同位素测氡法在浅煤层地质火源探测中的应用①

李斯昊 张景钢

(1.平朔煤业有限责任公司通风救护部,山西朔州 036002; 2.华北科技学院安全工程学院,北京东燕郊 101601)

同位素测氡法在浅煤层地质火源探测中的应用①

李斯昊1②张景钢2

(1.平朔煤业有限责任公司通风救护部,山西朔州 036002; 2.华北科技学院安全工程学院,北京东燕郊 101601)

本文主要介绍了同位素测氡法探测平朔公司井工一矿自燃火源位置,包括基本原理、探测方法、数据采集过程等方面内容,并且经过对数据的处理及分析,来探测到火源位置,然后根据探测结果,制定综合防灭火方案,分别采用均压通风、井下注氮、地面加强注三相泡沫和水泥粉煤灰等措施,并检验措施实施效果。关键词:火源探测;煤层自燃;测氡技术

0 引言

煤炭自燃是矿井的主要灾害之一。据统计,在我国开采煤层中,有 50%以上的矿井存在自然发火危险,每年因自燃火灾而封闭的工作面超过100个,大量的煤炭因火区而冻结;同时,因煤炭自燃而产生的有毒有害气体,还可能引起瓦斯、粉尘爆炸,严重危及井下人员的生命安全[1]。由于煤矿自燃火灾的火源隐蔽,给灭火工作带来困难,因此火源位置的确定是解决煤炭自燃问题的关键。

1 概述

平朔公司井工一矿 9004工作面为上窑采区最后一个工作面,走向长 1320m,倾向长 250m,面积 330000m2,煤层厚 13.1m,倾角 0°～4°。该面北邻安家岭露天矿保安煤柱,西邻 9003采空区,南为东翼大巷保护煤柱;其上部北部区域为矿联安家岭端帮矿 4#煤采空区。9004工作面采用综采放顶煤回采工艺,“U”型通风方式,工作面绝对瓦斯涌出量为 0.0288m3/min,煤层具有自燃倾向性,等级为Ⅱ级。该工作面推进到 48m,顶板初次来压,回风隅角 CO浓度达到 135ppm,井工一矿立即采取了均压、加快推进速度、注氮等措施,气体得到有效控制。当工作面推进到 73m,第 127～132号支架出现烟雾,顶板冒落的矸石出现高温的火炭,火势逐渐增大,回风巷 CO浓度在2000ppm以上。

经分析,CO气体来源于矿联公司端帮矿 4#煤采空区,由于采用综采放顶煤开采,上部 4#煤采空区引燃下部 9#层采空区。火源属于近距离煤层群上部采空区自燃火灾。由于上方采空区面积较大,火源位置不详,给灭火工作带来很大困难,为了给火区治理提供科学的依据,决定对工作面前方火情的进行探测,确定火区范围。为准确测定火源位置,我们采用了太原理工大学的同位素测氡法。

2 同位素测氡法基本原理

原子核内质子数和中子数之和称为核子数(A),凡质子数相等但核子数不等的核素称为同位素。质子数 Z>82的核素都是不稳定的,属于放射性核素。自然界中有些核素的原子核能自发地产生变化,从一个核素的原子核变成另一核素的原子核,并伴随放出射线,这种现象称为核变,常见的衰变类型有α衰变、β衰变、γ衰变。放射性核素在衰变时放出能量,其能量可作为信息被检测出来而反映地球体中核素含量及其活动形式与衰变类型,这就是核探测技术的基础。

自然界存在着三个天然放射系,即铀、钍、锕系,因其半衰期很长,故能作为母体核素广泛存在于土壤、岩石、煤系等介质中。其中铀系的衰变产物氡,属放射性惰性气体,它特殊的地球化学性质被广泛应用于评价地热资源、研究地震及火山喷发等地球动力现象[2]。而煤系地层中放射性元素的含量相对较高,其中铀、钍、锕等放射性元素经衰变后,均产生氡气、钍射气和锕射气,氡气的半衰期较长,且能从地下几十米甚至数百米的地方运移到地表。

氡作为放射性同位素,其衰变的子体为固体粒子,因此在测量时既可测氡气,又可测其子体而反映母体核素的形态及变化状况。氡子体有很强的吸附能力,它们能牢固地附着在器物表面。因此可用不同的方法将氡或其子体收集进行测量。

随温度的上升,煤样中的氡析出强度有显著的增加,且粒度越小,氡的析出量在相同温度下越大,当达到一定温度后趋势逐渐变缓。在同样的地质地层条件下,当地下煤层发生氧化升温或自燃时,其周围及上覆岩层中天然放射性氡的析出率增大。由于氡衰变时的离子交换作用,使其反映到地表而形成放射性异常,该异常可作为反映温度的信息而被检测出来,这就是同位素测氡法探测煤层自燃的原理。

煤层自燃时,温度和压力升高,氡气的运移数量和速度明显增加,因而在火区的上方就会形成氡气浓度相对的高值区。通过在地表测量氡气浓度的大小,就可圈定火区的范围,推断煤层的燃烧状况[3]。检测数据经过专用的计算机程序处理后,可得出火源位置及发展趋势。其探测深度可达 500m,理论研究可达 800～1200m,且能探测出高温氧化点。

3 地面探测

随着核电子学技术的不断发展,测氡手段也不断改进。常规的方法是使气样进入探测器后进行测量。地面测氡的主要方法是采用测氡的衰变子体所放出的α射线强度。根据探测原理可分为α杯法、α卡法、活性炭法、热释光法以及钋量测量、径迹蚀刻法等。各种方法依据不同的条件及探测精度,可同时使用或单独使用。井工一矿采用了 CD-1α杯积分法,探测器为电离型。此方法具有灵敏度高、累积时间可长可短、操作简便,使用灵活等特点。探测工艺如图 1所示。

图 1 探测工艺

3.1 测点布置

根据实际情况及井上下对照图,选取测场基准点,基准点设在端帮矿副斜井处,向东、向南延伸,向南 31个点,向东 39个点,形状为长方形方格网,然后在测场内按线、点距 10×10m,总共布置测点约 1209个,总探测面积约 114000m2。

3.2 探测杯埋设

该探测杯用高吸附材料制成,收集面积为 12×8cm2,在每个编号的测点上挖宽 30cm左右,深40～50cm左右的坑,将杯口朝下放入,上面用塑料布覆盖,然后用土掩埋,并记下点号、时间[4]。如图 2所示。

图 2 探杯埋设图

3.3 数据测量

探杯埋设4～10h后取出,置入CD-lα杯探测仪测量,测量时取 3min,记下读数及相应的基岩性质、时间等参数[5]。

4 探测结果分析

本次探测面积约 114000m2,将各探测点参数应用 CDTH专用软件包进行处理测值,异常值立体图 (见图 3)及相对应的等值线图 (见图 4)。根据火源探测结果得出了 9004工作面煤层自燃火源位置探测平面图;对平朔公司井工一矿 9004工作面自燃火灾进行了以下的分析[6]。

图 3 异常值立体图

图 4 异常等值线

1)在测场内探明温度异常区 1个,为高温氧化区,预计温度 120℃～170℃,面积约 1334m2,发展方向为北偏西方向。

2)温度异常区范围、位置、发展趋势如图 5所示。

图 5 9004工作面煤层自燃火源位置探测平面图所示

5 结语

平朔公司井工一矿根据源探测平面图、三维立体图及测量数据结果分析,确定了火区范围,制定了综合防灭火方案,采用了均压通风、井下注氮、地面加强注三相泡沫和水泥粉煤灰等措施,有效对高温点进行了灭火,取得了较好的效果。经检测,井下巷道有害气体浓度均降到了规程规定浓度以下。实践证明,用同位素测氡法探测自燃火源的方法是准确可靠的,探测结果为井工一矿安全回采提供了可靠的科学依据,对煤矿安全生产具有重要的意义和推广价值。

[1]赵耀江,邬剑明 .测氡探火机理的研究 [J].煤炭学报,2003,(3)

[2]彭飞,李建军 .测氡法探测煤层自燃火区[J].西部探矿工程,2007,(12)

[3]邬剑明,刘艳,周春山 .同位素测氡法在柳湾矿自燃火源位置探测中的应用 [J].中国煤炭,2006,(9)

[4]隋涛,潘越飞,邬剑明 .同位素测氡法探测火源位置在柴里煤矿火区治理中的应用[J].山西煤炭,2006,26(3):46-48

[5]林保政 .地面同位素测氡法在探测火区中的应用[J].西北煤炭,2005,3(4):25-27

[6]梅国栋,李元中,刘璐 .同位素测氡法在治理主井筒火区中的应用 [J].陕西煤炭,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,大学毕业,平朔通风救护部助理工程师,从事防灭火技术管理工作。