火区下煤层开采的安全决策技术.docx

火区下煤层开采的安全决策技术火区下煤层开采的安全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。2003 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 工作面安全回采及制订安全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表面，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发展，测氡手段也不断改进。根据探测原理可分为杯法、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15m15m，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 4060cm 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，即氡衰变达到放射性平衡状态，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、2 个高温异常区；（2） 区内 A 为一高温氧化区，距回风巷约 6080m，距切眼约 035m,发展方向 NE；（3） 区为一个高温氧化区 C，距运输巷约 045m，距西风井保安煤柱南边约30m，发展方向为 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安全回采方案：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。2003 年 8 月，五虎山煤矿已经成功、安全地采完火区下的煤面煤炭资源。实践表明，探测结果为五虎山煤矿安全回采提供了可靠的科学依据，对煤矿安全生产具有重要的推广价值。