应用同位素测氡技术探测煤矿井下自燃火源

一、前 言 煤矿自燃火灾给煤矿生产和资源带来巨大的危害和经济损失。据统计我国煤矿自燃火灾95%以上是发生在采空区并为人们不能直视或到达的地点。由于井下地质条件及采空区等处特殊条件的限制，人们不能准确确定地下火源的位置与范围，也就难以采取灭火措施，只能用大包围的办法灭火，不仅消耗大量的人力、物力、财力，而且还难以根治。因此对采空区火源位置进行准确、有效的探测就显得优为重要。 二、嘉乐泉煤矿火区概况 嘉乐泉煤矿副井井筒附近的古窑火区从发现至2000年已有10年之久，中间曾治理过多次，但都未能彻底根治。99年以来距副井口45m处井壁温度逐渐升高，最高达160℃，严重威胁矿井安全生产。99年5月发现料石被烤酥，支护强度降低，后采取措施对高温区进行加固。7月3日在地面打成一钻孔向副井筒周围灌浆，井壁温度降到80℃。7月13日发现有6米长的料石垮落在金属网上，支架变形，并在距井筒壁200mm处发现有微量的一氧化炭涌入井下，浓度为200ppm。同时在原地面钻孔观测，测得CO浓度为4000ppm，说明原采空区存在火区。经研究决定，首先摸清火区范围、火源位置及发展趋势，在此基础上再选择科学的灭火方法。为准确测定火源的位置和范围，采用了山西矿院安全研究所研究的同位素测氡法。 三、探测原理 自然界及煤岩地层中，存在着三个天然放射系即铀、钍、锕系。这些放射性元素的半衰期均很长，在7.04×108～1.4×108年之间,故能作为母体核素广泛存在土壤、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，以其特殊的地球化学性质被广泛应用研究地震、火山喷发等地球动力现象中。 在铀衰变过程中，可衰变成其子元素——放射性元素氡，同时放出α射线,通过 测量α粒子的浓度,即可测定相应的氡气浓度值。由于地层岩性及地质构造不同，在同一地区不同岩层或同一岩层的不同层位，放射性元素的含量也大不相同，其衰变产物从地下向地上迁移的浓度及速率也大不一样。当地下存在热源时，由于地下火区所产生的温度、湿度、压力等的变化，氡及其同位素向上迁移的速率，均比地质条件相近、地下无热源时氡及其同位素迁移速率快。所以，采空区处燃区顶部的氡气浓度均高于无热源区的氡气浓度。通过采取合适的方法测量氡气浓度的变化来测出异常变化区域，就可定出地下采空区火源的位置。 四、探测方法 测氡的方法有多种，在测量时间上分为微分法和积分法，在仪器方面分为α杯法、活性炭法、热释光法等。本次嘉乐泉煤矿火区探测采用的是α杯积分法测量的方法。 4.1 测量仪器及工艺 测量仪器选用CD—1α杯测氡仪，该仪器灵敏度高，其探头为电离式，将氡子体电离，其结果显示为cpm（每分钟计数率），定时有1min、3min、5min等，一般先用3min。该仪器体积小、重量轻、操作简便，其缺点是防震效果差。 与测氡仪配套使用的是α杯，，利用氡易与吸附性好的物质吸附的原理由高吸附材料制成，该杯探测面积大为12×8cm。 实测时，按预先布置好的测点一般点距为20m×20m、15m×15m、10m×10m等，在每一测点挖40～50cm的坑布置探杯,其顶部要用塑料布覆盖,4h后取出立即置入探测仪进行测量,定时为3 min,记下读数,如发现测值异常需增补测点时,随时进行增补。 4.2 测场布置 4.2.1 副井井筒测场布置 根据实际情况，该测场起始位置为副井井筒第一个躲避峒室，向井筒方向延伸100m，以井筒为中线向井筒两侧各延伸20m；包括增补测点共布69个点 。点距10 m ×10 m，控制面积4200 m2，整个测场方位与副井筒相同为NE10°。 4.2.2 主井工业广场测场布置 根据实际情况，该测场起始线为在选煤楼立桩，向南延伸20 m，点距为4m ×4 m，共布测点21个，控制面积控制面积192 m2，测场方位与主井井筒相同为NE10°。 五、探测结果分析 将野外所测结果应用专用软件包进行处理，可得到测值、异常、趋势面立体图及相对应的等值线图，从而得出副井和主井周围的火区分布平面图(见图一、图二)。 图1 副井筒火区分布平面图 图2主井周围的火区分布平面图 火区结果分析为： 1、 在测区内有5个高温火源点。 2、 A区距第1个躲避峒室20m左右，且与小窑火区相连。 3、B区、C区、D区距第1个躲避峒50～60m左右，有高温点存在。 4、E区在井筒东侧，为一高温氧化区，距井筒10～20m。 嘉乐泉煤矿根据得出的火区分布平面图，制订了科学的综合灭火方案，通过对副井筒进行喷浆以及采用水泥粉煤灰凝胶灭火，准确有效地对井下采空区的高温点进行了灭火，取得了较好的效果和经济效益。实施灭火方案后，通过观测孔发现火区内的CO、CO2、CH4及温度的变化量均已降到《煤矿安全规程》规定范围之内，实践证明：同位素测氡法在探测地下火源的位置和范围方面，是准确的、有效的。 信息来源于：中煤网