基于測汞法探測煤田火區原理及應用

王 剛

(1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122； 2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122)

地下煤火造成的災害是在煤田利用和開發中形成的，煤層隨著煤田大范圍開拓并暴露出來，煤田火區范圍呈現急速增長趨勢。煤田火災已經成為涉及資源保護、環境治理、經濟發展、人口的問題，也是阻礙中國煤炭資源可持續開發與礦區可持續發展的重要議題[1]。煤田火區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高溫異常區域，磁法探測只能在含有菱礦和黃鐵礦的煤田火區中應用。電阻率法就是在地表測試斷面各個位置電阻值的變化，然后比較未發火區和發火區電阻值的差異，從而判斷自然發火點的區域與范圍，這種方法受周圍磁場作用會產生誤差，導致錯誤判定火源位置。測氡法的本質是根據煤層和巖石中氡元素在煤田火區作用下產出率增強的特點，在地面采集氡氣，然后采用數據處理軟件生成氡濃度分布等值線圖、氡濃度表面圖，從而圈定火區高溫異常區域。測氡法受火區巖石溫度、巖石中是否含有水、火區上部巖石構造、火區壓力變化等因素的影響，這些因素造成測氡數據異常，影響火區探測結果[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轉換裝置將熱量信息轉換成數字信息，這樣測點的溫度值就顯示到儀器顯示屏上，可以判斷某一點或面的高溫異常情況。項目組在研究大氣中汞的價態轉換過程、遷移機理時選取了礦區、市區、河邊地區，通過在煤田火區測定汞濃度發現，測定氣態汞濃度可以判定煤田火區高溫區域[3]。項目組測定了五虎山煤礦10號火區下部011203工作面煤中的汞含量、10號火區地表氣態汞濃度，通過上述實驗驗證了測汞法可以作為探測煤田火區的一種新方法，可以在受煤田火區影響的煤礦推廣應用。

1 測汞法探測煤田火區的原理

半無限大介質是指一邊有界而另一邊無界的均勻多孔介質，計算坐標如圖1所示。大地是典型的半無限大介質，可以討論在大地半無限大介質表面的汞的遷移現象[4]。

圖1 半無限介質計算坐標Fig.1 Calculative coordinate of semi-infinite medium

半無限大介質中的汞遷移現象屬于一維現象，根據費克擴散定理和達西定理，介質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為介質中汞濃度；D為汞在介質中的擴散系數；v為介質中的滲流速度；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分布規律，而且與汞的擴散系數、孔隙度、滲流速度有關。

1.1 溫度影響下的汞傳遞過程

把自燃的煤看作一個微元體，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

在單位時間內從微元體左側dydz流入的熱能為qxdydz，經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學角度闡述了汞在溫度影響下的遷移機理，汞受到高溫加熱下會轉換成氣態汞，通過汞分析測定煤田火區地表氣態汞濃度，當火區燃燒越劇烈對應地表裂隙或煤田火區探測孔(觀測孔)氣態汞濃度越大，從而判定火區高溫異常區域。

1.2 煤中汞的遷移機理

煤燃燒排放到大氣環境中的汞有3種價態存在：Hg0、Hg2+和Hgp。汞的遷移轉化過程如圖3所示。煤燃燒后釋放出的氣態汞以氣態形式釋放出來；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汞分析儀應用高頻調制的塞曼原子接收光譜技術，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，汞的共振線λ、σ-、σ+，π可配備不同模塊，實現固、液、氣多種樣品檢測。光源(汞燈)置入永久磁場H內，汞的共振線λ=254 mm破裂成3個極化的塞曼組分(π，σ-，σ+)[7]。當光線沿磁場方向傳播時，只有σ組分進入檢測器[7]。其中σ-能夠進入樣品池，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汞分析儀可以在實驗室和室外使用，可實時監測鉆孔中汞濃度。該儀器每秒獲得1個數據，每10 s獲得1個平均值，每個鉆孔測試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 現場應用

3.1 10號火區概況

10號火區位于五虎山煤田西南，面積約504.1 km2，主要燃燒1號、2號、4號、6號和7號煤層。10號火區分為3個區域，分別為火Ⅰ區域、火Ⅱ區域、火Ⅲ區域，10號火區位置關系如圖6所示。10號火區下部正在開采的工作面是011203工作面，10號火區與011203工作垂直距離約130 m，10號火區燃燒的7號煤層距離011203工作面垂直距離約95 m。因此，及時探測10號火區高溫區域是非常必要的。項目組對10號火區進行了紅外熱成像掃描，如圖7所示。通過對10號火區進行紅外成像掃描，初步判斷火區高溫區域，對高溫區域進行氣態汞濃度測定，提高了火區的探測效率。

圖6 10號火區位置關系Fig.6 Location relationship of No.10 fire area

圖7 10號火區紅外熱成像Fig.7 Infrared thermal imaging of No.10 fire area

3.2 探測結果

項目組首先采集了五虎山煤礦011203工作面的煤樣，10號火區地表原煤、燃燒的煤樣，測試結果見表1。從表1數據可以看出，011203工作面煤中的汞含量最高，最大值達到316.50 ng/g，最小值達到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有大量的汞釋放出來，煤田火區中的煤燃燒后會以3種價態形式釋放出來，使用測汞儀(型號為RA-915M)測定煤田火區氣態汞濃度，就可以分析火區燃燒狀況和燃燒區域。項目組測定了10號地表17-7-1號─17-7-11號(17-7-2號和17-7-6號塌孔)9個鉆孔內的氣態汞濃度，每個鉆孔測試3 min，表1中所列濃度為汞濃度的平均值、最小值、最大值?，F場測試如圖8所示。把表2中各個鉆孔坐標、對應鉆孔的汞濃度輸入模擬軟件中進行擬合分析得到10號火區汞濃度表面圖，如圖9所示，10號火區汞濃度等值線如10所示。從圖9可以看出，汞濃度越高的，對應區域顯示凸起狀態，對應10號火區火Ⅲ區域，實際探測結果10號火區溫度也是最高的，圖9汞濃度高的區域與汞濃度等值線是一一對應的。圖10汞濃度等值線濃度越高的區域等值線越密集，汞濃度等值線最密集的區域也在10號火區火Ⅲ區域。通過氣態汞濃度數據，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 火區現場汞濃度測定儀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號火區汞濃度等值線Fig.10 Mercury concentration contour in No.10 fire area

表1 煤中汞含量測試數據Tab.1 Test data for mercury content in coal

4 結論

(1)本文從傳熱傳質學角度解釋汞遷移過程，建立了半無限大介質和溫度影響下汞遷移的數學模型，煤在受熱條件下汞的價態轉換過程，煤中汞在燃燒條件下轉化為3種價態，分別為Hg0、Hg2+和Hgp。其中，Hg0會以氣態形式釋放出來，使用測定儀測定煤田火區中氣態汞濃度，然后對汞濃度數據采用Surfer處理軟件進行模擬分析，根據軟件的模擬分析結果確定火區高溫區域。

(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號火區進行了應用，為煤田火區探測開辟了一種新方法。

(3)測汞法探測煤田火區可以和紅外熱成像法結合起來應用，首先采用紅外熱成像法對煤田火區進行初步探測，然后采用測汞法進行精準探測，提高煤田火區探測的工作效率，此方法可以在其他受煤田火區影響的煤礦推廣和應用。