2，區(qū)域中心位置處氡測值最高，為1 082 N/3 min. 402工作面開切眼處的工作空間較大，空隙率較高，為煤自然發(fā)火提供了良好的供氧蓄熱環(huán)境，最終導(dǎo)致了煤自燃。

4 結(jié) 語

作為一種有效的井下火源位置探測技術(shù)，同位素測氡法因操作簡便、成本低、不受探測地形限制等優(yōu)點(diǎn)，已在中國、澳大利亞等自然發(fā)火嚴(yán)重的礦區(qū)進(jìn)行了成功應(yīng)用。實(shí)踐表明，利用氡氣的地球物理化學(xué)特性從地表精準(zhǔn)探測地下煤自燃隱蔽火源位置是可行的，在煤自燃區(qū)域地表能夠成功探測到氡濃度異?，F(xiàn)象，為地下隱蔽火源的治理提供可靠的技術(shù)支撐。目前現(xiàn)場煤自燃火區(qū)探測主要采用α杯測氡法，該方法易受環(huán)境溫度、氣象條件及人為等因素的影響，在具體實(shí)施過程中要加以注意。