活性炭測(cè)氡法在煤礦火區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用——以黃白茨煤礦為例

陳達(dá)蔚

（寧夏回族自治區(qū)煤田地質(zhì)局，寧夏 銀川750002)

0 引言

地下煤層自燃形成的火區(qū)是礦井五大災(zāi)害之一，其火源隱蔽、不易撲滅。火區(qū)的存在：一方面消耗了大量的煤炭資源，造成資源浪費(fèi)；另一方面影響礦井的安全生產(chǎn)，形成安全隱患；與此同時(shí)，煤礦火區(qū)內(nèi)往往存在空氣污染大、植被退化、水資源污染等現(xiàn)象，生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞。因此，火區(qū)治理迫在眉睫。如何高效、準(zhǔn)確地探測(cè)火區(qū)范圍，是亟待解決的關(guān)鍵所在。

1 活性炭測(cè)氡法方法原理

測(cè)氡方法有很多種，但是并不是所有的方法都可以進(jìn)行地下火源的探測(cè)。從測(cè)量時(shí)間上可分為三種：累積測(cè)氡法、連續(xù)測(cè)氡法和瞬時(shí)測(cè)氡法。目前最常用的固體徑跡蝕刻法、α杯法、雙濾膜法和活性炭法等。相較于其他幾種測(cè)氡方法，活性炭測(cè)氡法作為一種靜態(tài)、累積的氡氣測(cè)量方法，無論從短期勘探還是長期監(jiān)測(cè)角度而言，都能體現(xiàn)出它的優(yōu)點(diǎn)[1]：靈敏度高、精度高，能夠更加真實(shí)的反映實(shí)際的地質(zhì)現(xiàn)象；抗干擾能力強(qiáng)，有效的提高了測(cè)氡的數(shù)據(jù)質(zhì)量；探測(cè)深度達(dá)；操作簡(jiǎn)便且價(jià)格低廉。

氡是非極性單原子分子，活性炭是一種非極性的強(qiáng)吸附劑，其孔隙比較發(fā)育，堆積密度低，比表面積為500～1700m2/g，比容積為0.15～0.90cm3/g，故活性炭有很強(qiáng)的吸附能力[2]。

活性炭測(cè)氡的原理是：由于影響活性炭測(cè)氡的因素比較多，尤其是考慮到濕度對(duì)活性炭活性的影響，專門設(shè)計(jì)了活性炭吸附器（見圖1）。將活性炭吸附器埋置于地下一定深度，通過試驗(yàn)確定活性炭所吸附氡量達(dá)到最大值即與周圍環(huán)境中的氡濃度達(dá)到一個(gè)相對(duì)平衡。取出活性炭吸附器，運(yùn)用專門的γ能譜測(cè)量?jī)x測(cè)量γ總計(jì)數(shù)，從而確定氡氣濃度值的高低[3]。

圖1

2 施工工藝

1）準(zhǔn)備工作：在使用前首先將活性炭和硅膠用高溫進(jìn)行烘烤，去掉水分，冷卻后按適量標(biāo)準(zhǔn)裝入吸附器中，并用硅膠塞口防止地下濕氣的影響，然后密封待用；

2）挖坑：在每個(gè)測(cè)點(diǎn)上挖掘深40cm，直徑適合放置探杯的探坑，坑的底部一定要平；

3）埋杯：將集氣杯(集氣杯是一個(gè)杯底有圓孔的塑料杯)倒置于坑中，將吸附器塞進(jìn)集氣杯底部的圓孔中，平穩(wěn)地放在坑中，蓋上塑料布并用土密封住坑口；

4）測(cè)量：埋杯一定時(shí)間后(一般情況為5天)，儀器中設(shè)置好相應(yīng)的線號(hào)和點(diǎn)號(hào)，取出探杯，將活性炭杯放入儀器中進(jìn)行測(cè)量；

5）記錄數(shù)據(jù)：每分鐘測(cè)量時(shí)間到后，儀器自動(dòng)將數(shù)據(jù)記錄在存儲(chǔ)器中。3分鐘時(shí)間到后，儀器將點(diǎn)號(hào)自動(dòng)加1，可繼續(xù)下一點(diǎn)的測(cè)量；

6）傳輸數(shù)據(jù)：測(cè)量工作完成后，可將儀器中的數(shù)據(jù)通過串行口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中；

7）資料整理：將測(cè)量到的數(shù)據(jù)根據(jù)需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚砗?，可以繪制所需的剖面圖、立體圖等圖件。

3 實(shí)例應(yīng)用與探測(cè)結(jié)果分析

黃白茨煤礦開采年代較長且為多層開采，采后地面變形，形成地面裂縫，致使采空區(qū)內(nèi)的煤柱和殘留煤炭發(fā)生氧化，由于煤的熱容量較大，而熱傳導(dǎo)率低，所以煤層在不斷的氧化過程中，溫度也不斷的增高，當(dāng)溫度達(dá)到一定程度后，煤層就會(huì)自燃；同時(shí)采空區(qū)內(nèi)良好的通風(fēng)也是煤層燃燒較好的供養(yǎng)條件。黃白茨煤礦火區(qū)的發(fā)展歷史已經(jīng)有幾十年，受井下開采、地面剝挖等因素的影響，使得黃白茨煤礦的火區(qū)范圍不斷的變化。

根據(jù)黃白茨煤礦給出的研究范圍確定：基本網(wǎng)度為20m×20m，即線距20m，點(diǎn)距20m。共布設(shè)物探測(cè)線37條，測(cè)點(diǎn)922個(gè)，測(cè)線長度760～230m，測(cè)線總長度為17.78km。

對(duì)采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的整理、處理與解釋后，圈定出黃白茨煤礦火區(qū)范圍如圖2[3]所示。共查明火區(qū)5塊，火區(qū)總面積0.19km2。在研究區(qū)內(nèi)，共布設(shè)4個(gè)驗(yàn)證孔，其中2個(gè)布設(shè)在異常區(qū)，測(cè)溫值分別為320℃和78℃；2個(gè)布設(shè)在正常區(qū)，測(cè)溫值分別為27℃和35℃。鉆探驗(yàn)證表明，通過活性炭測(cè)氡法圈定出的火區(qū)范圍準(zhǔn)確。

4 結(jié)論

實(shí)踐證明，運(yùn)用活性炭測(cè)氡法可以確定火區(qū)的準(zhǔn)確位置、形態(tài)及面積，可以為煤田滅火設(shè)計(jì)及施工提供重要依據(jù)。同時(shí)，該方法在實(shí)際應(yīng)用中也存在不足之處，即：僅利用活性炭測(cè)氡法還無法有效確定燃燒煤層及層數(shù)；建議根據(jù)地形地質(zhì)條件采用其他有效方法進(jìn)行輔助勘探，以確定垂向上的燃燒煤層和層數(shù)。

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［1］張新軍,劉鴻福.野外活性炭測(cè)氡法實(shí)驗(yàn)研究[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào),2004,3(35)：304-306.

［2］劉鴻福,等.白春明.煤炭自燃區(qū)上部地氣氡分布規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究[J].中國地球物理年會(huì)年刊,1994.

［3］陳達(dá)蔚.烏達(dá)礦區(qū)上覆火區(qū)測(cè)氡法探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用研究項(xiàng)目[R].銀川：寧夏煤田地質(zhì)局,2013：9-52.