基于测汞法探测煤田火区原理及应用

王 刚

(1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122； 2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122)

地下煤火造成的灾害是在煤田利用和开发中形成的，煤层随着煤田大范围开拓并暴露出来，煤田火区范围呈现急速增长趋势。煤田火灾已经成为涉及资源保护、环境治理、经济发展、人口的问题，也是阻碍中国煤炭资源可持续开发与矿区可持续发展的重要议题[1]。煤田火区探测方法主要有磁法、电阻率法、测氡法、红外热成像法、遥感法等。磁法是利用含有菱矿或黄铁矿的煤在燃烧后生成磁性矿体，利用这一特性可以探测煤田火区高温异常区域，磁法探测只能在含有菱矿和黄铁矿的煤田火区中应用。电阻率法就是在地表测试断面各个位置电阻值的变化，然后比较未发火区和发火区电阻值的差异，从而判断自然发火点的区域与范围，这种方法受周围磁场作用会产生误差，导致错误判定火源位置。测氡法的本质是根据煤层和岩石中氡元素在煤田火区作用下产出率增强的特点，在地面采集氡气，然后采用数据处理软件生成氡浓度分布等值线图、氡浓度表面图，从而圈定火区高温异常区域。测氡法受火区岩石温度、岩石中是否含有水、火区上部岩石构造、火区压力变化等因素的影响，这些因素造成测氡数据异常，影响火区探测结果[2]。红外热成像法就是通过热成像仪把采集到热量信息通过A/D转换装置将热量信息转换成数字信息，这样测点的温度值就显示到仪器显示屏上，可以判断某一点或面的高温异常情况。项目组在研究大气中汞的价态转换过程、迁移机理时选取了矿区、市区、河边地区，通过在煤田火区测定汞浓度发现，测定气态汞浓度可以判定煤田火区高温区域[3]。项目组测定了五虎山煤矿10号火区下部011203工作面煤中的汞含量、10号火区地表气态汞浓度，通过上述实验验证了测汞法可以作为探测煤田火区的一种新方法，可以在受煤田火区影响的煤矿推广应用。

1 测汞法探测煤田火区的原理

半无限大介质是指一边有界而另一边无界的均匀多孔介质，计算坐标如图1所示。大地是典型的半无限大介质，可以讨论在大地半无限大介质表面的汞的迁移现象[4]。

图1 半无限介质计算坐标Fig.1 Calculative coordinate of semi-infinite medium

半无限大介质中的汞迁移现象属于一维现象，根据费克扩散定理和达西定理，介质中汞浓度分布的方程可以表示为：

(1)

边界条件x=0，c=c0，x=∞，c有界。

方程的解：

(2)

式中，c为介质中汞浓度；D为汞在介质中的扩散系数；v为介质中的渗流速度；η为孔隙度，孔隙度表示土壤的孔隙空间体积与土壤的外表体积的比值。

式(2)说明在半无限空间中汞浓度符合指数分布规律，而且与汞的扩散系数、孔隙度、渗流速度有关。

1.1 温度影响下的汞传递过程

把自燃的煤看作一个微元体，如图2所示。

图2 煤体能量守恒单元示意Fig.2 Analysis unit of coal conversation of energy

在单位时间内从微元体左侧dydz流入的热能为qxdydz，经右界面流出的热能为qx+dxdydz，则流入的净热能为(qx-qx+dx)dydz。固体在热传输时符合傅里叶定理，则热能可以表示为：

(3)

(4)

式(3)减去式(4)得到沿x方向静流量，见式(5)：

(5)

(6)

(7)

上述公式从传热传质学角度阐述了汞在温度影响下的迁移机理，汞受到高温加热下会转换成气态汞，通过汞分析测定煤田火区地表气态汞浓度，当火区燃烧越剧烈对应地表裂隙或煤田火区探测孔(观测孔)气态汞浓度越大，从而判定火区高温异常区域。

1.2 煤中汞的迁移机理

煤燃烧排放到大气环境中的汞有3种价态存在：Hg0、Hg2+和Hgp。汞的迁移转化过程如图3所示。煤燃烧后释放出的气态汞以气态形式释放出来；在催化氧化作用下形成汞化合物；在氯化作用下形成汞的氯化物；在吸附作用下形成汞的p+价化合物[5-6]。

图3 汞的迁移过程Fig.3 Migration of mercury

2 测试仪器原理

RA-915M汞分析仪应用高频调制的塞曼原子接收光谱技术，可以直接测定大气中汞含量，其操作原理如图4所示。光源(汞灯)置入恒磁体H内，汞的共振线λ、σ-、σ+，π可配备不同模块，实现固、液、气多种样品检测。光源(汞灯)置入永久磁场H内，汞的共振线λ=254 mm破裂成3个极化的塞曼组分(π，σ-，σ+)[7]。当光线沿磁场方向传播时，只有σ组分进入检测器[7]。其中σ-能够进入样品池，而σ+在样品池外通过。σ-与σ+组分差值与汞蒸气浓度成正比。RA-915M汞分析仪可以在实验室和室外使用，可实时监测钻孔中汞浓度。该仪器每秒获得1个数据，每10 s获得1个平均值，每个钻孔测试3 min，RA-915M测汞仪如图5所示[8-11]。

图4 RA-915M汞分析仪操作原理Fig.4 Operating principle of RA-915M mercury analyzer

图5 RA-915M汞分析仪Fig.5 RA-915M mercury analyzer

3 现场应用

3.1 10号火区概况

10号火区位于五虎山煤田西南，面积约504.1 km2，主要燃烧1号、2号、4号、6号和7号煤层。10号火区分为3个区域，分别为火Ⅰ区域、火Ⅱ区域、火Ⅲ区域，10号火区位置关系如图6所示。10号火区下部正在开采的工作面是011203工作面，10号火区与011203工作垂直距离约130 m，10号火区燃烧的7号煤层距离011203工作面垂直距离约95 m。因此，及时探测10号火区高温区域是非常必要的。项目组对10号火区进行了红外热成像扫描，如图7所示。通过对10号火区进行红外成像扫描，初步判断火区高温区域，对高温区域进行气态汞浓度测定，提高了火区的探测效率。

图6 10号火区位置关系Fig.6 Location relationship of No.10 fire area

图7 10号火区红外热成像Fig.7 Infrared thermal imaging of No.10 fire area

3.2 探测结果

项目组首先采集了五虎山煤矿011203工作面的煤样，10号火区地表原煤、燃烧的煤样，测试结果见表1。从表1数据可以看出，011203工作面煤中的汞含量最高，最大值达到316.50 ng/g，最小值达到176.80 ng/g。通过原煤和燃煤汞含量值比较，可以看出原煤燃烧后会有大量的汞释放出来，煤田火区中的煤燃烧后会以3种价态形式释放出来，使用测汞仪(型号为RA-915M)测定煤田火区气态汞浓度，就可以分析火区燃烧状况和燃烧区域。项目组测定了10号地表17-7-1号─17-7-11号(17-7-2号和17-7-6号塌孔)9个钻孔内的气态汞浓度，每个钻孔测试3 min，表1中所列浓度为汞浓度的平均值、最小值、最大值。现场测试如图8所示。把表2中各个钻孔坐标、对应钻孔的汞浓度输入模拟软件中进行拟合分析得到10号火区汞浓度表面图，如图9所示，10号火区汞浓度等值线如10所示。从图9可以看出，汞浓度越高的，对应区域显示凸起状态，对应10号火区火Ⅲ区域，实际探测结果10号火区温度也是最高的，图9汞浓度高的区域与汞浓度等值线是一一对应的。图10汞浓度等值线浓度越高的区域等值线越密集，汞浓度等值线最密集的区域也在10号火区火Ⅲ区域。通过气态汞浓度数据，还可以生成汞浓度线框图、汞浓度影像图，由于篇幅原因就不列出了。

图8 火区现场汞浓度测定仪Fig.8 On site mercury concentration tester in fire area

图9 汞浓度表面Fig.9 Surface of mercury concentration

图10 10号火区汞浓度等值线Fig.10 Mercury concentration contour in No.10 fire area

表1 煤中汞含量测试数据Tab.1 Test data for mercury content in coal

4 结论

(1)本文从传热传质学角度解释汞迁移过程，建立了半无限大介质和温度影响下汞迁移的数学模型，煤在受热条件下汞的价态转换过程，煤中汞在燃烧条件下转化为3种价态，分别为Hg0、Hg2+和Hgp。其中，Hg0会以气态形式释放出来，使用测定仪测定煤田火区中气态汞浓度，然后对汞浓度数据采用Surfer处理软件进行模拟分析，根据软件的模拟分析结果确定火区高温区域。

(2)阐述了测汞仪的测试原理和测试过程，并在五虎山煤矿10号火区进行了应用，为煤田火区探测开辟了一种新方法。

(3)测汞法探测煤田火区可以和红外热成像法结合起来应用，首先采用红外热成像法对煤田火区进行初步探测，然后采用测汞法进行精准探测，提高煤田火区探测的工作效率，此方法可以在其他受煤田火区影响的煤矿推广和应用。