活性炭测氡法在平朔井工二矿小窑采空区自燃火源探测中的应用

2014-07-25 04:00:22李正东吴玉国

山西煤炭 2014年11期

李正东，吴玉国，刘硕

（1.中煤平朔集团有限公司井工二矿，山西朔州036000；2.太原理工大学矿业工程学院，太原 030024）

氡气为放射性惰性气体，广泛用于寻找石油、矿藏勘查、煤矿安全等领域[1]。利用测氡技术，可在地表探测出井下自燃火源位置和范围。目前可用的测氡方法有：同位素法、活性炭法、热释光法、半导体测量仪器法等[2-4]。煤矿采空区高温异常区等隐蔽火源位置及范围的确定，直接关系着今后火区治理中打钻定位、灌浆灭火等工艺的效果。因此火源探测结果的精确性，在煤矿火区治理中占有重要位置。平朔井工二矿4号9号煤层由于采空区遗煤导致自燃，严重影响该区域下部11号煤工作面布置和安全生产。因此运用活性炭测氡法，探测其火源的精确位置，并提出对应的治理方案，以保障11号煤的安全生产。

1 平朔二号井火区概况

平朔集团井工二矿的设计生产能力10.0 Mt/a，主要可采煤层为4号、9号、11号，均为自燃或易自燃煤层。目前，矿井4号9号煤层基本采空，将进入11号煤层开采。11号煤层厚度0.95～9.77 m、平均4.7 m，其与上覆的9号煤层间距平均7.78 m。由于井田东部特别是现采的29211工作面以东区域9号煤，大部分为原小窑开采区域（由于9号煤平均厚度12.39 m，采空区遗煤较多）为自燃煤层，在地表漏风作用下，小窑采空区出现不同程度的煤层自燃，导致冻结了该区域的9号煤储量。由于上述火区的存在，严重影响该区域下部11煤工作面的布置和安全生产。

2 活性炭测氡法探测火源位置的原理及优点

1）活性炭为多孔隙结构，拥有高达700～1 600 m2/g的比表面积，具有很强的吸附能力。活性炭作为非极性吸附剂特别对对氡等非极性单原子分子有很高的吸附能力[5-7]。由于煤岩中天然氡有随温度升高析出率增加的特性[8]，活性炭测氡法是一种静态累积测氡技术，通过测量活性炭吸附的氡及其子体衰变过程中γ射线强度反映氡的浓度。经过一系列数据分析处理方法，可以给出火源位置、范围、发展趋势[9-10]。

2）活性炭测氡法（同其他测氡技术相比）有以下优点：①活性炭吸附法和α杯法一样，同属累积测量方法，且活性炭埋置时间长达5 d左右，能较好地反映火区造成的微弱的地表氡异常，是种理想的测氡方法。②该方法采用埋置活性炭进行累积测量，克服了地表大气压、温度、湿度等外界及氡气运移阵发性的影响，累计一段时间的平均氡浓度，可较好反映地下氡异常情况。③该方法实现氡的静态累积测量、无源、布样方便、可重复测量和使用，适合大规模的氡气调查。可在现场也可在室内测量，现场取回样品在室内测量、仪器可以连续工作，探测效率高。④该方法埋设活性炭时，加硅胶吸收土壤中的水分，克服了湿度对活性炭吸附氡及其子体的影响。在室内测试时，不受室外温度对仪器的影响，不受冬季低温的限制。

3 活性炭测氡法在井工二矿的应用

1）探测仪器：采用本课题组自行开发的TYHC-1活性炭测氡仪进行。它有轻便、耐用、耗电少、全自动化操作简单易学、稳定性能良好、内部结构精细灵敏度高、与计算机连接简便等特点。对于地质环境复杂、地势险要、探测面积大的野外勘查工作，大大提高了工作的效率、降低了操作人员的工作量。自行开发的软件能够进行数据校正分析和处理功能。

2）测场的选择及测点布置：根据地面和井下的调查情况，以及目前探明的小窑巷道布置情况，分析可疑的火区范围时，需在该范围内采用测氡法进行地面探测，设计探测面积1 089 900 m2，测点基本点距20 m×20 m，探测测点2 750个。测场及测点布置见图1。

图1 测点布置图

3）室内测量：待埋杯时间达到预定时间后，取出采样器，认真填写取样时间和当时气候等状况。将采样器放入检验和标定好的活性炭测氡仪，同时记录每个采样器的线号和点号。测量全部完成后，对数据根据当时情况进行校正提取。在现场具体实施中，还要对某些采样点和氡值异常点进行必要的重测和验证取样，以保证探测结果的可靠性。

4）数据分析和处理：将野外所测的活性炭数据，采用CDTH专用软件包进行处理可得测值、异常值立体图及相对应的等值线图（图2-图5）；再经综合分析，得出火区分布平面图（见图6）。①在测场内探明温度异常区1个，面积约10 206 m2，火区中心距29212工作面辅运顺槽约90 m，长轴方向约145 m，短轴方向约85 m。②活性炭探测数据显示氡异常值100～600CPM（活性炭测氡仪显示的每分钟计数），并经过综合分析确定该异常区为高温氧化区，火势发展方向为近北东方向。③建议对物探探测结果，从井下或地面进行钻探验证。