煤炭自燃火災(zāi)一直是我國煤礦的重大災(zāi)害之一，給國家和礦井帶來了極大的危害經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重于擾了礦井的正常生產(chǎn)秩序。內(nèi)蒙古烏達(dá)煤田是全國最大的自燃火區(qū)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，共有火區(qū)29處，總面積達(dá)307.6萬m²，已損失煤炭資源1150萬t，價(jià)值達(dá)1.2億元。五虎山煤礦位于烏達(dá)礦區(qū)南部，年產(chǎn)150萬t，共有可采煤層14層，其中1^#~12^#煤在井田西部均出露地表。從1982年以來，小煤窯的濫采亂挖造成多個煤層露頭及淺部塌陷區(qū)自然發(fā)火，并且逐步向煤層深部蔓延。2003年2月，五虎山煤礦布置404工作面開采4^#煤層，404工作面上部為1^#、2^#煤層采空區(qū)，在404采煤工作面開切眼冒頂處發(fā)現(xiàn)，冒落巖石有溫?zé)岣?，判斷上?^#煤采空發(fā)火。在這種條件下，如何對工作面開采部署提出了新的難題，而解決這一難題的關(guān)鍵是查明火源位置。

為了給五虎山煤礦404工作面安全回采及制訂安全技術(shù)措施提供科學(xué)依據(jù)，由太原理

工大學(xué)和五虎山煤礦共同對404工作面應(yīng)用地面同位素測氡技術(shù)進(jìn)行火源探測。

1火原位置探測原理

自然界廣泛存在著3個天然放射系列，即鈾系列、釷系列和錒系列。因其半衰期長，故能作為母體核素存在于巖石、土壤、煤系等介質(zhì)中，鈾、釷、錒經(jīng)過一系列衰變均產(chǎn)生一個在常溫常壓下氣溶膠態(tài)形式存在的放射性核素氡（Rn），其半衰期最長，故將氡作為信息來研究地球動力現(xiàn)象和輻射危害。

氡為放射性同位素，其衰變的子體為固體粒子，主要指的是鈾系的衰變體Rn-222以及它的衰變子體，在測量時(shí)既可測氡氣，又可測其子體來反映母體核素的形態(tài)及變化狀況。氡子體有很強(qiáng)的吸附能力，它們能牢固地附著在器物的表面，因此可將氡或其子體收集進(jìn)行測量。

氡氣由地下向上遷移，是以對流為主的垂直移動，當(dāng)?shù)叵聹囟?、壓力發(fā)生變化時(shí)，如煤層自燃產(chǎn)生的高溫高壓，將會使氡氣由下向上運(yùn)移的速率增加。這樣，在火區(qū)的氡氣的濃度值將高于未燃前非火區(qū)的氡氣濃度值?？傊?dāng)其它條件相近而地下有煤層自燃存在熱源時(shí)，氡氣向上運(yùn)移的速率和數(shù)量將大大增加，就會在發(fā)熱區(qū)上方產(chǎn)生一定的氡氣濃度差異，故能用測氡法間接的描述氡濃度的變化，以此精確確定地下火區(qū)的位置和范圍。

2探測方法

隨著核電子的技術(shù)的不斷發(fā)展，測氡手段也不斷改進(jìn)。根據(jù)探測原理可分為α杯法、α卡法、活性炭法、熱釋光法以及徑跡蝕刻法、釙量測量等。根據(jù)探測工藝，可分為瞬時(shí)測氡法和累積測氡法兩大類。各種方法依據(jù)不同的條件及探測精度，可同時(shí)使用或單獨(dú)使用。目前，火源探測常用的方法是α杯累積測氡法，探測器為電離型，具有操作簡便、重量輕、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。

2.1測場布置

根據(jù)實(shí)示情況，上五虎山煤礦給出初始測場及各邊界點(diǎn)，南北沿工作面運(yùn)輸巷方向長約810m，東西長180m，共布715個測點(diǎn)，點(diǎn)距15m×15m，總探測面積145800m²，測場布置示意如圖5。

2.2探測杯埋設(shè)

在每個編號測點(diǎn)上，挖寬30cm、深40～60cm的坑，將探杯口朝下放入，上面用塑料布覆蓋，然后用土掩埋，同時(shí)記錄時(shí)間，點(diǎn)號等。

2.3測量

探測杯埋入深坑內(nèi)4h以后，即氡衰變達(dá)到放射性平衡狀態(tài)，將探杯取出，立即放入儀器進(jìn)行測量，定時(shí)3min。記下讀數(shù)。

3探測結(jié)果分析

將野外實(shí)測的數(shù)據(jù)應(yīng)用探火數(shù)據(jù)外理軟件（CDTH）進(jìn)行處理可得出火區(qū)分布平面圖。圖1、圖2為測值立體圖及相應(yīng)等值線圖，圖3、圖4為異常值為立體圖及相應(yīng)等值線圖，以此可得出“五虎山煤礦404工作面自燃火源探測平面圖”如圖5所示：



圖1測值立體圖

（1） 在測場范圍內(nèi)有Ⅰ、Ⅱ2個高溫異常區(qū)；

（2） Ⅰ區(qū)內(nèi)A為一高溫氧化區(qū)，距回風(fēng)巷約60～80m，距切眼約0～35m,發(fā)展方向NE；

（3） Ⅱ區(qū)為一個高溫氧化區(qū)C，距運(yùn)輸巷約0～45m，距西風(fēng)井保安煤柱南邊約０～30m，發(fā)展方向?yàn)镹W。



圖2 測值等值線圖



圖3 異常值立體圖



圖4 異常值等值線圖



圖5 五虎山煤礦404工作面自燃火源探測平面圖

4結(jié)論

五虎山煤礦根據(jù)探測的結(jié)果制定了安全回采方案：對高溫區(qū)域采取預(yù)防性灌漿，在高溫區(qū)周圍按長、短軸主向均勻布孔，進(jìn)行注漿，是時(shí)加快回采推進(jìn)速度。2003年8月，五虎山煤礦已經(jīng)成功、安全地采完火區(qū)下的煤面煤炭資源。實(shí)踐表明，探測結(jié)果為五虎山煤礦安全回采提供了可靠的科學(xué)依據(jù)，對煤礦安全生產(chǎn)具有重要的推廣價(jià)值。