活性炭測氡法在平朔井工二礦小窯采空區(qū)自燃火源探測中的應(yīng)用

李正東，吳玉國，劉 碩

（1.中煤平朔集團(tuán)有限公司 井工二礦，山西朔州036000；2.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030024）

氡氣為放射性惰性氣體，廣泛用于尋找石油、礦藏勘查、煤礦安全等領(lǐng)域[1]。利用測氡技術(shù)，可在地表探測出井下自燃火源位置和范圍。目前可用的測氡方法有：同位素法、活性炭法、熱釋光法、半導(dǎo)體測量儀器法等[2-4]。煤礦采空區(qū)高溫異常區(qū)等隱蔽火源位置及范圍的確定，直接關(guān)系著今后火區(qū)治理中打鉆定位、灌漿滅火等工藝的效果。因此火源探測結(jié)果的精確性，在煤礦火區(qū)治理中占有重要位置。平朔井工二礦4號(hào)9號(hào)煤層由于采空區(qū)遺煤導(dǎo)致自燃，嚴(yán)重影響該區(qū)域下部11號(hào)煤工作面布置和安全生產(chǎn)。因此運(yùn)用活性炭測氡法，探測其火源的精確位置，并提出對(duì)應(yīng)的治理方案，以保障11號(hào)煤的安全生產(chǎn)。

1 平朔二號(hào)井火區(qū)概況

平朔集團(tuán)井工二礦的設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力10.0 Mt/a，主要可采煤層為4號(hào)、9號(hào)、11號(hào)，均為自燃或易自燃煤層。目前，礦井4號(hào)9號(hào)煤層基本采空，將進(jìn)入11號(hào)煤層開采。11號(hào)煤層厚度0.95～9.77 m、平均4.7 m，其與上覆的9號(hào)煤層間距平均7.78 m。由于井田東部特別是現(xiàn)采的29211工作面以東區(qū)域9號(hào)煤，大部分為原小窯開采區(qū)域（由于9號(hào)煤平均厚度12.39 m，采空區(qū)遺煤較多）為自燃煤層，在地表漏風(fēng)作用下，小窯采空區(qū)出現(xiàn)不同程度的煤層自燃，導(dǎo)致凍結(jié)了該區(qū)域的9號(hào)煤儲(chǔ)量。由于上述火區(qū)的存在，嚴(yán)重影響該區(qū)域下部11煤工作面的布置和安全生產(chǎn)。

2 活性炭測氡法探測火源位置的原理及優(yōu)點(diǎn)

1）活性炭為多孔隙結(jié)構(gòu)，擁有高達(dá)700～1 600 m2/g的比表面積，具有很強(qiáng)的吸附能力。活性炭作為非極性吸附劑特別對(duì)對(duì)氡等非極性單原子分子有很高的吸附能力[5-7]。由于煤巖中天然氡有隨溫度升高析出率增加的特性[8]，活性炭測氡法是一種靜態(tài)累積測氡技術(shù)，通過測量活性炭吸附的氡及其子體衰變過程中γ射線強(qiáng)度反映氡的濃度。經(jīng)過一系列數(shù)據(jù)分析處理方法，可以給出火源位置、范圍、發(fā)展趨勢(shì)[9-10]。

2）活性炭測氡法（同其他測氡技術(shù)相比）有以下優(yōu)點(diǎn)：①活性炭吸附法和α杯法一樣，同屬累積測量方法，且活性炭埋置時(shí)間長達(dá)5 d左右，能較好地反映火區(qū)造成的微弱的地表氡異常，是種理想的測氡方法。②該方法采用埋置活性炭進(jìn)行累積測量，克服了地表大氣壓、溫度、濕度等外界及氡氣運(yùn)移陣發(fā)性的影響，累計(jì)一段時(shí)間的平均氡濃度，可較好反映地下氡異常情況。③該方法實(shí)現(xiàn)氡的靜態(tài)累積測量、無源、布樣方便、可重復(fù)測量和使用，適合大規(guī)模的氡氣調(diào)查。可在現(xiàn)場也可在室內(nèi)測量，現(xiàn)場取回樣品在室內(nèi)測量、儀器可以連續(xù)工作，探測效率高。④該方法埋設(shè)活性炭時(shí)，加硅膠吸收土壤中的水分，克服了濕度對(duì)活性炭吸附氡及其子體的影響。在室內(nèi)測試時(shí)，不受室外溫度對(duì)儀器的影響，不受冬季低溫的限制。

3 活性炭測氡法在井工二礦的應(yīng)用

1）探測儀器：采用本課題組自行開發(fā)的TYHC-1活性炭測氡儀進(jìn)行。它有輕便、耐用、耗電少、全自動(dòng)化操作簡單易學(xué)、穩(wěn)定性能良好、內(nèi)部結(jié)構(gòu)精細(xì)靈敏度高、與計(jì)算機(jī)連接簡便等特點(diǎn)。對(duì)于地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、地勢(shì)險(xiǎn)要、探測面積大的野外勘查工作，大大提高了工作的效率、降低了操作人員的工作量。自行開發(fā)的軟件能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)校正分析和處理功能。

2）測場的選擇及測點(diǎn)布置：根據(jù)地面和井下的調(diào)查情況，以及目前探明的小窯巷道布置情況，分析可疑的火區(qū)范圍時(shí)，需在該范圍內(nèi)采用測氡法進(jìn)行地面探測，設(shè)計(jì)探測面積1 089 900 m2，測點(diǎn)基本點(diǎn)距20 m×20 m，探測測點(diǎn)2 750個(gè)。測場及測點(diǎn)布置見圖1。

圖1 測點(diǎn)布置圖

3）室內(nèi)測量：待埋杯時(shí)間達(dá)到預(yù)定時(shí)間后，取出采樣器，認(rèn)真填寫取樣時(shí)間和當(dāng)時(shí)氣候等狀況。將采樣器放入檢驗(yàn)和標(biāo)定好的活性炭測氡儀，同時(shí)記錄每個(gè)采樣器的線號(hào)和點(diǎn)號(hào)。測量全部完成后，對(duì)數(shù)據(jù)根據(jù)當(dāng)時(shí)情況進(jìn)行校正提取。在現(xiàn)場具體實(shí)施中，還要對(duì)某些采樣點(diǎn)和氡值異常點(diǎn)進(jìn)行必要的重測和驗(yàn)證取樣，以保證探測結(jié)果的可靠性。

4）數(shù)據(jù)分析和處理：將野外所測的活性炭數(shù)據(jù)，采用CDTH專用軟件包進(jìn)行處理可得測值、異常值立體圖及相對(duì)應(yīng)的等值線圖（圖2-圖5）；再經(jīng)綜合分析，得出火區(qū)分布平面圖（見圖6）。①在測場內(nèi)探明溫度異常區(qū)1個(gè)，面積約10 206 m2，火區(qū)中心距29212工作面輔運(yùn)順槽約90 m，長軸方向約145 m，短軸方向約85 m。②活性炭探測數(shù)據(jù)顯示氡異常值100～600CPM（活性炭測氡儀顯示的每分鐘計(jì)數(shù)），并經(jīng)過綜合分析確定該異常區(qū)為高溫氧化區(qū)，火勢(shì)發(fā)展方向?yàn)榻睎|方向。③建議對(duì)物探探測結(jié)果，從井下或地面進(jìn)行鉆探驗(yàn)證。

圖2 活性炭測值立體圖

圖3 活性炭測值等值線圖

圖4 活性炭異常值立體圖

圖5 活性炭異常值等值線圖

4 結(jié)束語

圖6 火區(qū)分布平面圖

（1）以活性炭測氡法探測結(jié)果作為依據(jù)打鉆探孔，經(jīng)測量火區(qū)內(nèi)鉆探孔孔底溫度為高溫孔，驗(yàn)證了活性炭測氡法探測火源位置的準(zhǔn)確性。（2）活性炭測氡法探測結(jié)果能為制定“監(jiān)測火情、井上下堵漏、地面（井下）注液態(tài)CO2、地面鉆孔灌漿滅火”的滅火方案，提供可靠依據(jù)。

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[3] 劉敦旺,劉鴻福,張新軍.活性炭測氡法在煤礦采空區(qū)探測中的應(yīng)用[J].勘探地球物理進(jìn)展，2009,32（3）:220-223.

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[9] 張新軍.基于單片機(jī)的活性炭測氡儀的研制[D].太原:太原理工大學(xué)，2004.

[10] 劉敦旺,劉鴻福,張新軍.活性炭測氧法在煤礦采空區(qū)探測中的應(yīng)用[J].勘探地球物理進(jìn)展.2009,32(3):220-223.