活性炭測氡法在平朔井工二礦小窯采空區(qū)自燃火源探測中的應用

李正東，吳玉國，劉 碩

（1.中煤平朔集團有限公司 井工二礦，山西朔州036000；2.太原理工大學 礦業(yè)工程學院，太原 030024）

氡氣為放射性惰性氣體，廣泛用于尋找石油、礦藏勘查、煤礦安全等領域[1]。利用測氡技術，可在地表探測出井下自燃火源位置和范圍。目前可用的測氡方法有：同位素法、活性炭法、熱釋光法、半導體測量儀器法等[2-4]。煤礦采空區(qū)高溫異常區(qū)等隱蔽火源位置及范圍的確定，直接關系著今后火區(qū)治理中打鉆定位、灌漿滅火等工藝的效果。因此火源探測結果的精確性，在煤礦火區(qū)治理中占有重要位置。平朔井工二礦4號9號煤層由于采空區(qū)遺煤導致自燃，嚴重影響該區(qū)域下部11號煤工作面布置和安全生產(chǎn)。因此運用活性炭測氡法，探測其火源的精確位置，并提出對應的治理方案，以保障11號煤的安全生產(chǎn)。

1 平朔二號井火區(qū)概況

平朔集團井工二礦的設計生產(chǎn)能力10.0 Mt/a，主要可采煤層為4號、9號、11號，均為自燃或易自燃煤層。目前，礦井4號9號煤層基本采空，將進入11號煤層開采。11號煤層厚度0.95～9.77 m、平均4.7 m，其與上覆的9號煤層間距平均7.78 m。由于井田東部特別是現(xiàn)采的29211工作面以東區(qū)域9號煤，大部分為原小窯開采區(qū)域（由于9號煤平均厚度12.39 m，采空區(qū)遺煤較多）為自燃煤層，在地表漏風作用下，小窯采空區(qū)出現(xiàn)不同程度的煤層自燃，導致凍結了該區(qū)域的9號煤儲量。由于上述火區(qū)的存在，嚴重影響該區(qū)域下部11煤工作面的布置和安全生產(chǎn)。

2 活性炭測氡法探測火源位置的原理及優(yōu)點

1）活性炭為多孔隙結構，擁有高達700～1 600 m2/g的比表面積，具有很強的吸附能力。活性炭作為非極性吸附劑特別對對氡等非極性單原子分子有很高的吸附能力[5-7]。由于煤巖中天然氡有隨溫度升高析出率增加的特性[8]，活性炭測氡法是一種靜態(tài)累積測氡技術，通過測量活性炭吸附的氡及其子體衰變過程中γ射線強度反映氡的濃度。經(jīng)過一系列數(shù)據(jù)分析處理方法，可以給出火源位置、范圍、發(fā)展趨勢[9-10]。

2）活性炭測氡法（同其他測氡技術相比）有以下優(yōu)點：①活性炭吸附法和α杯法一樣，同屬累積測量方法，且活性炭埋置時間長達5 d左右，能較好地反映火區(qū)造成的微弱的地表氡異常，是種理想的測氡方法。②該方法采用埋置活性炭進行累積測量，克服了地表大氣壓、溫度、濕度等外界及氡氣運移陣發(fā)性的影響，累計一段時間的平均氡濃度，可較好反映地下氡異常情況。③該方法實現(xiàn)氡的靜態(tài)累積測量、無源、布樣方便、可重復測量和使用，適合大規(guī)模的氡氣調(diào)查?？稍诂F(xiàn)場也可在室內(nèi)測量，現(xiàn)場取回樣品在室內(nèi)測量、儀器可以連續(xù)工作，探測效率高。④該方法埋設活性炭時，加硅膠吸收土壤中的水分，克服了濕度對活性炭吸附氡及其子體的影響。在室內(nèi)測試時，不受室外溫度對儀器的影響，不受冬季低溫的限制。

3 活性炭測氡法在井工二礦的應用

1）探測儀器：采用本課題組自行開發(fā)的TYHC-1活性炭測氡儀進行。它有輕便、耐用、耗電少、全自動化操作簡單易學、穩(wěn)定性能良好、內(nèi)部結構精細靈敏度高、與計算機連接簡便等特點。對于地質(zhì)環(huán)境復雜、地勢險要、探測面積大的野外勘查工作，大大提高了工作的效率、降低了操作人員的工作量。自行開發(fā)的軟件能夠進行數(shù)據(jù)校正分析和處理功能。

2）測場的選擇及測點布置：根據(jù)地面和井下的調(diào)查情況，以及目前探明的小窯巷道布置情況，分析可疑的火區(qū)范圍時，需在該范圍內(nèi)采用測氡法進行地面探測，設計探測面積1 089 900 m2，測點基本點距20 m×20 m，探測測點2 750個。測場及測點布置見圖1。

圖1 測點布置圖

3）室內(nèi)測量：待埋杯時間達到預定時間后，取出采樣器，認真填寫取樣時間和當時氣候等狀況。將采樣器放入檢驗和標定好的活性炭測氡儀，同時記錄每個采樣器的線號和點號。測量全部完成后，對數(shù)據(jù)根據(jù)當時情況進行校正提取。在現(xiàn)場具體實施中，還要對某些采樣點和氡值異常點進行必要的重測和驗證取樣，以保證探測結果的可靠性。

4）數(shù)據(jù)分析和處理：將野外所測的活性炭數(shù)據(jù)，采用CDTH專用軟件包進行處理可得測值、異常值立體圖及相對應的等值線圖（圖2-圖5）；再經(jīng)綜合分析，得出火區(qū)分布平面圖（見圖6）。①在測場內(nèi)探明溫度異常區(qū)1個，面積約10 206 m2，火區(qū)中心距29212工作面輔運順槽約90 m，長軸方向約145 m，短軸方向約85 m。②活性炭探測數(shù)據(jù)顯示氡異常值100～600CPM（活性炭測氡儀顯示的每分鐘計數(shù)），并經(jīng)過綜合分析確定該異常區(qū)為高溫氧化區(qū)，火勢發(fā)展方向為近北東方向。③建議對物探探測結果，從井下或地面進行鉆探驗證。

圖2 活性炭測值立體圖

圖3 活性炭測值等值線圖

圖4 活性炭異常值立體圖

圖5 活性炭異常值等值線圖

4 結束語

圖6 火區(qū)分布平面圖

（1）以活性炭測氡法探測結果作為依據(jù)打鉆探孔，經(jīng)測量火區(qū)內(nèi)鉆探孔孔底溫度為高溫孔，驗證了活性炭測氡法探測火源位置的準確性。（2）活性炭測氡法探測結果能為制定“監(jiān)測火情、井上下堵漏、地面（井下）注液態(tài)CO2、地面鉆孔灌漿滅火”的滅火方案，提供可靠依據(jù)。

[1] 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用[J].中國煤炭，2006,32（9）：37-39.

[2] 郎文霞,劉鴻福.活性炭測氡法在活斷層探測中的應用[J].山西煤炭,2012,32(5）：67-68.

[3] 劉敦旺,劉鴻福,張新軍.活性炭測氡法在煤礦采空區(qū)探測中的應用[J].勘探地球物理進展，2009,32（3）:220-223.

[4] 陶正章.地球化學找礦[M].北京:地質(zhì)出版社,1981.

[5] 邱元德,童運福.活性炭測氡法的特點[J].核技術,1996,9(19):554.

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[9] 張新軍.基于單片機的活性炭測氡儀的研制[D].太原:太原理工大學，2004.

[10] 劉敦旺,劉鴻福,張新軍.活性炭測氧法在煤礦采空區(qū)探測中的應用[J].勘探地球物理進展.2009,32(3):220-223.