2023年《安全技术》之火区下煤层开采的安全决策技术.docx

火区下煤层开采的平安决策技术 煤炭自燃火灾一直是我国煤矿的重大灾害之一，给国家和矿井带来了极大的危害经济损失，严重于扰了矿井的正常生产秩序。内蒙古乌达煤田是全国最大的自燃火区。据统计，共有火区29处，总面积达307.6万m2，已损失煤炭资源1150万t，价值达1.2亿元。五虎山煤矿位于乌达矿区南部，年产150万t，共有可采煤层14层，其中1#~12#煤在井田西部均出露地表。从1982年以来，小煤窑的滥采乱挖造成多个煤层露头及浅部塌陷区自然发火，并且逐步向煤层深部蔓延。2023年2月，五虎山煤矿布置404工作面开采4#煤层，404工作面上部为1#、2#煤层采空区，在404采煤工作面开切眼冒顶处发现，冒落岩石有温热感，判断上覆2#煤采空发火。在这种条件下，如何对工作面开采部署提出了新的难题，而解决这一难题的关键是查明火源位置。 为了给五虎山煤矿404工作面平安回采及制订平安技术措施提供科学依据，由太原理 工大学和五虎山煤矿共同对404工作面应用地面同位素测氡技术进行火源探测。 1火原位置探测原理 自然界广泛存在着3个天然放射系列，即铀系列、钍系列和锕系列。因其半衰期长，故能作为母体核素存在于岩石、土壤、煤系等介质中，铀、钍、锕经过一系列衰变均产生一个在常温常压下气溶胶态形式存在的放射性核素氡（Rn），其半衰期最长，故将氡作为信息来研究地球动力现象和辐射危害。 氡为放射性同位素，其衰变的子体为固体粒子，主要指的是铀系的衰变体Rn-222以及它的衰变子体，在测量时既可测氡气，又可测其子体来反映母体核素的形态及变化状况。氡子体有很强的吸附能力，它们能牢固地附着在器物的外表，因此可将氡或其子体收集进行测量。 氡气由地下向上迁移，是以对流为主的垂直移动，当地下温度、压力发生变化时，如煤层自燃产生的高温高压，将会使氡气由下向上运移的速率增加。这样，在火区的氡气的浓度值将高于未燃前非火区的氡气浓度值。总之，当其它条件相近而地下有煤层自燃存在热源时，氡气向上运移的速率和数量将大大增加，就会在发热区上方产生一定的氡气浓度差异，故能用测氡法间接的描述氡浓度的变化，以此精确确定地下火区的位置和范围。 2探测方法 随着核电子的技术的不断开展，测氡手段也不断改进。根据探测原理可分为α杯法、α卡法、活性炭法、热释光法以及径迹蚀刻法、钋量测量等。根据探测工艺，可分为瞬时测氡法和累积测氡法两大类。各种方法依据不同的条件及探测精度，可同时使用或单独使用。目前，火源探测常用的方法是α杯累积测氡法，探测器为电离型，具有操作简便、重量轻、灵敏度高的优点。 2.1测场布置 根据实示情况，上五虎山煤矿给出初始测场及各边界点，南北沿工作面运输巷方向长约810m，东西长180m，共布715个测点，点距15m×15m，总探测面积145800m2，测场布置示意如图5。 2.2探测杯埋设 在每个编号测点上，挖宽30cm、深40～60cm的坑，将探杯口朝下放入，上面用塑料布覆盖，然后用土掩埋，同时记录时间，点号等。 2.3测量 探测杯埋入深坑内4h以后，即氡衰变到达放射性平衡状态，将探杯取出，立即放入仪器进行测量，定时3min。记下读数。 3探测结果分析 将野外实测的数据应用探火数据外理软件（CDTH）进行处理可得出火区分布平面图。图1、图2为测值立体图及相应等值线图，图3、图4为异常值为立体图及相应等值线图，以此可得出“五虎山煤矿404工作面自燃火源探测平面图〞如图5所示： 图1测值立体图 （1） 在测场范围内有Ⅰ、Ⅱ2个高温异常区； （2） Ⅰ区内A为一高温氧化区，距回风巷约60～80m，距切眼约0～35m,开展方向NE； （3） Ⅱ区为一个高温氧化区C，距运输巷约0～45m，距西风井保安煤柱南边约０～30m，开展方向为NW。 图2 测值等值线图 图3 异常值立体图 图4 异常值等值线图 图5 五虎山煤矿404工作面自燃火源探测平面图 4结论 五虎山煤矿根据探测的结果制定了平安回采方案：对高温区域采取预防性灌浆，在高温区周围按长、短轴主向均匀布孔，进行注浆，是时加快回采推进速度。2023年8月，五虎山煤矿已经成功、平安地采完火区下的煤面煤炭资源。实践说明，探测结果为五虎山煤矿平安回采提供了可靠的科学依据，对煤矿平安生产具有重要的推广价值。