應用同位素測氡技術探測煤礦井下自燃火源

摘 要 簡要介紹了同位素測氡技術的原理、工藝以及在嘉樂泉煤礦井下自燃火源探測中的應用、效果。

關鍵詞 測氡技術；火源探測；防滅火

一、前 言 煤礦自燃火災給煤礦生產和資源帶來巨大的危害和經濟損失。據統(tǒng)計我國煤礦自燃火災95%以上是發(fā)生在采空區(qū)并為人們不能直視或到達的地點。由于井下地質條件及采空區(qū)等處特殊條件的限制，人們不能準確確定地下火源的位置與范圍，也就難以采取滅火措施，只能用大包圍的辦法滅火，不僅消耗大量的人力、物力、財力，而且還難以根治。因此對采空區(qū)火源位置進行準確、有效的探測就顯得優(yōu)為重要。

二、嘉樂泉煤礦火區(qū)概況

嘉樂泉煤礦副井井筒附近的古窯火區(qū)從發(fā)現(xiàn)至2000年已有10年之久，中間曾治理過多次，但都未能徹底根治。99年以來距副井口45m處井壁溫度逐漸升高，最高達160℃，嚴重威脅礦井安全生產。99年5月發(fā)現(xiàn)料石被烤酥，支護強度降低，后采取措施對高溫區(qū)進行加固。7月3日在地面打成一鉆孔向副井筒周圍灌漿，井壁溫度降到80℃。7月13日發(fā)現(xiàn)有6米長的料石垮落在金屬網上，支架變形，并在距井筒壁200mm處發(fā)現(xiàn)有微量的一氧化炭涌入井下，濃度為200ppm。同時在原地面鉆孔觀測，測得CO濃度為4000ppm，說明原采空區(qū)存在火區(qū)。經研究決定，首先摸清火區(qū)范圍、火源位置及發(fā)展趨勢，在此基礎上再選擇科學的滅火方法。為準確測定火源的位置和范圍，采用了山西礦院安全研究所研究的同位素測氡法。

三、探測原理

自然界及煤巖地層中，存在著三個天然放射系即鈾、釷、錒系。這些放射性元素的半衰期均很長，在7.04×10⁸_～1.4×10⁸年之間,故能作為母體核素廣泛存在土壤、巖石、煤系等介質中。其中鈾系的衰變產物氡屬放射性惰性氣體，以其特殊的地球化學性質被廣泛應用研究地震、火山噴發(fā)等地球動力現(xiàn)象中。

在鈾衰變過程中，可衰變成其子元素——放射性元素氡，同時放出α射線,通過 測量α粒子的濃度,即可測定相應的氡氣濃度值。由于地層巖性及地質構造不同，在同一地區(qū)不同巖層或同一巖層的不同層位，放射性元素的含量也大不相同，其衰變產物從地下向地上遷移的濃度及速率也大不一樣。當?shù)叵麓嬖跓嵩磿r，由于地下火區(qū)所產生的溫度、濕度、壓力等的變化，氡及其同位素向上遷移的速率，均比地質條件相近、地下無熱源時氡及其同位素遷移速率快。所以，采空區(qū)處燃區(qū)頂部的氡氣濃度均高于無熱源區(qū)的氡氣濃度。通過采取合適的方法測量氡氣濃度的變化來測出異常變化區(qū)域，就可定出地下采空區(qū)火源的位置。

四、探測方法

測氡的方法有多種，在測量時間上分為微分法和積分法，在儀器方面分為α杯法、活性炭法、熱釋光法等。本次嘉樂泉煤礦火區(qū)探測采用的是α杯積分法測量的方法。

4.1 測量儀器及工藝

測量儀器選用CD—1α杯測氡儀，該儀器靈敏度高，其探頭為電離式，將氡子體電離，其結果顯示為cpm（每分鐘計數(shù)率），定時有1min、3min、5min等，一般先用3min。該儀器體積小、重量輕、操作簡便，其缺點是防震效果差。

與測氡儀配套使用的是α杯，，利用氡易與吸附性好的物質吸附的原理由高吸附材料制成，該杯探測面積大為12×8cm。

實測時，按預先布置好的測點一般點距為20m×20m、15m×15m、10m×10m等，在每一測點挖40～50cm的坑布置探杯,其頂部要用塑料布覆蓋,4h后取出立即置入探測儀進行測量,定時為3 min,記下讀數(shù),如發(fā)現(xiàn)測值異常需增補測點時,隨時進行增補。

4.2 測場布置

4.2.1 副井井筒測場布置

根據實際情況，該測場起始位置為副井井筒第一個躲避峒室，向井筒方向延伸100m，以井筒為中線向井筒兩側各延伸20m；包括增補測點共布69個點 。點距10 m ×10 m，控制面積4200 m²，整個測場方位與副井筒相同為NE10°。

4.2.2 主井工業(yè)廣場測場布置

根據實際情況，該測場起始線為在選煤樓立樁，向南延伸20 m，點距為4m ×4 m，共布測點21個，控制面積控制面積192 m²，測場方位與主井井筒相同為NE10°。

五、探測結果分析