测氡法在隐蔽火源探测中的应用

王　刚　侯世占　张永明　祝海锋

(1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司;2.中煤科工集团北京华宇工程有限公司)



测氡法在隐蔽火源探测中的应用

王刚1侯世占2张永明1祝海锋1

(1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司;2.中煤科工集团北京华宇工程有限公司)

摘要根据氡气产生原理可探测煤层高温异常区域、火区位置、火区范围，采用RAD-7型测氡仪对公乌素煤业公司011604工作面上覆9#火区隐蔽火源点进行了探测，并用surfer8.0软件对探测数据进行后期处理，确定了9#煤层小窑火区的高温异常区域，提高了火区治理的效果。测氡法为煤矿火区治理提供了有效技术支持，具有广泛的应用前景。

关键词测氡法隐蔽火源氡气浓度

矿井火灾是煤矿五大灾害之一，尤其是煤田火灾。煤田火灾具有火区面积大、不易治理、火源位置探测困难、火区治理成本高等特点[1-3]。煤层自燃火灾一般发生于地下深处，人员无法靠近，加上火源的隐蔽性，使得自燃火源位置的精确探测成为煤田火灾治理的一大难题，也是当前急需解决的难题。目前测氡法探测火源技术已经成功应用于煤田隐蔽火源探测，为煤矿采取有针对性的治理措施提供了技术依据。

1测氡法原理

氡及其子体均为放射性元素，半衰期为3.825 d。煤层中氡的析出受矿物粒度、空隙度、气压、岩性、地应力、地下水及介质温度等因素影响。煤田火区中的煤炭自燃，造成一个高温高压的环境，并生大量的水蒸气、一氧化碳等，自燃区顶部存在大量裂隙，将加快氡气向上运移的速度，因此，能够在地表形成较高的氡气异常区域。另外，煤田火区中自燃煤炭及围岩中存在着大量的孔，且不同程度地含有一定水分，热蒸气可改变岩石中孔隙的含水性。J．E．Gingrich所做的有关射气系数实验表明，孔隙水的存在可增加孔隙中的射气系数。所以，煤田中热蒸气的作用可增大岩石孔隙中的氡射气浓度[4-5]，利用这一原理测定氡气浓度异常区域，确定隐蔽火源位置。

2工程应用

公乌素煤矿011604工作面走向长1 678 m，倾斜长310 m，面积为548 080 m2，煤层厚8.5 m，机采高度为2.4 m，放顶煤高度为6.1 m，采放比为1∶2.54。煤层倾角平均为18°，最大倾角为32°～35°，采用走向长壁后退式采煤法、综合机械化放顶煤开采。公乌素煤矿011604工作面上覆9#煤层小窑火区于2009年和2010年进行剥挖，在剥挖过程中发现巷道烟雾和明火。由于剥离坑剥挖成本太高，矿方决定对9#煤层小窑火区隐蔽火源进行探测，小窑火区位置示意见图1。

图1　9#煤层小窑火区位置示意

测点布置选择点距为10 m×10 m，测点范围为目前剥离坑以南100 m和以东50 m范围内，总体呈L型，9#煤层小窑火区测氡点布置见图2。每个测点测定5 min，测定完成后把数据录入Excel表格中，然后采用sufer8.0软件处理数据[6]。

图2　测氡点布置示意

根据地表氡气浓度测定结果，结合测点位置坐标，以233#点为(0，0)点，沿233、244～337连线作为X轴，沿233、211～198连线作为Y轴，氡值浓度的大小为Z轴，分别做出氡气浓度等值线图、氡气浓度变化图，见图3～图5。

图3　氡气浓度等值线

从图3可以看出,等值线越密集的区域存在隐蔽火源的可能性大，可以针对这部分区域施工钻孔进行验证。

从图4可以看出，凸起部分越高的区域与氡气浓度等值线图越密集的区域是对应的，凸起区域氡气浓度达到600 Bq/m3以上，针对这部分区域施工钻孔，观测钻孔的进出气状态，测定钻孔孔底和孔口温度，并对钻孔取气样进行气相色谱分析，根据分析结果采取有针对性的措施降低孔口温度，直至降到30 ℃以下，气样分析中无CO气体。

图4　氡气浓度表面

图5　氡气浓度线框

根据上述图确定2个异常区域，特别是剥挖坑的西南侧9#煤层巷道及对应坑底已观测到明火，充分验证了西南侧区域氡探测结果的正确性，9#煤层小窑火区隐蔽火源探测结果见图6(实心测点浓度在200 Bq/m3以上)。采用地面测氡法分析得到温度异常分布情况，更多在于定性判断高温区域。为更准确指导火区治理方案，需对氡浓度异常区域(特别是东南侧)实施地面钻探，通过测量孔内温度和气体组分，进一步确定9#煤层小窑火区范围[7-8]。

图6　9#煤层小窑火区隐蔽火源探测结果

3结论

通过阐述氡气产生机理，结合公乌素煤矿011604工作面上覆隐蔽火区情况，采用测氡仪进行氡气浓度测定，运用专业软件处理分析数据，最终确定了2个高温异常区域，为火区治理节省了人力和物力。测氡法探测隐蔽火源受天气影响较大，雨水天气会影响氡气浓度测定的准确性，需等地表完全干燥后再测定。

参考文献

[1]张建明．中国地下煤火研究与应用[M]．北京：煤炭工业出版社，2008．

[2]许满贵，徐精彩，文虎．煤矿内因火灾防治技术研究现状[J]．西安科技大学学报，2001，21(1)：4-7．

[3]邓军，徐精彩，阮国强．国内外煤炭自然发火预测预报技术综述[J]．西安科技大学学报，1999，19(4)：293-295．

[4]邬剑明，高尚青．煤层自燃火区温度检测技术的研究与应用[J]．中国安全科学学报，2004(10)：34-38.

[5]赵耀江，邬剑明.测氡探火机理的研究[J]．煤炭学报，2003(3)：45-48.

[6]梅国栋，王云海，刘璐.测氡法在探测浅埋煤层火源范围中的应用[J].煤炭科学技术，2007(10)：42-45.

[7]金永飞，邓军，许延辉，等.测氡法探测地下煤火技术研究与应用[J].西安科技大学学报，2010(11)：648-650.

[8]蔡忠勇.关于煤田火区勘探问题的探讨[J].西部探矿工程，2001(5)：133-134.

(收稿日期2016-01-25)

王刚(1975—)，男，工程师，博士研究生，110016 辽宁省沈阳市沈河区东滨路108号。