固态长寿命氡子体-(210...燃火源位置探测中的应用研究_林晨.pdf

第 卷第期 年月太原理工大学学报 引文格式：林晨，王俊峰，董凯丽，等固态长寿命氡子体 在采空区煤自燃火源位置探测中的应用研究太原理工大学学报，（）：，（）：收稿日期：基金项目：山西省基础研究计划青年项目资助（）；国家自然科学基金资助项目（）第一作者：林晨（），硕士研究生，（）通信作者：王俊峰（），博士，教授，主要从事矿井火灾防治研究，（）固态长寿命氡子体 在采空区煤自燃火源位置探测中的应用研究林晨，王俊峰，董凯丽，刘轩，（太原理工大学 安全与应急管理工程学院，山西省矿井通风与火灾防治工程技术研究中心，矿业工程学院，太原 ）摘要：针对同位素测氡法探火工作量大，周期长，易受气候及环境因素制约的问题，利用氡在向地表运移过程中产生的，能精确反映母体氡在一段时间中的累积值的固态长寿命子体 ，提出了基于放射化学分析手段测定 活度浓度探测隐蔽矿井火区的氡子体 法探火。为了探究氡子体 法探火在现场探测中的效果与精度，在已知火源位置的柳湾煤矿开展了现场实验研究，在井下火区对应地表位置进行网格测点布置，对测点处的氡气浓度及其固态长寿命子体 的活度浓度进行测量。通过比较氡气浓度与 活度浓度探测结果相关性及其影响因素，对利用氡子体 探测采空区煤自燃火源位置的技术进行论证。结果表明，火区近地表土壤层氡气浓度与 活度浓度在总体分布上具有很强的相关性，但 活度浓度受外界因素干扰较小，其分布更能准确反映井下煤自燃火区情况。相比同位素测氡法，氡子体 法探火的探测精度更高，适用范围更广，具有更高的应用价值。关键词：煤自燃；火源位置；地表探测；氡子体 中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（.，.，.，）：，：；煤炭是我国的基本能源，是国家能源安全的重要保障。同时，煤炭也是一种高碳化石能源，在煤矿生产过程中，煤炭的自燃严重威胁着煤矿的安全生产，造成严重的资源、经济损失和环境生态破坏。由于井下情况复杂，漏风通道强度不稳定且多源多汇，采空区的松散煤体长时间处于有氧环境中，导致了采空区内煤自燃高温点位置隐蔽不定，燃烧状态不明，制约煤自燃高温点的准确定位，在“做好碳达峰、碳中和”的形势下，科学高效的矿井自燃火灾防控更加重要，而其关键在于精确探测火源位置。目前国内外大量应用于现场探火的方法主要有磁探法、电阻率探测法、钻探法、气体探测法和同位素测氡法等。其中同位素测氡法具有操作简单、成本低、不受地形限制和适合深部火灾探测等优点，被广泛应用于严重自燃发火区域的探测。其原理为煤矿采空区发生煤自燃时，煤体物理力学性质随井下温度的升高发生改变，氡气析出量增加，大量的氡气在扩散对流作用下沿裂隙向地表快速运移，最终在煤自燃火区上方形成了高于地表氡气本底值的氡气异常区域。但在实际测量过程中，由于氡气易溶于水，受土壤水分影响较大，且从地表采集到的氡数据还受季节、天气、温度和测量方法的影响，工作量大、周期长也制约了现场数据的有效采集和准确分析。氡在向地表运移过程中，持续衰变成惰性的固态长寿命子体，作为氡的子体之一，半衰期为 ，是氡半衰期的 倍。大量由氡衰变的 吸附滞留在近地表的土壤中形成稳定的胶体物质，其含量受外界因素影响较小，不易活化迁移，直接反映了母体氡在一段时间中的累积值。由于更长的半衰期和不活泼的物理化学性质，较氡的其它衰变子体而言更易于测量分析，因此，可作为氡的特征子体。为了减少误差，提高探测火源位置的精度与效率，提出了基于放射化学分析手段测定 活度浓度的氡子体 法探火 。但氡子体 法探火作为一项尚未应用的火源位置探测技术，其精度与效果仍有待现场进一步验证。为此，选择在已知火源位置的火区开展现场实验，同时利用同位素测氡法和氡子体 法探火探测老火区，研究火区近地表土壤层中氡浓度与 活度浓度分布的相关性。实验区概况及测场布置实验区域选取汾西矿业柳湾煤矿南上庄火区，该区域有大量不同年代开采后废弃的小煤窑，这些小煤窑气密性差，回采率低，大量的遗煤为煤自燃提供了有利条件。矿方提供资料显示，通过井下施工探火巷道以及探火钻孔，探明火区内存在处高温火源点。根据矿井上下对照图，在地面对应位置对火源点进行标注，标注区域位于南上庄村与下马宽村之间一处废弃小窑井筒附近，周边沟谷纵横，整体地势东高西低，地面标高相对高差约为 根据地形调整布置测场的方位与角度，确保所有标注的火源位置都能被测场覆盖。根据火源位置分布，选择范围为 的矩形区域作为探测区域，沿南向北布置了 条测线，每条测线 个测太 原 理 工 大 学 学 报第 卷点，在探测区域内进行按线、点距选取 的网格精度进行布点，火区具体位置及测点布置如图所示。图火区位置及测点布置图 地表采样分析及数据处理土壤样品的采集及 活度浓度的测定在以各测点为中心，半径的圆形区域内，随机选择个取样点，分别取出距地表 深度的土壤样品 置于取样袋中，混合均匀后登记编号带回实验室。每个测点样品留存一部分做后续分析，剩余土壤样品摊平、初步捏碎后进行干燥通风处理，样品风干后，去除样品中的植物残渣、碎石颗粒。初步处理完的土样至于平底容器内，用木棍碾细，过筛孔孔径为 的筛网，经混合均匀用以作测定 活度浓度备用，储存于密封塑料袋中，土壤样品的保存如图所示。图土壤样品的保存 采用同位素示踪能谱法测定 活度浓度，首先称取经过预处理的土壤样品放置于烧杯中，加入约 回收示踪剂，加入少量水润湿后再用浓硝酸溶解。蒸发并加入少量的 使其灰化，然后进行两次蒸发处理，用 溶解两次蒸发后的残渣，再加入抗坏血酸分离其中的 离子，最后将处理完的溶液倒入含银基底的聚四氟乙烯瓶中。将其静置于 的恒温条件下，后完成自镀，得到银片样品。利用回收示踪剂 校正回收率，可得到样品中的 活度浓度。氡浓度的测量测量氡浓度采用由美国生产的 测氡仪。该仪器能够连续地抽吸地下氡气，将氡子体利用过滤器过滤，用金硅面垒半导体探测器测量进入半球腔内的气体以获得能谱。通过获取 能量窗口的计数率来确定土壤氡浓度，该方法是当前测量氡浓度的一种常用方法，这种方法较好地将氡和钍射气区分，可以最大程度避免氡子体受污，测量数据具有较好的可靠性 ，图为 测氡仪实物图。图 测氡仪实物图 使用 电子测氡仪在野外测量方法步骤如下：打孔，使用直径 的钢钎打孔，孔深约 ；抽气，将钢钎拔出，迅速插入抽气杆，开始抽气；测量，一个测点测量周期设置为，每次测量时间为 ，净化时间为 ，每个测点耗时 氡浓度取值为三个周期测量值的平均值，图为 测氡仪工作示意图。图 测氡仪工作示意图 第期林晨，等：固态长寿命氡子体 在采空区煤自燃火源位置探测中的应用研究数据处理气候条件和浅层土壤结构的不一致性，以及放射性波动误差、系统误差和随机误差的存在，都会对放射性氡及其特征子体有效数据的提取造成一定的影响。因此，野外工作结束后，需要在室内对原始数据进行进一步处理和优化，对氡及 进行数据质量评价，以确定背景值和异常下限。）背景值和均方差的确定。本研究采用平均值（）、均方差（）统计法，该方法前提是数据要符合正态分布。因此需要剔除部分不符合的异常数据，首先对远离探测火区处没有火区位置的地表氡浓度和 活度浓度进行测定，假设测得的土壤氡浓度和 活度浓度为、，算出其算术平均值作为统计背景值：.（）然后计算探测区域内所有散点数据的均方差：（）.（）将不处于“”范围内的异常数据剔除，将剩余散点数据的统计结果作为统计均方差，如表所示。表氡与 的背景值及统计均方差 类型 平均值均方差统计均方差氡浓度（）活度浓度（）土壤氡和 异常下限的确定。民用建筑工程室内环境污染控制规范 规定：土壤中氡浓度高于周围非地质构造断裂区域倍及以上时应测定工程地点土壤中的镭 、钍 、钾 的比活度。因此一般将统计单元土壤氡浓度和 活度浓度大于或等于倍（）背景值的数据区间范围视为异常；通常采用的氡和 异常晕下限为背景值加倍均方差，即数据大于（）的区间范围视为异常晕；高晕下限为背景值加倍均方差，即数据位于（）（）的区间范围视为高晕；偏高晕下限为背景值加倍均方差，即数据位于（）（）的区间范围视为偏高晕；正常晕一般在背景值减去倍均方差和背景值加倍均方差之间的区间范围，即数据位于（）（）之间 ，如表所示。表氡及 的异常下限 类型异常下限（）异常晕下限（）高晕下限（）偏高晕下限（）正常晕下限（）最大值氡浓度（）活度浓度（）结果分析探测结果分析根据测量结果，以探测区域内西南角第一点作为坐标（，）点，东西方向（，）与（，）的连线作为轴，南北方向（，）与（，）点的连线作为轴，绘制氡浓度分布等值线图与 活度浓度分布等值线图，如图和图所示。同位素测氡法探测区域内土壤氡浓度背景值为 ，异常晕下限为 ，异常下限为 ，最大值 ，分析统计确定了处具有一定规模的异常晕、图氡浓度分布等值线图 太 原 理 工 大 学 学 报第 卷图 活度浓度分布等值线图 和处 异 常 点（，）、（，）、（，）、（，）氡气浓度异常区域约占探测区域总面积的 ，为 ，地表氡浓度由火源点位置上方向四周均匀递减，符合煤自燃过程中的氡气析出变化规律。号氡气异常晕沿东南方向分布，影响面积约 ，范围内氡浓度的极值点坐标位于（，），氡气浓度值为 ，范围内另一火源点（，）的氡浓度为 ；号异常晕呈近似梯形沿南北方向分布，影响面积约 ，范围内氡浓度极值点位于（，），氡气浓度值为 ；号异常晕呈近似三角形沿南北方向分布，影响面积约 ，范围内氡浓度极值点位置为（，），值为 探测区域内土壤的 活度浓度背景值为 ，异常晕下限为 ，异常下限为 ，最大值 ，分析统计确定了处异常点（，）、（，）、（，）、（，）及处异常晕 活动浓度异常区域占探测区域总面积的 ，与氡浓度分布等值线图划分的异常区域范围基本一致，表明土壤 活度浓度与氡浓度具有良好的正相关性。号 异常晕沿东南方向分布，影响面积约为 ，处异常点均处于异常晕范围。氡浓度与 活度浓度相关性分析土壤孔隙中的可迁移氡通过扩散、渗流等作用运移至地表进而析出的过程决定着 在土壤中的累积分布。一般来讲，土壤氡浓度与 活度浓度相关性受多种综合因素影响，其中受土壤质地、土壤粒 径、土 壤 饱 和 含 水 度 和 有 效 孔 隙 度 影 响 较大；由于同一区域土壤质地与土壤粒径有高度共同点，因此选取土壤饱和含水度和有效孔隙度分析对该火区土壤氡浓度与 活度浓度的相关性的影响。表 点的氡浓度与 活度浓度及土壤物性参数 ，类型 氡浓度（）活度浓度（）土壤饱和含水度 土壤有效孔隙度 如图所示，在由同位素测氡法和氡子体 法探火划分出的全部异常晕区域内随机选取 处测点，测量各测点位置样品土壤饱和含水度和有效孔隙度，如 表所示，采 用 最 小 二 乘 法 拟 合 氡与 数据，研究土壤氡浓度与 活度浓度之间的线性关系。由图、图可知，除点和点以外，其余点均靠近火源位置，土壤氡浓度与 活度浓度在总体上呈比较明显的相关性，相关指数 ，即土壤中 活度浓度随母体氡浓度增加而增大，、点的相关性异常应该与土壤样品的饱和含水度和有效孔隙度有关。图测点分布图 图反映了土壤饱和含水度和有效孔隙度与土壤氡浓度及 活度浓度的关系。由图可以看出，第期林晨，等：固态长寿命氡子体 在采空区煤自燃火源位置探测中的应用研究图土壤氡浓度与 活度浓度的关系 土壤的饱和含水度与有效孔隙度成反比，即有效孔隙度随土壤饱和含水度增大而减小。当土壤饱和含水度在 以下时（、点），土壤氡浓度及 活度浓度变化趋势呈现出高度的正相关性。但在点的饱和含水度达到 时，土壤氡浓度远小于土壤的 活度浓度，这是由于土壤氡浓度易受到土壤饱和含水度的影响。当土壤含水率较低时，土壤孔隙中水分的增加使得反冲到土壤孔隙中的氡原子留在孔隙中的概率增加，进而增大了土壤氡浓度。点的土壤含水率较低，孔隙中一定水分的存在促进了由火区迁移至此的氡滞留于孔隙中，此外 作为氡的固态长寿命特征子体，随着氡的不断衰变吸附滞留于土壤中，反映了氡在一段时间内的累积值，因此在 点的土壤层中出现了氡和 的大量富集且土壤氡浓度及 活度浓度变化趋势高度相关。图土壤饱和含水度和有效孔隙度与土壤氡浓度及 活度浓度的关系 当土壤含水率较大时，氡在空气中的扩散系数远大于其在水中的扩散系数，且由气压梯度主