同位素測氡法在煤自燃火源位置探測中的應用

安 幫，邸晟鈞

(1.國能準能集團有限責任公司 黑岱溝露天煤礦， 內蒙古 準格爾旗 017100； 2.晉能控股山西電力股份有限公司， 山西 太原 030006)

具有自燃傾向性的煤與空氣中的氧氣發生物理吸附、化學吸附以及化學反應的過程中會釋放熱量，當反應產生的熱量大于其散失熱量時，煤體內部熱量開始積聚，煤溫升高，最終達到煤著火點而發生自燃。隨著礦井生產規模擴大、開采深度增加，煤層自燃及礦井自然發火事故數量不斷上升，特別是兼并重組整合保留礦井，時刻受到周邊或上層廢棄采空區自然發火的威脅。此外，礦井火災事故可能會誘發瓦斯、煤塵爆炸等次生災害，煤自燃釋放出的大量有害氣體也會直接污染大氣。為了避免不必要的經濟損失和環境生態污染，科學高效的礦井自燃火災防治十分必要。然而，煤層火災及礦井火災通常發生在地下數十米至數百米處，復雜的地質條件、動態的氧化蓄熱環境，給煤自燃火源的精準定位以及后續滅火方案的制定和實施帶來了困難。

探測地下煤自燃隱蔽高溫火源位置，基于探測原理的不同，國內外研究學者提出了不同探測方法，包括紅外探測法、遙感探測法、磁探測法、電阻率探測法、無線電波法、地質雷達法、氡氣探測法等[1-5]. 紅外探測法和遙感法主要利用紅外線在不同溫度物體上所反射的顏色特征進行探測，其只能探測較淺層位的火源位置；磁探法主要通過對火區范圍磁場的異常進行探測，容易受到地球磁場、地質構造以及煤巖體中存在的磁性物質干擾，影響其探測效果；電阻率法通過火區范圍電阻率變化進行探測，適宜于煤田自燃火區，很難應用于自燃隱蔽火源探測；無線電波法和地質雷達法，對于煤自燃高溫火源位置的探測目前仍處于研究階段。

同位素測氡法作為一種成熟的探測技術，最早應用于環境評價、資源勘探及地質構造勘查等領域。通過對地表氡濃度進行測定，可對井下高溫熱源位置進行判定。

1 氡的來源及性質

自然界中大部分元素的原子核比較穩定，但也有部分原子核由于結構復雜，會自發分解，直至成為較為穩定的原子核結構，這種現象稱為放射性衰變。放射性元素的衰變特性通常用半衰期進行表示，即放射性元素原子數量衰變到原來數量的一半所需的時間。氡元素最主要的3個同位素為Rn-222、Rn-220和Rn-219，它們來源于3個天然放射系，鈾系、釷系和錒系的放射性衰變，物理放射特性見表1. Rn-220和Rn-219較短的半衰期導致其在空氣中的濃度很小，而Rn-222較長的半衰期以及快速移動的氣體特性，使得Rn-222常被作為一種攜帶地球深部信息的示蹤氣體在地球物理勘探工程中進行應用。

表1 Rn-222、Rn-220和Rn-219放射特性表

2 煤自燃氡析出研究現狀

同位素測氡法探測煤自燃火源位置最早由太原理工大學提出，并進行了一定的理論探索和實踐應用[4-6]. 其探測理論主要由3個部分組成，即煤自燃過程中氡氣源的形成，覆巖層中氡的縱向長距離運移以及地表氡的析出。煤從低溫氧化到自燃的過程中，煤層及一定范圍內的巖層物理力學性質遭到破壞，高溫作用使得煤巖體晶格發生松動、變形，導致氡射氣系數急速增大，氡氣濃度快速增加，因此煤自燃及其高溫影響區域內的煤巖體介質可看作氡氣源。從煤巖體釋放的氡氣會在擴散作用、對流作用、溫度梯度、壓力梯度、地下水搬運、地氣及火災氣體載帶等多種遷移機制的作用下，沿著地下深處巖體微裂隙或微孔隙向地表方向縱向運移，最終在地表一定范圍內形成高濃度的氡異常區域，見圖1.

圖1 同位素測氡法探測煤自燃火源位置原理圖

在實驗研究方面，鄔劍明，王俊峰等[5-6]在設計制作大型煤自燃與測氡實驗臺基礎上，針對煤自燃氧化特性，研究了煤升溫過程中氡氣的析出規律及其影響因素。通過煤自然發火實驗研究發現，隨著溫度升高，氧化作用時間延長，煤體釋放的氡顯著增加，提出可通過氡釋放規律來判定煤自然發火程度。

西安科技大學文虎等[7]對松散煤體的氡析出特性進行了研究，結果表明相同溫度下氡氣具有明顯的累積效應，濃度先經歷快速上升，4～5 h后趨于平穩發展，這與現場氡吸附探杯埋設時間相符合。隨著溫度升高，氡析出率增加，氡濃度達到平衡的時間有所減小。在垂直方向上，氣流影響范圍內氡氣運移以滲流為主，濃度沿軸向呈指數形式增長。張辛亥，王輝[8]通過氡擴散多角度試驗模擬了30 ℃～200 ℃溫度條件下氡在0°、30°、45°、60°方向上的擴散特性，并探討了溫度、擴散方向、氡氣濃度間的相互內在關系，進一步豐富了煤自燃氡運移理論。結果表明,相同條件下傾斜方向的氡擴散特性要明顯高于水平方向，且傾斜角度越大，氡的擴散能力越強；與垂直方向氡運移相比，溫度對水平及傾斜方向氡運移的影響較弱。

3 煤自燃氡探測現場應用

同一種放射性元素在衰變時釋出的α射線能量是固定的，因而可通過辨別不同能量的α粒子對放射性元素種類進行區分。為了在短時間內獲取火區地表氡濃度變化規律，及時對火源位置及火勢發展趨勢進行判定，現場一般通過測定單位時間內氡的直接短壽命子體Po-218的衰變數量來對地表氡氣濃度進行計算。Po-218的半衰期為3.05 min，意味著當Rn-222衰變成子體Po-218后，大多數Po-218核素會在6 min內發生衰變。

3.1 探測設備

現場通常選用α杯測氡儀進行地表氡值測量。α杯測氡儀由α吸附杯、空氣脈沖電離室、低噪聲放大器、脈沖計數器等元件組成，見圖2. 氡的衰變子體為重金屬粒子，α吸附杯表面產生的靜電效應對其有良好的吸附作用。當收集了氡子體的α探測杯被放入電離室后，氡子體衰變釋放出的α射線使電離室的空氣電離，并由電離室將其轉換為電脈沖信號。脈沖信號被低噪聲脈沖放大器放大后，轉化為脈沖計數進行顯示。單位時間內氡的直接子體Po-218衰變記錄的脈沖數與其母體氡濃度成正比，因此α杯在靜態條件下獲得的高精度測量結果可以真實地反映該測點氡濃度大小。

圖2 測氡儀結構示意圖

3.2 探測實例

內蒙某煤礦402工作面平均煤厚2.4 m，傾向長220 m，走向長1 440 m. 工作面所處區域內斷層與褶曲均不發育，工作面外圍均為未開采的實體煤，無舊巷、采空區等采動情況，屬于地質構造簡單地區。對402工作面開切眼處煤自然發火情況進行探測。402工作面開切眼處對應地表測場布置及測點位置見圖3，共計測點130個，測點間距為10 m×10 m.

圖3 402工作面地表測點布置圖

確定測點位置后，將α探杯埋入對應測點并在地表做好對應標記，4 h后將探杯取出并置于測氡儀中進行檢測，檢測時間3 min. 根據各測點檢測數據，繪制測場氡值等值線平面圖和立體圖，見圖4，圖5.

圖4 測場氡值等值線平面圖

圖5 測場氡值立體圖

由圖4，圖5可知，測場內明顯的高溫氧化區域有2處，分別為Ⅰ區域和Ⅱ區域。Ⅰ高溫氧化區域位于測場東側，呈圓形分布，面積約為1 050 m2. 高溫熱源位于Ⅰ區域中心，對應氡值為1 574 N/3 min，是整個測場的最大值，表明該區域煤自然發火程度較為嚴重。Ⅱ高溫氧化區域位于I區域左下方，面積約為600 m2，區域中心位置處氡測值最高，為1 082 N/3 min. 402工作面開切眼處的工作空間較大，空隙率較高，為煤自然發火提供了良好的供氧蓄熱環境，最終導致了煤自燃。

4 結 語

作為一種有效的井下火源位置探測技術，同位素測氡法因操作簡便、成本低、不受探測地形限制等優點，已在中國、澳大利亞等自然發火嚴重的礦區進行了成功應用。實踐表明，利用氡氣的地球物理化學特性從地表精準探測地下煤自燃隱蔽火源位置是可行的，在煤自燃區域地表能夠成功探測到氡濃度異?，F象，為地下隱蔽火源的治理提供可靠的技術支撐。目前現場煤自燃火區探測主要采用α杯測氡法，該方法易受環境溫度、氣象條件及人為等因素的影響，在具體實施過程中要加以注意。