測氡法在隱蔽火源探測中的應用

王　剛　侯世占　張永明　祝海鋒

(1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司;2.中煤科工集團北京華宇工程有限公司)

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測氡法在隱蔽火源探測中的應用

王剛1侯世占2張永明1祝海鋒1

(1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司;2.中煤科工集團北京華宇工程有限公司)

摘要根據(jù)氡氣產(chǎn)生原理可探測煤層高溫異常區(qū)域、火區(qū)位置、火區(qū)范圍，采用RAD-7型測氡儀對公烏素煤業(yè)公司011604工作面上覆9#火區(qū)隱蔽火源點進行了探測，并用surfer8.0軟件對探測數(shù)據(jù)進行后期處理，確定了9#煤層小窯火區(qū)的高溫異常區(qū)域，提高了火區(qū)治理的效果。測氡法為煤礦火區(qū)治理提供了有效技術支持，具有廣泛的應用前景。

關鍵詞測氡法隱蔽火源氡氣濃度

礦井火災是煤礦五大災害之一，尤其是煤田火災。煤田火災具有火區(qū)面積大、不易治理、火源位置探測困難、火區(qū)治理成本高等特點[1-3]。煤層自燃火災一般發(fā)生于地下深處，人員無法靠近，加上火源的隱蔽性，使得自燃火源位置的精確探測成為煤田火災治理的一大難題，也是當前急需解決的難題。目前測氡法探測火源技術已經(jīng)成功應用于煤田隱蔽火源探測，為煤礦采取有針對性的治理措施提供了技術依據(jù)。

1測氡法原理

氡及其子體均為放射性元素，半衰期為3.825 d。煤層中氡的析出受礦物粒度、空隙度、氣壓、巖性、地應力、地下水及介質(zhì)溫度等因素影響。煤田火區(qū)中的煤炭自燃，造成一個高溫高壓的環(huán)境，并生大量的水蒸氣、一氧化碳等，自燃區(qū)頂部存在大量裂隙，將加快氡氣向上運移的速度，因此，能夠在地表形成較高的氡氣異常區(qū)域。另外，煤田火區(qū)中自燃煤炭及圍巖中存在著大量的孔，且不同程度地含有一定水分，熱蒸氣可改變巖石中孔隙的含水性。J．E．Gingrich所做的有關射氣系數(shù)實驗表明，孔隙水的存在可增加孔隙中的射氣系數(shù)。所以，煤田中熱蒸氣的作用可增大巖石孔隙中的氡射氣濃度[4-5]，利用這一原理測定氡氣濃度異常區(qū)域，確定隱蔽火源位置。

2工程應用

公烏素煤礦011604工作面走向長1 678 m，傾斜長310 m，面積為548 080 m2，煤層厚8.5 m，機采高度為2.4 m，放頂煤高度為6.1 m，采放比為1∶2.54。煤層傾角平均為18°，最大傾角為32°～35°，采用走向長壁后退式采煤法、綜合機械化放頂煤開采。公烏素煤礦011604工作面上覆9#煤層小窯火區(qū)于2009年和2010年進行剝挖，在剝挖過程中發(fā)現(xiàn)巷道煙霧和明火。由于剝離坑剝挖成本太高，礦方?jīng)Q定對9#煤層小窯火區(qū)隱蔽火源進行探測，小窯火區(qū)位置示意見圖1。

圖1　9#煤層小窯火區(qū)位置示意

測點布置選擇點距為10 m×10 m，測點范圍為目前剝離坑以南100 m和以東50 m范圍內(nèi)，總體呈L型，9#煤層小窯火區(qū)測氡點布置見圖2。每個測點測定5 min，測定完成后把數(shù)據(jù)錄入Excel表格中，然后采用sufer8.0軟件處理數(shù)據(jù)[6]。

圖2　測氡點布置示意

根據(jù)地表氡氣濃度測定結(jié)果，結(jié)合測點位置坐標，以233#點為(0，0)點，沿233、244～337連線作為X軸，沿233、211～198連線作為Y軸，氡值濃度的大小為Z軸，分別做出氡氣濃度等值線圖、氡氣濃度變化圖，見圖3～圖5。

圖3　氡氣濃度等值線

從圖3可以看出,等值線越密集的區(qū)域存在隱蔽火源的可能性大，可以針對這部分區(qū)域施工鉆孔進行驗證。

從圖4可以看出，凸起部分越高的區(qū)域與氡氣濃度等值線圖越密集的區(qū)域是對應的，凸起區(qū)域氡氣濃度達到600 Bq/m3以上，針對這部分區(qū)域施工鉆孔，觀測鉆孔的進出氣狀態(tài)，測定鉆孔孔底和孔口溫度，并對鉆孔取氣樣進行氣相色譜分析，根據(jù)分析結(jié)果采取有針對性的措施降低孔口溫度，直至降到30 ℃以下，氣樣分析中無CO氣體。

圖4　氡氣濃度表面

圖5　氡氣濃度線框

根據(jù)上述圖確定2個異常區(qū)域，特別是剝挖坑的西南側(cè)9#煤層巷道及對應坑底已觀測到明火，充分驗證了西南側(cè)區(qū)域氡探測結(jié)果的正確性，9#煤層小窯火區(qū)隱蔽火源探測結(jié)果見圖6(實心測點濃度在200 Bq/m3以上)。采用地面測氡法分析得到溫度異常分布情況，更多在于定性判斷高溫區(qū)域。為更準確指導火區(qū)治理方案，需對氡濃度異常區(qū)域(特別是東南側(cè))實施地面鉆探，通過測量孔內(nèi)溫度和氣體組分，進一步確定9#煤層小窯火區(qū)范圍[7-8]。

圖6　9#煤層小窯火區(qū)隱蔽火源探測結(jié)果

3結(jié)論

通過闡述氡氣產(chǎn)生機理，結(jié)合公烏素煤礦011604工作面上覆隱蔽火區(qū)情況，采用測氡儀進行氡氣濃度測定，運用專業(yè)軟件處理分析數(shù)據(jù)，最終確定了2個高溫異常區(qū)域，為火區(qū)治理節(jié)省了人力和物力。測氡法探測隱蔽火源受天氣影響較大，雨水天氣會影響氡氣濃度測定的準確性，需等地表完全干燥后再測定。

參考文獻

[1]張建明．中國地下煤火研究與應用[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社，2008．

[2]許滿貴，徐精彩，文虎．煤礦內(nèi)因火災防治技術研究現(xiàn)狀[J]．西安科技大學學報，2001，21(1)：4-7．

[3]鄧軍，徐精彩，阮國強．國內(nèi)外煤炭自然發(fā)火預測預報技術綜述[J]．西安科技大學學報，1999，19(4)：293-295．

[4]鄔劍明，高尚青．煤層自燃火區(qū)溫度檢測技術的研究與應用[J]．中國安全科學學報，2004(10)：34-38.

[5]趙耀江，鄔劍明.測氡探火機理的研究[J]．煤炭學報，2003(3)：45-48.

[6]梅國棟，王云海，劉璐.測氡法在探測淺埋煤層火源范圍中的應用[J].煤炭科學技術，2007(10)：42-45.

[7]金永飛，鄧軍，許延輝，等.測氡法探測地下煤火技術研究與應用[J].西安科技大學學報，2010(11)：648-650.

[8]蔡忠勇.關于煤田火區(qū)勘探問題的探討[J].西部探礦工程，2001(5)：133-134.

(收稿日期2016-01-25)

王剛(1975—)，男，工程師，博士研究生，110016 遼寧省沈陽市沈河區(qū)東濱路108號。