《煤礦煤層火災防治技術措施及分析》論文

1、東北大學繼續(xù)教育學院畢業(yè)設計（論文）設計（論文）題目 煤礦煤層火災防治技術措施及分析目 錄摘 要II1. 緒 論11.1 研究的目的和意義11.2 本文的框架結構22.地下防水混凝土工程的簡要概述22.1 地下防水混凝土工程的相關定義22.2 防水混凝土的防水原理52.3 防水混凝土質量影響因素63.地下防水工程施工所遵循的原則113.1自防為主的原則113.2多道設防、剛柔相濟的原則123.3混凝土的養(yǎng)護與折模123.4做好回填土123.5施工縫的處理 133.6控制好原材料的質量及準確計量134.地下施工中混凝土防水的原因及措施14 4.1地下防水工程滲漏原因分析14 4.2地下

2、防水工程滲漏防治措施165.結論21II參考文獻22II摘 要我國國有煤礦自然發(fā)火危險礦井己占60%，由于煤炭自燃導致的優(yōu)質煤損失量己達42億噸以上，現(xiàn)在仍以每年2000-3000萬噸的速度增加，煤礦每年都因火災造成人員的重大傷亡，造成數(shù)十億元的經(jīng)濟損失；煤炭自燃不僅浪費了煤炭資源，而且引起了嚴重的環(huán)境污染和生態(tài)平衡的破壞；煤層自燃釋放出的大量有害氣體，除污染大氣環(huán)境外，還直接危及人類的生存環(huán)境。本文從近距離煤層自然發(fā)火的特點及規(guī)律入手，簡述了我國煤礦煤層火災防治現(xiàn)狀，研究和總結煤層自然肌理和礦井引起火災預防治理技術。同時研究了近距離煤層自然發(fā)火的原因及其危害，并研究了火災防治的關鍵技術，通過

3、對其火災發(fā)生原因分析，從而進一步完善防治措施。關鍵詞：煤礦煤層；自燃火災；防治技術III1. 緒 論我國是少數(shù)幾個以煤作為主要能源的國家之一，也是世界產(chǎn)煤大國。煤炭在我國一次能源消費中占76%，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，對煤炭的需求還會進一步增加，我國以煤為主要能源的生產(chǎn)和消費特征在今后相當長的時間內(nèi)都不會改變。進入20世紀90年代，高產(chǎn)高效集約化生產(chǎn)被煤礦企業(yè)廣為采用，綜采放頂煤采煤法得到了大力推廣應用，該法在大幅度提高煤炭生產(chǎn)效率及煤炭產(chǎn)量的同時,也給采空區(qū)遺留下大量浮煤,使得自燃發(fā)火問題更加突出。煤層自燃涉及到資源、環(huán)境、經(jīng)濟及人口等問題，因此中國政府在中國21世紀議程中己將煤層自燃列為重

4、大自然災害之一，并且提出了行動方案和步驟。1.1 煤礦火災的危害及防治煤礦火災根據(jù)火災發(fā)生地點不同可以分為:地面火災和井下火災。地面火災是指在煤礦工業(yè)廣一場范圍內(nèi)、不影響正常生產(chǎn)的火火；井下火災是指發(fā)生在井下、或發(fā)生在井口附近、影響井下正常生產(chǎn)的火災。煤礦火災按引火源的不同又可以分為外因火災和內(nèi)因火災。外因火災是指可燃物由于外來熱源作用引起的火災。其特點是:突然發(fā)生,來勢兇猛,如果不能及時發(fā)現(xiàn),往往可能釀成惡性事故。但其燃燒往往是在表而,如果發(fā)現(xiàn)的及時,還是容易撲救的。外因火災可以發(fā)生在礦井的任何地點,但多發(fā)生在井口、井筒、機電銅室、火藥庫以及裝有機電設備的巷道或工作面中。煤炭自燃的防治是一項

5、復雜的系統(tǒng)工程,涉及到礦井生產(chǎn)的主要環(huán)節(jié),通過大量的實踐,煤炭自燃的防治體系應由6個方面組成,如圖1-1所示，首先,進行煤炭自燃預測,它是預防和預報的基礎。依據(jù)預測資料,建立煤炭自燃的預防技術屏障,當預防失效后,根據(jù)煤炭自燃初期的物理與化學變化產(chǎn)生的效應,進行煤炭自燃預報, 目前,正是受煤炭自燃預報和火源探測技術的限制,給自燃隱患點和火區(qū)的處理帶來相當大的困難,使一些專項技術措施不能發(fā)揮其應有的作用,往往在人力、物力方面付出很大的代價。圖1-1煤炭自燃火災防治體系1.2 煤炭煤層火災防治技術研究現(xiàn)狀隨著煤炭行業(yè)的高速發(fā)展,煤層自燃火災治理技術取得了顯著的成績, 50年代黃泥灌漿防滅火技術的應用

6、，60年代均壓防滅火技術的推廣,高倍數(shù)泡沫滅火技術的出現(xiàn)；70年代阻化劑防滅火試驗的成功,早期預報煤炭自燃的束管系統(tǒng)初步建立；80年代惰氣防滅火技術開始應用,研究了礦井煤層自然發(fā)火預測系統(tǒng)、快速高效堵漏風防治煤層自燃火災等技術。進入90年代,隨著放頂煤技術的發(fā)展,采空區(qū)注氮防火得到推廣與應用,近年來,膠體防滅火技術得到推廣與應用,逐步形成適應普通采煤法和高產(chǎn)高效采煤法的綜合防滅火技術。由于煤自燃是煤氧復合的結果,影響煤自燃的主要條件是煤的表面活性結構濃度、氧濃度和溫度。因此,自燃火災撲滅主要從三個方面著手:一是隔離煤氧接觸,使自燃火災窒熄；二是降低煤溫使煤氧化放熱強度降低,最終使火熄滅。三是惰

7、化煤體表面活性結構降低煤氧復合速度,防止煤自燃的發(fā)生。目前常用的防滅火技術主要有如下幾類:惰化、堵漏、降溫等以及它們幾類的綜合,共同發(fā)揮滅火作用,最終實現(xiàn)防滅火的目的。2.煤礦煤層火災的特點及規(guī)律2.1 煤炭的自燃過程地下防水工程是指對全埋或半埋于地下或水下的地下室、隧道以及蓄水池等建筑物、構筑物進行防水設計、防水施工和維護管理等技術工作的工程實體。是依據(jù)建筑物、構筑物防水設防部位進行分類而得出的一個防水工程類別。地下工程的持點是由于受地下水煤炭的自燃過程按其溫度和物理化學變化特征,分為潛伏(或準備)、自熱、自燃和熄滅四個階段,如圖2-1所示。圖中虛線為風化進程線,潛伏期與自熱期之和為煤的自然

8、發(fā)火期。潛伏期：自煤層被開采、接觸空氣起至煤溫開始升高止的時間區(qū)間稱之為潛伏期。在潛伏期,煤與氧的作用是以物理吸附為主,放熱很小,無宏觀效應；經(jīng)過潛伏期后煤的燃點降低,表面的顏色變暗。潛伏期長短取決于煤的分子結構、物化性質、煤的破碎和堆積狀態(tài)、散熱和通風供氧條件等對潛伏期的長短也有一定影響,改善這些條件可以延長潛伏期。圖2-1煙煤自燃過程溫度與時間的關系自熱階段：溫度開始升高起至其溫度達到燃點的過程叫自熱階段。自熱過程是煤氧化反應自動加速、氧化生成熱量逐漸積累、溫度自動升高的過程。其特點是:氧化放熱較大,煤溫及其環(huán)境(風、水、煤壁)溫度升高;并散發(fā)出煤油味和其他芳香氣味;有水蒸氣生成,火源附近

9、出現(xiàn)霧氣,遇冷會在巷道壁面上凝結成水珠,即微觀結構發(fā)生變化。燃燒階段：煤溫達到其自燃點后,若能得到充分的供氧(風),則發(fā)生燃燒,出現(xiàn)明火。這時會生成大量的高溫煙霧,其中含有CO、C02以及碳氫類化合物。若煤溫達到自燃點,但供風不足,則只有煙霧而無明火,此即為干餾或陰燃。煤炭干餾或陰燃與明火燃燒稍有不同,CO多于CO2,溫度也較明火燃燒要低。熄滅：及時發(fā)現(xiàn),采取有效的滅火措施,煤溫降至燃點以下,燃燒熄滅。煤礦井下火災中,90%以上屬于煤炭自燃火災。煤礦自然發(fā)火嚴重影響著煤礦的正常生產(chǎn),危脅井下人員生命安全,燒毀煤炭資源。由于井下環(huán)境復雜,自燃發(fā)火點往往比較隱蔽,難以直接觀察到著火現(xiàn)象,因此,在實

10、際工作中,礦井某一區(qū)域或采掘工作面出現(xiàn)下列情況之一時,便定為自然發(fā)火。2.2 煤炭自燃的原理人們從17世紀開始探索煤炭自燃機理。但是關于煤的自燃機理問題是當前世界各國沒有解決的難題。各國的學者發(fā)表了各種學說以解釋煤炭自然發(fā)火的原因,1862年,德國Gurmbman發(fā)表了第一篇關于煤炭自燃起因的文章。一百多年來,先后提出闡述煤炭自燃機理學說有多種,其中主要的有細菌作用學說、黃鐵礦作用學說、酚基作用學說以及煤氧化合學說等。1951年蘇聯(lián)學者維謝洛夫斯基等人提出,煤的自燃是氧化過程自身加速發(fā)展的結果。這種氧化反應的特點是分子的基鏈反應。細菌作用學說主要認為煤炭自燃是細菌的作用。波特爾經(jīng)研究認為,酵母

11、菌的發(fā)酵作用在煤的自燃過程中起著決定性的作用。哈爾丹等人認為,菌的作用不在于它本身,而在于它接觸煤炭后將產(chǎn)生一些易于氧化的化合物,它們與氧接觸放出大量的熱使煤升溫而自燃。細菌作用學說,在實踐中也遇到了很多矛盾,使它很難為人們所信服。例如放在真空中溫度100攝氏度以下的煤炭,經(jīng)過2小時,所有的細菌都會死掉,它的自燃傾向性與加熱前完全相同,因此,這一學說沒有被人們所承認。2.3 近距離煤層自燃特點及其規(guī)律近距離煤層在回采過程中,由于上下煤層間距較小,煤層開采時受采動影響比較大。在下部煤層開采過程中,受礦壓影響,下部煤層頂部巖體垮落產(chǎn)生大量裂隙,使得冒落帶和裂隙帶中的裂隙成為空氣滲流的主要通道,上部

12、煤層供氧充分；而且在下部煤層開采過程中,頂部巖層垮落,保護煤柱被壓酥破壞,產(chǎn)生大量裂隙,也會產(chǎn)生大量漏風通道,容易引起保護煤柱自燃；而對于綜放開采來說,兩道及兩線浮煤較厚,也易引起自燃。2.3.1近距離煤層自燃發(fā)火的特點火災一般發(fā)生在距煤體暴露面一定距離的深部。根據(jù)煤氧復合理論,煤自燃是由于煤氧復合放熱的結果。煤自燃其實質是氧化放熱與散熱這對矛盾運動發(fā)展的過程,當煤氧化放熱速率大于熱量散發(fā)速率時煤溫上升,放熱速率小于散熱速率時,煤溫下降。在松散煤體的表面,由于漏風速度比較大,煤氧復合產(chǎn)生的熱量被風流帶走,因此煤溫不會升高；在松散煤體深部,由于氧濃度很低,煤氧復合速度很慢,放出的少量熱能通過煤體

13、及圍巖傳導散發(fā)掉,煤溫也不會升高；只有在距離松散煤體表面一定深度的范圍內(nèi),氧濃度比較高,熱量發(fā)散又比較慢,煤溫才會升高發(fā)生自燃。煤自燃過程中,隨煤溫升高,高溫點總是逆著風流移動。一旦發(fā)現(xiàn)煤體暴露面處有自燃征兆,火源點周圍煤巖體的溫度升高,高溫煤體范圍己很大。發(fā)生自燃時煤溫己經(jīng)很高,由于煤的熱容比較大,高溫煤體的體積很大,所以煤體內(nèi)部及圍巖己儲存了大量的熱能,要降低如此大范圍高溫煤巖體的溫度相對比較困難。煤體自燃是煤氧復合放出熱量的結果,煤氧復合只要有氧存在就能進行,氧濃度大小僅影響煤氧復合速度的大小。煤體溫度越高則煤的氧化活性越高,煤氧復合反應速度越快,放熱強度越大。由于煤的導熱性差,煤體通過

14、傳導散熱速度很慢,因此,通常較低的氧濃度與煤反應放出的熱量就可維持高溫煤體溫度不下降。因此,煤層自燃時采用封閉滅火,滅火周期較長,火區(qū)啟封后易于復燃。煤層自燃時,除了煤溫很高外,還伴隨大量有毒有害的有機氣體。一方面煤氧化會產(chǎn)生一些有機氣體,另一方面,在高溫下,煤的大分子發(fā)生裂解,也會產(chǎn)生大量有害氣體,高溫也促使煤中的小分子揮發(fā)釋放到空氣中。在井下封閉空間里,煤自燃產(chǎn)生的有害氣體容易聚集,引起井下工作人員中毒。2.3.2近距離煤層工作面煤層自燃規(guī)律煤自燃過程中,隨煤溫升高,高溫點總是逆著風流移動。一旦發(fā)現(xiàn)煤體暴露面處有自燃征兆,火源點周圍煤巖體的溫度升高,高溫煤體范圍己很大。發(fā)生自燃時煤溫己經(jīng)很

15、高,由于煤的熱容比較大,高溫煤體的體積很大,所以煤體內(nèi)部及圍巖己儲存了大量的熱能,要降低如此大范圍高溫煤巖體的溫度相對比較困難。綜放工作面的開切眼斷面大,受礦壓影響易壓裂破碎,存在漏風供氧；綜采設備安裝時,供風量小,風流溫度高;安裝時間較長,初期工作面推進速度一般相對較慢,切眼松散煤體氧化升溫時間長,煤體溫度較高。停采前20-30米左右,工作面不放頂煤,采空區(qū)遺煤較厚；近距離煤層采空區(qū)煤柱受采動影響,在礦壓作用下容易壓酥破碎形成漏風通道,其自身破碎后的碎煤堆積形成蓄熱條件,而導致自燃危險性增加。因此,切眼、停采線附近,采空區(qū)煤柱易發(fā)生自燃火災。綜采放頂煤開采一般情況下相對以往的炮采、普采推進速

16、度較快,但通常比一般的綜采面推進速度慢。從采空區(qū)浮煤分布情況看,由于端頭支架處頂煤放出率低,留有大量遺煤。而順槽頂板的煤己經(jīng)過長時間氧化蓄熱升溫,進入采空區(qū)后,使采空區(qū)兩道遺煤溫度相對其它地點有可能較高,自然發(fā)火期大為縮短,從而在推進速度較慢時,就可能發(fā)生采空區(qū)遺煤自燃。綜放面采空區(qū)留有大量浮煤,煤氧作用熱量逐漸積聚,一旦自燃,采空區(qū)蓄存了大量熱能,造成周圍煤(巖)體的溫度亦相當高,因此,綜放面采空區(qū)高溫范圍大。煤體自燃產(chǎn)生的煙流順著風流流動,高溫火點逆著風流流動,而采空區(qū)為開放式漏風,其漏風分布及規(guī)律復雜,高溫點速度發(fā)展迅速,很難準確判斷出采空區(qū)高溫區(qū)域。近距離煤層的上部煤層開采時要布置相應

17、的工作面,在相鄰工作面間須留設足夠的保護煤柱,而下部煤層在開采時工作面的布置就要相應的錯開一定的位置,即上部煤層保護煤柱正好落在下部煤層工作面內(nèi)。一般來說,先開采上部煤層,后開采下部煤層。待上部煤層采過后,開采下部煤層時,受采動影響,礦壓顯現(xiàn)明顯,頂部巖層垮落,保護煤柱被壓酥破壞,產(chǎn)生大量裂隙,漏風嚴重,容易引起保護煤柱自燃，直接影響下層煤的安全生產(chǎn)。綜放面采空區(qū)漏風開放、立體空間大、工作面長度大、火源較為隱蔽；因此,一旦出現(xiàn)自然發(fā)火的隱患,很難準確的對采空區(qū)火區(qū)進行治理,況且由于火源的位置確定的模糊性,使火區(qū)治理盲目性增大,治理區(qū)域大。同時,一旦封閉工作面,很難對綜采面采空區(qū)中部進行處理,常

18、發(fā)生啟封后高溫區(qū)域復燃。因此,高溫點治理難度大,再加上工作面作業(yè)空間的影響,使防滅火技術難以快速有效的治理采空區(qū)浮煤自燃火災。2.4 近距離煤層自燃發(fā)火影響因素分析煤炭的自燃是一個極其復雜的物理化學變化過程,科學研究和生產(chǎn)實踐都已說明,它能否發(fā)生除了取決于煤炭本身內(nèi)在的物理、化學、力學性質外,還與地質條件、開拓條件、通風條件等因素密切相關,是這些因素共同影響、相互作用的結果。根據(jù)煤氧復合學說,煤體自燃主要是由煤氧復合作用并放出熱量而引起,煤的氧化放熱是熱量自發(fā)產(chǎn)生的根源,是引起煤炭自然發(fā)火的根本原因之一。煤氧復合反應放出熱量,當放熱速度大于圍巖散熱時,引起熱量聚集使煤溫升高,溫度升高使煤氧復合

19、速度提高,最終導致煤體自燃。當煤與空氣接觸后,首先是發(fā)生煤體對氧的物理吸附產(chǎn)生物理吸附熱,隨后,煤氧又發(fā)生化學吸附和化學反應,并放出化學吸附熱和化學反應熱,所放出的熱量積聚起來,當煤體所放出的熱量大于煤體所處環(huán)境的散熱量時,熱量積蓄,煤體溫度上升,導致煤體自燃。反之,熱量被散發(fā),煤體溫度無法上升,導致煤體風化。煤體熱量積聚的過程,也是自燃的發(fā)展的過程,而自燃正是煤體放熱與散熱這對矛盾運動發(fā)展過程的結果之一。在實際礦井中,近距離煤層的自燃除了內(nèi)在影響因素包括煤化學成分和變質程度、煤巖成分、煤的水分、煤的硫含量以及煤的空隙率、碎度和脆度等之外,還受煤炭自燃外在因素的影響,主要有煤層的地質賦存條件、

20、煤層的開拓、開采和通風條件等。自燃火災形成的過程是許多因素綜合作用的結果,但煤層的自燃性能是起決定性的因素,其他因素起加劇和增加危險程度的作用。3.煤礦煤層自燃火災關鍵技術研究煤礦煤層火災防治的關鍵主要是煤層自燃早期的預測預報,以及煤層自燃火源位置的定位,火區(qū)范圍的確定與自燃發(fā)展的程度(溫度)。煤層工作面采過后,頂板巖層相繼跨落,上部煤層煤柱被壓酥跨落,近距離煤層采空區(qū)則是一個松散體,其空氣滲流場、氧氣濃度分布場、溫度場和煤的物理化學過程相互影響,呈非穩(wěn)態(tài)變化,從而使得近距離煤層采空區(qū)自然發(fā)火過程十分復雜。近距離煤層采空區(qū)可以認為是一個有機物和無機物混雜而成的煤巖體,受采動影響,該巖體破碎后,

21、外表面劇增,表面有機分子暴露出許多能在常溫常壓下與空氣中的氧發(fā)生化學反應的活性結構,這些結構氧化放出熱量,在一定蓄熱環(huán)境下,熱量積聚,煤溫升高,從而使煤體進一步放熱,最終導致自燃。因此,煤自燃過程是具有以下特點的力學作用過程:松散煤體中存在非穩(wěn)態(tài)的壓力差、氣體濃度差和溫度差,從而引起非穩(wěn)態(tài)的氣體滲流;氣固間存在質量和熱量的交換(氧氣的消耗、介質中吸附和脫附氣體、化學反應產(chǎn)物、含濕量的變化等);氣固化學反應熱源引起質和熱交換加劇,使氣體滲流增強;溫度場、力場和流場都隨空間和時間變化;自燃發(fā)生在非均質松散介質(煤體)之中。3.1煤礦煤層早期預測預報技術煤炭自燃的早期識別和預測預報,就是依據(jù)煤炭自燃

22、發(fā)展過程中所表現(xiàn)出來的各種征兆,在自燃火災形成以前作出預測預報,使人們及時發(fā)現(xiàn)自燃隱患,及早采取措施,將自燃火災消滅在萌芽狀態(tài),以免釀成火災事故。因此,煤炭的自燃早期識別和預測預報是礦井防滅火工作中十分重要的內(nèi)容。煤炭自燃的早期識別和預測預報的依據(jù)是井下自燃發(fā)展過程中各種化學和物理變化。煤炭自燃的早期識別和預測預報的方法有：人的直覺識別法、氣體分析法和溫度測定法。人的直覺識別法是通過人們的感覺來識別和預報煤炭自燃的方法。煤炭自熱升溫以后會使水分蒸發(fā),火源點附近的巷道內(nèi)會出現(xiàn)霧氣,巷道壁出現(xiàn)水珠等現(xiàn)象,尤其是到了自熱階段的后期還會出現(xiàn)煤油味、焦油味等可以通過人的視覺和嗅覺等直接覺察到的自燃征兆,

23、通過這些征兆可以判定附近定有煤炭自燃的高溫點。氣體分析法是通過測定井下空氣成分的變化,根據(jù)可能發(fā)生煤炭自燃區(qū)域內(nèi)風流氣體的變化規(guī)律來判定有關地點是否出現(xiàn)煤炭自熱溫度及自燃發(fā)展程度的一種預測預報方法。它還可以分為:人工取樣分析法、束管取樣分析法和傳感監(jiān)測發(fā),其中,束管取樣分析法適用性好,可靠。實踐證明,該方法監(jiān)測范圍大、預報較為準確。溫度測定法是指通過測定煤樣或周圍的溫度來判斷自燃的發(fā)展程度及位置,可以分為:直接點測溫法和預埋探頭測溫法。由于煤巖體導熱性能差,因此,測定范圍有限,一般用作自燃預測預報的輔助手段。3.2煤炭自燃火源探測技術概述 煤炭自燃火源探測的根本目的是為了在火災處理過

24、程中有的放矢地采取措施,從而達到事半功倍的效果。目前,國內(nèi)外煤炭自燃火源探測方法主要有:溫度(輻射能量)法,包括紅外測定法和煤或圍巖溫度測定法;磁探法;電阻率法;氣體測量法；無線電波法;地質雷達探測法;遙感法;計算機數(shù)值模擬法;同位素測氛法等。在判斷煤炭自燃的燃燒程度和范圍時,溫度是最直接和準確的指標,受外部因素影響小,只要確定某處煤炭的溫度及其分布,就能分析給定煤的自燃程度和范圍。溫度測定法既可以用于煤炭自燃預報,也可用于火源探測。紅外測定法的實質是自然界的任何物體只要處于絕對零度之上,都會自行向外發(fā)射紅外線。物質溫度越高,輻射能量就越大,紅外測溫儀或紅外熱成像儀接受輻射量或輻射溫度就越高,

25、利用紅外儀器對溫度的高分辨率來確定井下巷道煤炭自燃的燃燒程度及范圍。利用測溫傳感器與相關儀表相結合測取煤或圍巖溫度的溫度測定法。溫度測定法根據(jù)測定位置不同分為地面溫度測定。磁探法的實質是煤層上覆巖石中一般都含有大量的菱鐵礦及黃鐵礦結核,煤層自燃時上覆巖石受到高溫烘烤,其中鐵質成分發(fā)生物理化學變化,形成磁性礦物,并且燒變巖(因煤層自燃而變質的巖石)由高溫冷卻后保留有較強的熱剩磁?；饏^(qū)這一特殊的磁性特征,使磁探法探測火區(qū)火源及其邊界成為可能。3.3同位素測氡探測法基本原理從1900年德國化學家F.E多爾發(fā)現(xiàn)氡至今己有近百年歷史。由于氡屬于放射性惰性氣體,因此以其特殊的地球化學性質被廣泛應用于礦床勘

26、查、地質測繪、環(huán)境科學、尋找石油及地熱資源、地震預報及火山噴發(fā)、地球動力現(xiàn)象研究等各個領域。在煤礦安全領域,可以用同位素測氡法在地表探測自燃火源位置及范圍,研究煤礦井下氡分布與自然發(fā)火關系以及測氡技術確定煤炭地下氣化礦井燃燒帶、氧化帶范圍及移動速率等。其中鈾系的衰變產(chǎn)物氡（Rn），屬放射性惰性氣體，它特殊的地球化學性質被廣泛應用于評價地熱資源、研究地震及火山噴發(fā)等地球動力現(xiàn)象。氡為放射性核素，衰變時放出能量，可作為信息被檢測出來，它反映地球體內(nèi)核素含量及其活動形式與衰變類型。研究表明，氡隨著介質溫度的升高，析出率增加，火區(qū)或高溫點上部氡的離子交換速度加快，以及地下水的拖氣效應，使得氡的放射性活

27、度增加而產(chǎn)生氡異常，以此做為探測火源的基本原理。溫度對氡氣分布的影響主要表現(xiàn)在：影響氡的母元素分布；影響自由氡的生成量；溫度梯度影響氡的運移。溫度對氡母元素分布的影響是由于鈾的地球化學性質很活潑，易與氧化合，在溫度較高的介質中含有足夠的自由氧時，它可以離開母體巖石發(fā)生遷移。在高溫的氧化環(huán)境中，容易形成鈾向潛水面下的低溫環(huán)境中遷移。而鈾的這種運動是有利于形成自燃火區(qū)上覆巖層中氡氣的重新分布。溫度對氡生成量的影響主要表現(xiàn)在對射氣系數(shù)的影響和對氡在水中溶解度的兩方面影響。一方面，在低溫階段，射氣系數(shù)隨溫度的升高而增大。含鈾巖石的射氣系數(shù)隨著溫度的升高而增大，而且溫度越高，作用的時間越長，巖石所析出的

28、氡越多。另一方面，隨著溫度的升高，氡的溶解度降低，部分溶解的氡變?yōu)樽杂呻倍M入巖石的孔隙與裂隙中，造成自由氡生成量的增大。溫度對氡氣運移的影響是由于溫度梯度的作用，導致水和氣體的彈性形變將在地球內(nèi)部引起流動而導致形成對流單元。這對于地下深部含有高濃度的氡時，探測深度可超過100米的解釋是合理的。另外溫度升高的環(huán)境中,地下巖層中產(chǎn)生和釋放許多氣體，如氫氣、一氧化碳、二氧化碳、水蒸氣等，這些都是氡氣運移時很重要的運載氣體。原子核由質子(Z)和中子(N)組成。兩種粒子統(tǒng)稱為核子。原子核內(nèi)質子數(shù)和中子數(shù)之和稱為核子數(shù)(A)。凡質子數(shù)相等但核子數(shù)不等的核素統(tǒng)稱為同位素。質子數(shù)Z>82的核素都是不穩(wěn)

29、定的,屬于放射性同位素。自然界中有些核素的原子核能自發(fā)地發(fā)生變化,從一個核素的原子核變成另一個核素的原子核,并伴隨著放出射線,這種現(xiàn)象稱為核衰變。常見的衰變類型有衰變、衰變和衰變。放射性核素在衰變時放出能量,其能量可作為信息被檢測出來而反映地球體中核素含量及其活動形式與衰變類型,這就是核探測技術的基礎。4.煤炭煤層火災防治措施研究煤層自燃不僅燒失大量的煤炭資源,引起水資源的流失, 而且還引發(fā)人員傷亡事故。據(jù)1996年對621個國有重點礦的統(tǒng)計,共有363個礦井具有自燃發(fā)火危險, 占礦井總數(shù)的57.62%。煤礦區(qū)發(fā)火率也很高。僅以1996年為例, 國有重點煤礦全年發(fā)火次數(shù)568次, 其中內(nèi)因火災

30、548次, 百萬噸發(fā)火率達1.1。截止1996年底, 國有重點煤礦殘存火區(qū)255處, 凍結煤量4011萬噸。煤炭火災引起的人員死亡事故不斷,以1998年為例,因煤炭火災而死亡的有52人。因此,煤炭火災的防治一直是煤炭系統(tǒng)的重要任務之一。煤炭火災的防治一般采取了解火區(qū)范圍建立火災預測預報系統(tǒng)滅火三大步驟。從目前的情況來看,中國北方煤炭自燃火災的區(qū)域性調(diào)查由中國煤炭地質總局航測遙感局和荷蘭國際航空航天測繪與地球科學學院共同完成。利用遙感技術進行煤炭火區(qū)的調(diào)查不失為一種好的方法。煤炭火災由多種因素引起,火災的防治主要由采礦專業(yè)礦井安全方面的專家負責,就煤層自燃引發(fā)的火災防治來說, 主要側重于研究通風

31、、火災樣檢測傳感元件研制等方面的發(fā)火前預防措施, 建立控風、防滅火專家系統(tǒng)。在發(fā)火后,則側重研究火區(qū)封閉技術、使用惰氣防滅火技術和綜合應用技術,研究防滅火新材料和新技術, 進行煤礦火災的綜合治理。就目前來說, 有些防滅火技術和措施還是行之有效的。然而,煤層自燃的原因很復雜,如前所述,就煤層本身而言,煤層自燃就與煤變質程度、煤巖組分、煤層裂隙發(fā)育程度、煤層遭水淹情況、煤的還原程度等有關; 在野外,在實驗室等不同的場所得出的煤層自燃的臨界值不同, 在很大程度上與煤層本身的特征有關。因此, 要提高火災樣檢測傳感元件的預測預報精確度,研究抑制起火的最佳通風, 就很有必要研究煤層的特征:不同煤層在不同溫

32、度下的氣體釋放規(guī)律、煤層自燃臨界值等。鑒此, 我們應把煤層自燃的區(qū)域調(diào)查, 煤礦火災的預測預報和防治有機地結合起來, 將遙感技術、地球物理技術、煤巖學和有機地球化學、通風和火災樣檢測傳感元件研制等結合起來,才能達到有效地防治煤層自燃火災的目標。4.1煤礦煤層自燃火災綜合治理技術流程利用測氡法對火區(qū)范圍進行確定，將復合膠體防滅火技術與灌注膠體工藝應用于露頭煤自燃綜合治理中，將注水冷卻、爆破剝離、黃土覆蓋整平相輔助的較為完善的治理技術和工藝。露頭煤自燃火災綜合治理技術流程見圖 4.1。圖4-1煤層自燃火災綜合治理技術流程圖 4.2火區(qū)治理方法采用地面施工的方式封堵上部采空區(qū)漏風通道，同時消除主要的

33、火源點和高溫區(qū)?；饏^(qū)探測：采用測氡法對火區(qū)及其影響區(qū)的位置和范圍進行精確定位?；饏^(qū)隔離：采用地面打鉆壓注復合膠體的方法，在工作面與上部采空區(qū)火區(qū)之間建立起膠體隔離帶，防止火區(qū)下部工作面回采時火源隨采空區(qū)塌陷進入工作面后部采空區(qū)，同時避免火區(qū)內(nèi)有害氣體涌入工作面，并防止工作面回采期間發(fā)生“潰漿”事故，確保采煤工作面的安全。4.3鉆孔布置鉆孔布置是火區(qū)治理關鍵的一步，火區(qū)鉆孔分為注漿鉆孔和觀測鉆孔，注漿鉆孔的分布就是復合膠體要灌注覆蓋的范圍，鉆孔位置布置包括鉆孔的平面位置和鉆孔深度設計，所以要特別重視，要快速有效的消除火災，鉆孔必須要精心設計。根據(jù)實際情況，鉆孔盡可能布置在火區(qū)高溫區(qū)。一般情況下，

34、高溫區(qū)就是火區(qū)的一個或幾個火源點，是火區(qū)發(fā)展最快的部位，同時也是連接漏風通道最多的地方，無論注水降溫還是注漿封堵覆蓋，無疑是最佳位置。注漿鉆孔深度:鉆孔深度主要由地表至采空區(qū)的深度決定。從地面鉆孔時，根據(jù)灌漿時漿液的壓力分布情況和灌漿的需要，一般來說鉆透采空區(qū)頂板后即可。鉆孔時鉆進煤柱應鉆至底板，以確定所鉆孔位置為煤柱而不是未開采完全的頂部煤層。如果采空區(qū)資料齊備，可根據(jù)地面標高、井底標高和頂板標高來確定每一個鉆孔深度；在資料不齊全的情況下，則以實際鉆探資料為準。4.4注水降溫、注膠封堵覆蓋水和不燃性灌漿材料（土、黃土等）是礦井最主要，也是效果最好、最廉價的滅火材料，在治理本火區(qū)的同時，不可對

35、下部采掘工作面造成其它安全隱患，如潰漿、突水等，必須采用能夠提高水、土的利用率和效率的膠體防滅火技術，來治理火區(qū)。膠體防滅火材料集堵漏、降溫、阻化、固結水等性能于一體，能夠在指定位置停留，較好地解決了灌漿、注水的泄漏流失問題，成功撲滅了上百起煤層火災，防滅火效果極佳，已成為煤層火災封閉的主要技術手段之一。在鉆孔布置施工完成后，利用 MYZ-30 地面移動式灌漿注膠防滅火系統(tǒng)，注膠工程根據(jù)技術要求采取多個鉆孔與單個鉆孔注膠相結合的方式，一般同時灌注 34 個鉆孔，新注鉆孔注膠前 2 小時內(nèi)灌注清水冷卻降溫，然后向制膠機添加，灌注黃土復合膠體，同時打開煤礦用注膠機添加復合膠體添加劑。開始注膠前應對

36、所有管路進行巡察，保證注膠管路暢通、完好。單個鉆孔注膠時，注膠完成需調(diào)換鉆孔時，清水沖管 15 分鐘，注膠工作暫停超過半小時要求清水沖管 15 分鐘。對火區(qū)實施鉆孔注水的目的是撲滅火區(qū)深部火災，這是撲滅煤田火災的重要環(huán)節(jié)。隨著鉆探工程的進程，對火區(qū)內(nèi)的各類鉆孔必須做到及時注水，以降低火區(qū)下部溫度，直至達到滿足注漿工程所要求的條件（即溫度小于 100）。鉆孔注水原則為：先深部后淺部、先外圍后向火源中心合攏。實施鉆孔注水時要求進行間歇注水，目的是提高注水的利用率，具體間歇時間依現(xiàn)場情況而定，一般為 46 個小時。地面移動式注漿系統(tǒng)注膠工藝按渣漿泵制濾機皮帶機供水閥門的順序進行開機，根據(jù)計劃注漿的流

37、量和濃度調(diào)整水量；通水一段時間后施工人員把粉煤灰通過皮帶機加入到制漿機料箱內(nèi)，制漿機的定量部分會自動按要求的用灰量把灰均勻送入制漿攪拌部分；制漿部分把水與土、灰混合、攪拌制成均勻濃度漿液，過濾部分把漿液中的大顆粒固體濾出，合格漿液自流進入渣漿泵通過注膠管路送至井下，漿液到達注膠地點附近時，用“煤礦用注漿機”按比例要求加入復合膠體膠凝劑，通過管路注入火區(qū)或采空區(qū)。復合膠體膠凝劑會使?jié){液在一定時間內(nèi)（1 分鐘左右）發(fā)生膠凝反應，形成類似豆腐狀無流動性固體，在壓力做用下通過裂隙緩慢移動，失去部分水后完全失去流動性。井上、下配合的灌漿注膠系統(tǒng)的膠凝劑在井下灌漿地點附近加入。4.5火區(qū)治理效果監(jiān)測分析火災治理效果的監(jiān)測分析是評價煤田火災治理方法是否正確，治理工藝是否恰當，是否達到預期的治理效果。針對昌平煤礦火災情況，其治理效果的監(jiān)測分析是通過地面鉆孔與井下氣體檢測兩個方面進行?；饏^(qū)監(jiān)測采用地表鉆孔氣體監(jiān)測和井下火區(qū)氣體監(jiān)測互為應證的方法，治理完成后檢測井下