氡在侏羅紀煤中運移規律的實驗研究

摘 要：為了掌握氡探測煤礦隱蔽火源的機理，運用自主設計的可控角度實驗裝置，以鈾礦石為氡源，研究分析了氡在侏羅紀煤體中不同煤溫條件下和不同方向上（β傾角）的運移規律。實驗結果表明，氡在侏羅紀煤體中的運移具有方向性：同一煤溫時，距氡源相同距離位置處的氡濃度值隨β傾角的增加而增大；同一方向上，氡濃度值隨距氡源距離的增加而減小，溫度越高減小速率越快；同一位置處溫度越高氡濃度值越大。計算出了不同煤溫下和不同方向上氡在侏羅紀煤體中的運移系數、運移速度和運移總量，結果表明運移系數、運移速度和運移總量均隨方向和溫度的變化呈一定的變化規律，發現氡-氦團簇作用是氡在侏羅紀煤體中豎直運移的主導因素；運移系數、運移速度和運移量隨β傾角的變化規律解釋了氡在侏羅紀煤體中運移具有方向性的原因，對測氡法探測隱蔽火源位置具有一定的指導意義。關鍵詞：隱蔽火源；氡遷移；擴散系數；煤巖體；團簇作用中圖分類號：TD 752 文獻標志碼： A

Experimental research on the

law of radon in Jurassic coal

WEN Hu1，2，ZHANG Duo1，2，ZHANG Xin-hai1，2，WANG Hui3

（1.College of Safety Science and Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China；

2.Key Laboratory of Western Mine Exploration and Hazard Prevention，Ministry of Education，Xi’an 710054，China；

3.Safety Technology Center of Shaanxi Coal Mine Safety Supervision Bureau，Xi’an 710054，China）

Abstract：In order to grasp the mechanism of radon detecting hidden fire in coal mine.In this paper，taking uranium ore as the radon seed，angle-controlled self-designed experimental device was employed to research and analyze the migration law of radon corresponding to temperature and direction（angle defined as β）in Jurassic coal body.Experimental results showed that the migration of radon in Jurassic coal was directional.At the same temperature，concentration of radon at the same distance from radon seed increased with the increase of angle β；In the same direction，the concentration of radon decreased with the increase of distance from radon seed and the higher the temperature was，the higher the rate of decrease was.In the same position，the higher the temperature was，the higher the radon concentration was.Meanwhile，the migration coefficients，velocity and volume of radon in Jurassic coal at different temperatures and directions were calculated.And the results showed that the migration coefficients，velocity and volume changed regularly with the change of temperature and direction.It was found that cluster of radon-helium was the dominant factor resulting in the vertical transport of radon in Jurassic coal.The reasons for directional migration of radon in Jurassic coal was explained based on the variation of migration coefficients，velocity and transport volume with the change of angle β，and it was significant for the exploration of hidden fire sources based on radon measuring method.

Key words：hidden fire；radon migration；diffusion coefficient；coal and rock mass；cluster effect

0 引 言

煤炭作為世界經濟和社會發展的重要能源之一，對它的安全開采至關重要。由于煤炭在一定條件下會自燃，且煤層火災隱蔽性強，很難準確判定高溫自燃區域的位置[1-2]，導致采用的防滅火技術手段缺乏針對性，難以有效的控制和防治煤層自燃，浪費了大量能源資源，所以，研究煤層自燃高溫區域位置的探測技術對煤炭自燃的預防和治理有積極作用。同位素測氡法作為一種有效探測隱蔽火源位置的技術[3]，在國內外各大礦區已進行了成功應用，但該技術還不是完全成熟[4]，因此有待于進一步研究完善。目前，國內外學者對氡的運移規律做了大量深入細致的研究。劉鴻福[5]、賈文懿[6]、樂仁昌[7]等學者研究了氡在空氣中的傳播規律，并提出了氡及其字體母體釋放和運移的本質規律；Flfigge[8]、Lakatos[9]和Zimens[10]提出氡在多孔介質中的擴散運移機制符合Fick第一定律，隨著測定理論的深入研究和應用，發現擴散理論并不能解釋所有現象；劉菁華[11]、伍劍波[12]、黃帥[13]和Ershhaidat[14]等分別通過實驗或模擬的方法研究了氡在土壤等多孔介質中的傳播規律；王俊峰[15]通過自制“煤自燃及測氡實驗臺”，研究了氡在煤自燃過程中豎直方向的運移規律。雖然前人對氡在不同材料中的運移規律做了大量研究，但氡在侏羅紀煤體多孔介質中的遷移規律涉及較少，而氡在侏羅紀煤體多孔介質中的運移系數是氡遷移計算的重要參數。氡的運移具有方向性：縱向遷移能力大于水平方向遷移能力[16]。文中采用可控角度實驗裝置測量氡在侏羅紀煤體多孔介質中的濃度分布狀況；調節溫度和角度測量不同溫度條件下多個方向上氡的運移情況，以此分析不同溫度條件下各個方向上的運移分布規律。

1 測量方法

1.1 實驗裝置

如圖1所示，擴散管道系統為同心雙層結構，選用不銹鋼無縫鋼管材質，長為6 m.內管直徑0.08 m，放置煤體、吸附球和鈾礦石，每個吸附球由鋼絲球裝入15 g由胡桃殼經高溫碳化和活化制得的活性炭；外管直徑0.14 m，內外管之間腔體充循環恒溫浴油，油溫由GX-2050型恒溫油箱調控，用來測定特定煤溫下氡在煤體中的水平擴散系數；管道外側依次包裹保溫棉和鋁箔，以減少測量過程中的熱量損失。裝置全封閉、無對流且恒溫，傾斜角度可調控。

1.2 實驗方法將鈾礦石放置內管一端，然后將預制的粒徑為3～5 mm的煤樣裝入內管；以0.5 m間距將吸附球放置于煤體中，并以離氡源由近及遠編號1至12個測點，將PT100型溫度傳感器置入內管中，封閉端頭法蘭。讓氡在恒溫狀態下擴散7 d后，將吸附球取出并密封放置于專用瓶中，用BH1324環境γ譜儀測定放射性氡的比活度，計算得出氡濃度，由于吸附球的γ能譜計數與該球所處位置的氡濃度呈正比。因此，可以以γ能譜計數表示對應測點處氡濃度。為消除不同吸附球之間測量時間差異帶來的誤差，須對測量結果進行衰變校正。本實驗選用實測校正系數法[17]

S/S0=4×10-6t2-1.2×10-3t+1.000 9.（1）

式中 S為t時間測得的γ能譜計數；S0吸附球剛從裝置中取出時刻（零時刻）的γ能譜計數。

2 實驗結果及分析

2.1 實驗結果用本裝置對氡在侏羅紀煤體中不同方向上（β=0°，β=30°，β=45°及β=60°）和不同煤溫（50，80，110，140，170及200 ℃）下的運移現象進行了測試。0點距離即為氡源位置。由圖2可知，同一溫度條件下，同一位置處氡濃度值隨向上傾斜角度的增加（即β越大）而增大；同一傾角，同一位置處氡濃度值隨溫度的增加而增大；在同一傾角方向上，氡濃度值隨距氡源距離的增加而減小，且溫度越高減小速率越大。因此氡在侏羅紀煤中的分布規律為：向上遷移能力大于水平遷移能力，溫度越高遷移能力越大。對實驗數據進行擬合，結果表明內管中氡濃度的變化規律符合指數函數，如圖2所示和見表1.

2.2 結果分析前人研究表明，氡在多孔介質中的遷移符合Fick第一定律，又因本實驗中氡在侏羅紀煤體中呈指數規律運移。因此當氡在本測試管道內運移累積一段時間后，管道內氡的濃度分布表述式[18]為

C=C0e-λ/κx，

（2）

式中 C為管道內離氡源x處的氡濃度，Bq/m3；C0為氡源附近測點的氡濃度值，Bq/m3；λ為氡的衰變常數，λ=2.1×10-6 s-1；κ為氡在煤中的運移系數，m2/s；x為測點與氡源間的距離，m.內管中任意位置處氡的積累隨時間的變化規律近似表達為[7]

C=C′0（1-e-λ′t），（3）

式中 C′0為某測點處氡濃度達到穩定狀態時的值；λ′為描述氡累積速度的參數，s-1.把（3）式代入（2）式，并對x關于時間t求導，可得運移速度v為

v=-dxdt=λ′e-λ′t

λ/κ（1-e-λ′t）

.（4）

式中 v為運移速度，cm·s-1；

t為時間，s.由（2）式和（4）式可得，運移系數和運移速度，結果見表2.由表2可知，在同一傳播方向上（即，同一β角方向上），溫度越高氡的運移系數越大，氡的運移速度亦隨溫度升高而增大；當氡在同一溫度不同的方向上傳播時，運移系數和運移速度均隨β角的增加而增大。上述表明氡在侏羅紀煤體中的運移具有方向性，證實了氡的向上運移能力大于水平運移能力。

運用微積分原理分析實驗數據可得，氡在β方向的運移總量等于β方向上氡濃度沿內管方向的積分與內管截面積的乘積，如式（5）。計算結果見表3.

Q=S·∫L0ae-xdx.（5）

式中 Q為運移總量，Bq；S為內管截面積，m2；L為運移距離，m；ae-bx為管道內氡濃度的表達式，a與b為系數。

由表3可知，同一煤溫時，β傾角越大氡在該方向上運移總量越大，且β>45°以后運移總量顯著增加；同一β傾角，運移總量隨溫度成線性增加的趨勢，且β傾角越大線性增加的斜率越大。假設水平方向的運移量等于擴散作用運移量，β傾角方向上運移量等于擴散作用運移量和向上的氡-氦團簇運移量之和。則由表2可知，煤溫為50 ℃時，β=30°時團簇運移量是擴散運移量的0.66倍，β=45°時團簇運移量是擴散運移量的1.10倍，β=60°時團簇運移量是擴散運移量的5.36倍；煤溫為140℃時，β=30°時團簇運移量是擴散運移量的0.79倍，β=45°時團簇運移量是擴散運移量的1.22倍，β=60°時團簇運移量是擴散運移量的3.10倍。

3 結 論1）實驗證明氡在侏羅紀煤體中的運移具有方向性：在同一溫度條件下，距氡源同一距離各位置上，β傾角越大該處的氡濃度越大。在同一運移方向上，某一位置處的氡濃度值隨溫度的增加而增大；在該運移方向上，隨距氡源距離的增加氡濃度值逐漸減小，且溫度越高減小速率越快；2）計算出了氡在侏羅紀煤體中不同煤溫（50，80，110，140，170及200 ℃）下和不同方向上（β=0°，β=30°，β=45°及β=60°）的運移系數、運移速度和運移量。結果表明，運移系數、運移速度和運移量均隨β傾角的增加而增大，隨煤溫的升高而增大。通過對運移量的分析發現，氡在侏羅紀煤體中豎直方向上運移的主導因素是氡-氦團簇運移。運移系數、運移速度和運移量隨β傾角的變化規律解釋了氡在侏羅紀煤體中運移具有方向性的原因。參考文獻

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