基于測汞法探測煤田火區(qū)原理及應(yīng)用

王 剛

(1.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122； 2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122)

地下煤火造成的災(zāi)害是在煤田利用和開發(fā)中形成的，煤層隨著煤田大范圍開拓并暴露出來，煤田火區(qū)范圍呈現(xiàn)急速增長趨勢。煤田火災(zāi)已經(jīng)成為涉及資源保護(hù)、環(huán)境治理、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口的問題，也是阻礙中國煤炭資源可持續(xù)開發(fā)與礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展的重要議題[1]。煤田火區(qū)探測方法主要有磁法、電阻率法、測氡法、紅外熱成像法、遙感法等。磁法是利用含有菱礦或黃鐵礦的煤在燃燒后生成磁性礦體，利用這一特性可以探測煤田火區(qū)高溫異常區(qū)域，磁法探測只能在含有菱礦和黃鐵礦的煤田火區(qū)中應(yīng)用。電阻率法就是在地表測試斷面各個(gè)位置電阻值的變化，然后比較未發(fā)火區(qū)和發(fā)火區(qū)電阻值的差異，從而判斷自然發(fā)火點(diǎn)的區(qū)域與范圍，這種方法受周圍磁場作用會(huì)產(chǎn)生誤差，導(dǎo)致錯(cuò)誤判定火源位置。測氡法的本質(zhì)是根據(jù)煤層和巖石中氡元素在煤田火區(qū)作用下產(chǎn)出率增強(qiáng)的特點(diǎn)，在地面采集氡氣，然后采用數(shù)據(jù)處理軟件生成氡濃度分布等值線圖、氡濃度表面圖，從而圈定火區(qū)高溫異常區(qū)域。測氡法受火區(qū)巖石溫度、巖石中是否含有水、火區(qū)上部巖石構(gòu)造、火區(qū)壓力變化等因素的影響，這些因素造成測氡數(shù)據(jù)異常，影響火區(qū)探測結(jié)果[2]。紅外熱成像法就是通過熱成像儀把采集到熱量信息通過A/D轉(zhuǎn)換裝置將熱量信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息，這樣測點(diǎn)的溫度值就顯示到儀器顯示屏上，可以判斷某一點(diǎn)或面的高溫異常情況。項(xiàng)目組在研究大氣中汞的價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)換過程、遷移機(jī)理時(shí)選取了礦區(qū)、市區(qū)、河邊地區(qū)，通過在煤田火區(qū)測定汞濃度發(fā)現(xiàn)，測定氣態(tài)汞濃度可以判定煤田火區(qū)高溫區(qū)域[3]。項(xiàng)目組測定了五虎山煤礦10號(hào)火區(qū)下部011203工作面煤中的汞含量、10號(hào)火區(qū)地表氣態(tài)汞濃度，通過上述實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了測汞法可以作為探測煤田火區(qū)的一種新方法，可以在受煤田火區(qū)影響的煤礦推廣應(yīng)用。

1 測汞法探測煤田火區(qū)的原理

半無限大介質(zhì)是指一邊有界而另一邊無界的均勻多孔介質(zhì)，計(jì)算坐標(biāo)如圖1所示。大地是典型的半無限大介質(zhì)，可以討論在大地半無限大介質(zhì)表面的汞的遷移現(xiàn)象[4]。

圖1 半無限介質(zhì)計(jì)算坐標(biāo)Fig.1 Calculative coordinate of semi-infinite medium

半無限大介質(zhì)中的汞遷移現(xiàn)象屬于一維現(xiàn)象，根據(jù)費(fèi)克擴(kuò)散定理和達(dá)西定理，介質(zhì)中汞濃度分布的方程可以表示為：

(1)

邊界條件x=0，c=c0，x=∞，c有界。

方程的解：

(2)

式中，c為介質(zhì)中汞濃度；D為汞在介質(zhì)中的擴(kuò)散系數(shù)；v為介質(zhì)中的滲流速度；η為孔隙度，孔隙度表示土壤的孔隙空間體積與土壤的外表體積的比值。

式(2)說明在半無限空間中汞濃度符合指數(shù)分布規(guī)律，而且與汞的擴(kuò)散系數(shù)、孔隙度、滲流速度有關(guān)。

1.1 溫度影響下的汞傳遞過程

把自燃的煤看作一個(gè)微元體，如圖2所示。

圖2 煤體能量守恒單元示意Fig.2 Analysis unit of coal conversation of energy

在單位時(shí)間內(nèi)從微元體左側(cè)dydz流入的熱能為qxdydz，經(jīng)右界面流出的熱能為qx+dxdydz，則流入的凈熱能為(qx-qx+dx)dydz。固體在熱傳輸時(shí)符合傅里葉定理，則熱能可以表示為：

(3)

(4)

式(3)減去式(4)得到沿x方向靜流量，見式(5)：

(5)

(6)

(7)

上述公式從傳熱傳質(zhì)學(xué)角度闡述了汞在溫度影響下的遷移機(jī)理，汞受到高溫加熱下會(huì)轉(zhuǎn)換成氣態(tài)汞，通過汞分析測定煤田火區(qū)地表氣態(tài)汞濃度，當(dāng)火區(qū)燃燒越劇烈對(duì)應(yīng)地表裂隙或煤田火區(qū)探測孔(觀測孔)氣態(tài)汞濃度越大，從而判定火區(qū)高溫異常區(qū)域。

1.2 煤中汞的遷移機(jī)理

煤燃燒排放到大氣環(huán)境中的汞有3種價(jià)態(tài)存在：Hg0、Hg2+和Hgp。汞的遷移轉(zhuǎn)化過程如圖3所示。煤燃燒后釋放出的氣態(tài)汞以氣態(tài)形式釋放出來；在催化氧化作用下形成汞化合物；在氯化作用下形成汞的氯化物；在吸附作用下形成汞的p+價(jià)化合物[5-6]。

圖3 汞的遷移過程Fig.3 Migration of mercury

2 測試儀器原理

RA-915M汞分析儀應(yīng)用高頻調(diào)制的塞曼原子接收光譜技術(shù)，可以直接測定大氣中汞含量，其操作原理如圖4所示。光源(汞燈)置入恒磁體H內(nèi)，汞的共振線λ、σ-、σ+，π可配備不同模塊，實(shí)現(xiàn)固、液、氣多種樣品檢測。光源(汞燈)置入永久磁場H內(nèi)，汞的共振線λ=254 mm破裂成3個(gè)極化的塞曼組分(π，σ-，σ+)[7]。當(dāng)光線沿磁場方向傳播時(shí)，只有σ組分進(jìn)入檢測器[7]。其中σ-能夠進(jìn)入樣品池，而σ+在樣品池外通過。σ-與σ+組分差值與汞蒸氣濃度成正比。RA-915M汞分析儀可以在實(shí)驗(yàn)室和室外使用，可實(shí)時(shí)監(jiān)測鉆孔中汞濃度。該儀器每秒獲得1個(gè)數(shù)據(jù)，每10 s獲得1個(gè)平均值，每個(gè)鉆孔測試3 min，RA-915M測汞儀如圖5所示[8-11]。

圖4 RA-915M汞分析儀操作原理Fig.4 Operating principle of RA-915M mercury analyzer

圖5 RA-915M汞分析儀Fig.5 RA-915M mercury analyzer

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 10號(hào)火區(qū)概況

10號(hào)火區(qū)位于五虎山煤田西南，面積約504.1 km2，主要燃燒1號(hào)、2號(hào)、4號(hào)、6號(hào)和7號(hào)煤層。10號(hào)火區(qū)分為3個(gè)區(qū)域，分別為火Ⅰ區(qū)域、火Ⅱ區(qū)域、火Ⅲ區(qū)域，10號(hào)火區(qū)位置關(guān)系如圖6所示。10號(hào)火區(qū)下部正在開采的工作面是011203工作面，10號(hào)火區(qū)與011203工作垂直距離約130 m，10號(hào)火區(qū)燃燒的7號(hào)煤層距離011203工作面垂直距離約95 m。因此，及時(shí)探測10號(hào)火區(qū)高溫區(qū)域是非常必要的。項(xiàng)目組對(duì)10號(hào)火區(qū)進(jìn)行了紅外熱成像掃描，如圖7所示。通過對(duì)10號(hào)火區(qū)進(jìn)行紅外成像掃描，初步判斷火區(qū)高溫區(qū)域，對(duì)高溫區(qū)域進(jìn)行氣態(tài)汞濃度測定，提高了火區(qū)的探測效率。

圖6 10號(hào)火區(qū)位置關(guān)系Fig.6 Location relationship of No.10 fire area

圖7 10號(hào)火區(qū)紅外熱成像Fig.7 Infrared thermal imaging of No.10 fire area

3.2 探測結(jié)果

項(xiàng)目組首先采集了五虎山煤礦011203工作面的煤樣，10號(hào)火區(qū)地表原煤、燃燒的煤樣，測試結(jié)果見表1。從表1數(shù)據(jù)可以看出，011203工作面煤中的汞含量最高，最大值達(dá)到316.50 ng/g，最小值達(dá)到176.80 ng/g。通過原煤和燃煤汞含量值比較，可以看出原煤燃燒后會(huì)有大量的汞釋放出來，煤田火區(qū)中的煤燃燒后會(huì)以3種價(jià)態(tài)形式釋放出來，使用測汞儀(型號(hào)為RA-915M)測定煤田火區(qū)氣態(tài)汞濃度，就可以分析火區(qū)燃燒狀況和燃燒區(qū)域。項(xiàng)目組測定了10號(hào)地表17-7-1號(hào)─17-7-11號(hào)(17-7-2號(hào)和17-7-6號(hào)塌孔)9個(gè)鉆孔內(nèi)的氣態(tài)汞濃度，每個(gè)鉆孔測試3 min，表1中所列濃度為汞濃度的平均值、最小值、最大值。現(xiàn)場測試如圖8所示。把表2中各個(gè)鉆孔坐標(biāo)、對(duì)應(yīng)鉆孔的汞濃度輸入模擬軟件中進(jìn)行擬合分析得到10號(hào)火區(qū)汞濃度表面圖，如圖9所示，10號(hào)火區(qū)汞濃度等值線如10所示。從圖9可以看出，汞濃度越高的，對(duì)應(yīng)區(qū)域顯示凸起狀態(tài)，對(duì)應(yīng)10號(hào)火區(qū)火Ⅲ區(qū)域，實(shí)際探測結(jié)果10號(hào)火區(qū)溫度也是最高的，圖9汞濃度高的區(qū)域與汞濃度等值線是一一對(duì)應(yīng)的。圖10汞濃度等值線濃度越高的區(qū)域等值線越密集，汞濃度等值線最密集的區(qū)域也在10號(hào)火區(qū)火Ⅲ區(qū)域。通過氣態(tài)汞濃度數(shù)據(jù)，還可以生成汞濃度線框圖、汞濃度影像圖，由于篇幅原因就不列出了。

圖8 火區(qū)現(xiàn)場汞濃度測定儀Fig.8 On site mercury concentration tester in fire area

圖9 汞濃度表面Fig.9 Surface of mercury concentration

圖10 10號(hào)火區(qū)汞濃度等值線Fig.10 Mercury concentration contour in No.10 fire area

表1 煤中汞含量測試數(shù)據(jù)Tab.1 Test data for mercury content in coal

4 結(jié)論

(1)本文從傳熱傳質(zhì)學(xué)角度解釋汞遷移過程，建立了半無限大介質(zhì)和溫度影響下汞遷移的數(shù)學(xué)模型，煤在受熱條件下汞的價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)換過程，煤中汞在燃燒條件下轉(zhuǎn)化為3種價(jià)態(tài)，分別為Hg0、Hg2+和Hgp。其中，Hg0會(huì)以氣態(tài)形式釋放出來，使用測定儀測定煤田火區(qū)中氣態(tài)汞濃度，然后對(duì)汞濃度數(shù)據(jù)采用Surfer處理軟件進(jìn)行模擬分析，根據(jù)軟件的模擬分析結(jié)果確定火區(qū)高溫區(qū)域。

(2)闡述了測汞儀的測試原理和測試過程，并在五虎山煤礦10號(hào)火區(qū)進(jìn)行了應(yīng)用，為煤田火區(qū)探測開辟了一種新方法。

(3)測汞法探測煤田火區(qū)可以和紅外熱成像法結(jié)合起來應(yīng)用，首先采用紅外熱成像法對(duì)煤田火區(qū)進(jìn)行初步探測，然后采用測汞法進(jìn)行精準(zhǔn)探測，提高煤田火區(qū)探測的工作效率，此方法可以在其他受煤田火區(qū)影響的煤礦推廣和應(yīng)用。