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煤炭自燃火災(zāi)一直是我國(guó)煤礦的重大災(zāi)害之一,給國(guó)家和礦井帶來(lái)了極大的危害經(jīng)濟(jì)損失,嚴(yán)重于擾了礦井的正常生產(chǎn)秩序。內(nèi)蒙古烏達(dá)煤田是全國(guó)最大的自燃火區(qū)。據(jù)統(tǒng)計(jì),共有火區(qū)29處,總面積達(dá)307.6萬(wàn)m2,已損失煤炭資源1150萬(wàn)t,價(jià)值達(dá)1.2億元。五虎山煤礦位于烏達(dá)礦區(qū)南部,年產(chǎn)150萬(wàn)t,共有可采煤層14層,其中1#~12#煤在井田西部均出露地表。從1982年以來(lái),小煤窯的濫采亂挖造成多個(gè)煤層露頭及淺部塌陷區(qū)自然發(fā)火,并且逐步向煤層深部蔓延。2003年2月,五虎山煤礦布置404工作面開(kāi)采4#煤層,404工作面上部為1#、2#煤層采空區(qū),在404采煤工作面開(kāi)切眼冒頂處發(fā)現(xiàn),冒落巖石有溫?zé)岣校袛嗌细?#煤采空發(fā)火。在這種條件下,如何對(duì)工作面開(kāi)采部署提出了新的難題,而解決這一難題的關(guān)鍵是查明火源位置。
為了給五虎山煤礦404工作面安全回采及制訂安全技術(shù)措施提供科學(xué)依據(jù),由太原理
工大學(xué)和五虎山煤礦共同對(duì)404工作面應(yīng)用地面同位素測(cè)氡技術(shù)進(jìn)行火源探測(cè)。
1火原位置探測(cè)原理
自然界廣泛存在著3個(gè)天然放射系列,即鈾系列、釷系列和錒系列。因其半衰期長(zhǎng),故能作為母體核素存在于巖石、土壤、煤系等介質(zhì)中,鈾、釷、錒經(jīng)過(guò)一系列衰變均產(chǎn)生一個(gè)在常溫常壓下氣溶膠態(tài)形式存在的放射性核素氡(Rn),其半衰期最長(zhǎng),故將氡作為信息來(lái)研究地球動(dòng)力現(xiàn)象和輻射危害。
氡為放射性同位素,其衰變的子體為固體粒子,主要指的是鈾系的衰變體Rn-222以及它的衰變子體,在測(cè)量時(shí)既可測(cè)氡氣,又可測(cè)其子體來(lái)反映母體核素的形態(tài)及變化狀況。氡子體有很強(qiáng)的吸附能力,它們能牢固地附著在器物的表面,因此可將氡或其子體收集進(jìn)行測(cè)量。
氡氣由地下向上遷移,是以對(duì)流為主的垂直移動(dòng),當(dāng)?shù)叵聹囟取毫Πl(fā)生變化時(shí),如煤層自燃產(chǎn)生的高溫高壓,將會(huì)使氡氣由下向上運(yùn)移的速率增加。這樣,在火區(qū)的氡氣的濃度值將高于未燃前非火區(qū)的氡氣濃度值。總之,當(dāng)其它條件相近而地下有煤層自燃存在熱源時(shí),氡氣向上運(yùn)移的速率和數(shù)量將大大增加,就會(huì)在發(fā)熱區(qū)上方產(chǎn)生一定的氡氣濃度差異,故能用測(cè)氡法間接的描述氡濃度的變化,以此精確確定地下火區(qū)的位置和范圍。
2探測(cè)方法
隨著核電子的技術(shù)的不斷發(fā)展,測(cè)氡手段也不斷改進(jìn)。根據(jù)探測(cè)原理可分為α杯法、α卡法、活性炭法、熱釋光法以及徑跡蝕刻法、釙量測(cè)量等。根據(jù)探測(cè)工藝,可分為瞬時(shí)測(cè)氡法和累積測(cè)氡法兩大類(lèi)。各種方法依據(jù)不同的條件及探測(cè)精度,可同時(shí)使用或單獨(dú)使用。目前,火源探測(cè)常用的方法是α杯累積測(cè)氡法,探測(cè)器為電離型,具有操作簡(jiǎn)便、重量輕、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。
2.1測(cè)場(chǎng)布置
根據(jù)實(shí)示情況,上五虎山煤礦給出初始測(cè)場(chǎng)及各邊界點(diǎn),南北沿工作面運(yùn)輸巷方向長(zhǎng)約810m,東西長(zhǎng)180m,共布715個(gè)測(cè)點(diǎn),點(diǎn)距15m×15m,總探測(cè)面積145800m2,測(cè)場(chǎng)布置示意如圖5。
2.2探測(cè)杯埋設(shè)
在每個(gè)編號(hào)測(cè)點(diǎn)上,挖寬30cm、深40~60cm的坑,將探杯口朝下放入,上面用塑料布覆蓋,然后用土掩埋,同時(shí)記錄時(shí)間,點(diǎn)號(hào)等。
2.3測(cè)量
探測(cè)杯埋入深坑內(nèi)4h以后,即氡衰變達(dá)到放射性平衡狀態(tài),將探杯取出,立即放入儀器進(jìn)行測(cè)量,定時(shí)3min。記下讀數(shù)。
3探測(cè)結(jié)果分析
將野外實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)應(yīng)用探火數(shù)據(jù)外理軟件(CDTH)進(jìn)行處理可得出火區(qū)分布平面圖。圖1、圖2為測(cè)值立體圖及相應(yīng)等值線圖,圖3、圖4為異常值為立體圖及相應(yīng)等值線圖,以此可得出“五虎山煤礦404工作面自燃火源探測(cè)平面圖”如圖5所示:
圖1測(cè)值立體圖
(1) 在測(cè)場(chǎng)范圍內(nèi)有Ⅰ、Ⅱ2個(gè)高溫異常區(qū);
(2) Ⅰ區(qū)內(nèi)A為一高溫氧化區(qū),距回風(fēng)巷約60~80m,距切眼約0~35m,發(fā)展方向NE;
(3) Ⅱ區(qū)為一個(gè)高溫氧化區(qū)C,距運(yùn)輸巷約0~45m,距西風(fēng)井保安煤柱南邊約0~30m,發(fā)展方向?yàn)镹W。