1、 西安科技大学硕士学位论文煤层火源探测氡异常值分析处理技术研究姓名：李昂申请学位级别：硕士专业：安全技术及工程指导教师：贠东风;文虎20080415论文题 目： 煤 层火 源 探 测氡 异 常 值 分 析处 理 技术 研 究业： 安 全 技术 及 工 程指导 教 师： 负 东 风改 革开 放 以 来 ， 煤 炭工 业虽 取 得 了长 足 发 展 ， 条件 有 所 改 善 ， 但仍然 存 在 着 增 长 方式 粗放 、安 全 事 故 多 发 、资 源 浪费 严 重 、环 境 治 理 滞 后 等问 题 ， 特 别是安 全 事 故 多 发 问题 令 世人 关注。 矿井 火 灾 是煤 矿主 要 灾 害
2、之 一 ， 我国 的 矿井 开 采 的 是易自燃 煤 层，矿 井 火 灾 是一 大突出 灾 害。 火 区 的 探 测不 论是对 矿 区 早 期 的 火 区 进 行预 报， 还 是对 火 区的 管理 以 及 灾 后 的 救灾 工 作都 有 一 定的 指导 意义 。 然 而 ， 由于煤 层自燃 火 灾 常 发 生 于地下 数百 米 深 处 ， 人 员 无 法 靠 近 以 及 火 源 的 隐 蔽 性 ， 使 得 自燃 火 源 位置 的 精 确探 测成为防灭火 的 关 键 技术 ， 也是一 项世界 性 难 题 。本 文基 于同 位素测氡 法 探 测煤 层自燃 火 源 位置 的 研 究 ， 对 煤 层火
3、 源 探 测氡 异 常 值 分析处 理 技术 进 行研 究 。 首先 ， 探 讨氡 在 固 体 介 质 中 的 传 播 机 理 ， 以 氡 及 其 子体 和 母 体 衰变 后 形 成的 复 合 团 簇 ， 成为氡 及 其 子体 向上 迁 移 的 内 因 即 氡 及 其 子体 迁 移 时 ， 可 视 为长寿 放 射 性 元 素着 手， 得 出 了可 迁 移 氡 通 过 扩 散、渗 流、溶 解 与蒸 发 等机 制 经 由介 质 的 孔隙 、微 裂 隙 和 裂 隙 中 通 过 向土壤表 面 迁 移 的 结 论。 其 次 ， 由于在 表 层上 覆土中 形 成的 氡异 常 信 息 较微 弱 ， 因 此
4、为了提 高 煤 层火 源 探 测的 应 用效 果 ， 应 尽 量减 少 或 消 除 各种 干 扰因 素。 故 接 下 来 进 行了在 煤 层隐 蔽 火 源 探 测过 程中 氡 异 常 的 原因 及 排 除 方 法 。 最 后 ， 利关键 词： 煤 层自燃 ；同 位素测氡 法 ；异 常 值 ；影 响 因 素论文类 型： 应 用研 究： ： ： 本 人郑 重 声明 ：所呈 交 的学位 论 文 是 我 个 人在 导 师指导 下 进 行的研 究工 作及其 取得 研 究成 果。尽我 所知 ， 除 了 文 中 加以 标 注和 致 谢的地 方 外 ， 论 文 中 不包 含 其 他 人或 集 体 已 经 公
5、开 发表 或 撰 写过的研 究成 果， 也 不包 含 为 获 得 西 安科技大 学或 其 他 教 育 机构 的学位 或 证书 所使 用 过的材料 。与 我 一 同 工 作的同 志 对本 研 究所做的任 何 贡 献 均 已 在 论 文 中 做了 明 确 的说明 并表 示了 谢意 。学位 论 文 作者签 名：专昂门或 机构 送 交 论 文 的复 印件 和 电子 版。本 人允 许论 文 被 查 阅 和 借 阅 。学校 可 以将本 学位 论 文 的全 部或 部分内 容编 入 有关 数 据 库 进 行检索， 可 以 采 用 影 印、缩印或 扫 描 等 复 制手 段 保存 和 汇编 本 学位 论 文 。同
6、 时本 人保证， 毕 业 后结合 学位论 文 研 究课题再撰 写的文 章 一 律注明 作者单 位 为 西 安科 技大 学。保密 论 文 待解 密 后适 用 本 声明 。矿 井 火灾是 煤矿 主 要 灾害之 一 ，我 国 的矿 井 开采的是 易 自 燃 煤层，矿 井 火灾是目 前 ，国内 外 煤矿 火源探 测 技 术 方法有多种 。 这 些技 术 方法分 别 适 用于 ： 高温区 域温度测 定 ，煤田 自 燃 发火探 测 ，煤巷、煤堆 、露 头 煤柱和 煤层露 头 等 近 距 离 自 然发火的火源点探 测 ，但对于 煤层火源探 测 ，特 别 是 对于 煤层隐蔽 火源探 测 ，有一 定 的局 限
7、性。现 在较适 合于 煤层隐蔽 火源探 测 的方法有同 位素 测 氡法，它是 一 种 有效 的火源探 测 法，具有方法简 便，成 本较低 、数 据 处理 快 的优点，为 确定 防 治 自 然发火方案 、措 施 提供了技 术 支 持 ，大大方便了 矿 井 防 灭 火工 作，但在分 析 处理 氡异常值 方面 尝 存 在一 些不 足 之处。该 方 法 的原 理 是 将温 度 传感 器 所测 物 理 量 转 变 为 无 线 电 波 传出采空 区 ， 由 巷道 内 的接收机 接受 ， 再将电 信 号 转 变 为 温 度 的物 理 量 。 在采空 区 ， 随 工 作 面推 进一定距 离放 置可 发 射无
8、线 电 波 的温 敏 传感 器 ， 当 采空 区 升 温 时， 传感 器 发 射无 线 电 波 ， 巷道 内 接收机可 接受 到 发 射信 号 ， 并 记 录 该 信 号 的发 射地 点和 温 度 变 化量 。 但由 于 传感 器 的维 护 及成本 高 、 井下 杂 散 电 流多 、 发 射功 率 低 、 干 扰 大 ， 推 广 应用 有一定困 难 。制成 气 体 异 常 图 ， 并 据 最 大 含量 的代 表 性 气 体 确 定火 源 点的大 致 位 置 和 火 灾 的燃 烧程度 。地 面气 体 探测 法 最重要 的是 气 体 能 不 断 向 上迁 移 而不 与其他 物 质 发 生 化学反
9、应， 要使 气 体 能 扩散 至地 面， 矿 井通 风 必 须是 正压通 风 。 地 面气 体 测 定法 虽能 大 致 确 定自燃 火源 的位 置 ， 但它受 到 采深 、 自燃 火 区 上覆 岩层 性 质 、 地 表 大 气 流动的影 响 ， 可 做 为 探测火 源 的辅 助 手段 。氡 的 化 学性质 氡 的 衰 减 癛 一 氡 的衰 变常 系 数； 氡 的 积 累当 氡 是由 于镭 的 衰 减 而来时 ， 氡 的 积 累 规 律 如 下 ： 式中 镭的衰 变常 系 数。考 虑到氡 的所有 同 位 素 如 ， 这 样 ， 上 式可采取 更 简 单的形 式： 氡 同 位 素 的 辐 射性质见
10、表 表 氡 同 位 素 的 辐 射性质氡 在 温 度为 和 压 力 下 ， 转 化 为 液 态 。 氡 转 化 为 固 态 的 温 度约 为西 安 科 技 大 学硕士学位 论文 氡 的 溶 解 性放射性气 体 能 以不 同 的 速 度溶 解 于不 同 的 液 体 中， 其中尤 为 显著 的 是溶 解 于各种 油 氧 的 溶 解 系 数；温 度为 时 ， 溶 解 系 数为 。 氡 在 有 机 溶 剂 撬 中的 溶 解 度大 于在 水中的 溶 氡 的 来源 上 ! 一。 皴湖 泊 江 河 与 海洋 的 释 放；氡 及 其放射子体 的 测 量 方 法 和测 量 仪器 很 多， 大 约 有 多种 。
11、按 照 测 定场合 的不 同 来分 类类 又 包括多种 方 法 。定 ， 所采 用 的 方 法 就有 所不 同 。放射性；这 也 是一 种 分 类 方 法 。 双 滤 膜 法气 球法 的原理 与 双 滤膜 法 相同 ， 只 不 过 将 双 滤膜 管 换 成 了 气 球。 径 迹蚀 刻法 阱】 活 性炭 吸 附法 本 方法 原理 是 利用 氡 的 第 一代子 体 即 怯 衰 变而 产 生的 ， 其 半综 上所 述 ， 煤 矿 火 源 探 测 技 术 有 多 种 ， 但 适 合于 煤 层隐蔽 火 源 探 测 的 方法 只 有 同 位素 测 氡 法 ， 它 是 一种 行 之 有 效 的 煤 层火 源
12、 探 测 方法 。同 位 素 测 氡 技 术 发 展 比 较 快， 测 氡的 仪 器 也很多 ， 可 以 进行 水 中 氡 、 空 气中 氡 和 土壤中 氡 的 探 测 ， 适 合于 煤 层隐蔽 火 源 探测 的 是 土壤中 氡 的 探 测 技 术 ， 但 测 氡 过 程中 出 现异常 值 的 原因 ， 以 及 处 理 异常 值 方面还存 在的 一些 不足之 处 ， 给 运 用 测 氡 技 术 准 确 的 判 断 煤 层火 源 位 置 带 来 了一 定 的 难 题。体， 它 们 放 出 的 蛹跛 俸 蟪 晌 ， 能 与氡 及 其 子 体和 母 体形 成 复 合团 簇 。氦很轻，当 其 复 合团
13、 簇 浮 力 大 于 重 力 时 ， 团 簇 便 会 自行 上升， 成 为氡 及 其 子 体向 上迁 移的 内 因 。由于 氡 的 迁 移是 一个 很复 杂的 过 程， 往 往 受 多 种 因 素 的 控 制， 是 多 种 迁 移机 理 的 综合。本 课 题将着 重 研究 氡 在固 体介质中 的 传 播 机 理 ， 尤其 是 氡 在土壤中 传 播 机 理 的 研究 ，为从 地 面测 氡 技 术 在煤 层火 源 探 测 方面的 应 用 提 供 理 论 依据 。地 质因素 的影 响 ：包 括断层 的影 响 、 上 覆 土层 性 质的影 响 、 地 下 水 的影 响 、 陷 落 柱的情况 、 植 被
14、 的影 响、 取 样 深 度的影 响、 地 貌 的影 响等 。本 课题 将 研 究 如何 排除或减 少以 上 因素 对隐 蔽 火 源 探测 中氡异常值 的影 响。图 课题 研究 技 术 路 线 示意图动 的 气体 ， 如 珻 ， 的 运 动 能 将 其从 地下 深 部 带 到 地表上 来 。与气 温存 在 很好 的相关性 ，即 每天 的气 温最 高时间段 ： 一 ： 氡浓度 最 低，夜 间温下 水 的搬运作用 、 伴生气 体 的压力作用 、 地 热 作用 、 地 震 应力作用 引 起 的毛细压力的 变化 、 大 气 压力的 纵 深效 应等 ，认为 其中 大 部分迁 移 机 理 只 适 应于 潜
15、 水 面 以上 的盖 层 中 氡的迁 移 ，不能 全 面 解 释 铀矿床 中 氡的 迁 移 ，认为 氡的 迁 移 距 离在 不少 情 况下 取 决于 铀矿体 周 围地 质 作用 而 发 育 起 来 的原生晕 和 次 生晕 的发 育 程 度 ，氡的 母 体 镭 元 素的 迁 移 距 离在 很大 程 度 上 决定 了 氡的 迁 移 距 离。 铀矿床 氡迁 移 机 理一般为 多 棒接 力传 递作用 。靠 接 力传 递作用 实 现 的。 测 氡法找 矿就 是 依 据氡的 接 力传 递作用 ，如 果 矿体 在 潜 水 面 以下 ，其中 的镭 在 地 下 水 的作用 下 ，向上 迁 移 到 氧 化 还 原
16、过渡 带的潜 水 面 附 近沉积 下 来 ，沉淀 的镭 衰 变 出 氡，再 向上 迁 移 。 这 种 接 力传 递作用 很好 地 解 释 了 氡法可 以助察数百米的矿的 原因。 氡在 地 质 过程 中 的接 力传 递为 ：构 造 的产 生形成低压力区，然 后 镭 、 铀等放 射性 物 质 从 构 造 周 围流 向这 个 低压带，并借 助水 ，在 压力的 作用 下 迁 移 到 地 表 ，氡是由 在 潜 水 面 附 近沉淀 的镭 衰 变 而 来 ，并经过扩 散 、 对流 等 作用 迁 移 到 地 表 。 氡法监 测 地震 也 是 依 据氡的 接 力传 递作用 实 现 的。 应变 能 以纵 波 的形
17、式 传播 ，引 起 岩石 疏 密变 化 造 内因 引起氡 迁 移 的 机理为 苡胨 切纬赏糯 氐 逼涿芏 刃 倏 掌 蹦茏 孕猩 闲 小 。空 气、 砾 石 、 水和 砂介质 模型 顶端 ， 氡及 其子 体均 呈阵 发性 而 不 是连 续 性变 化 。认 为 出西 安 科 技 大学硕士学位论文引起 应 力 重新 分布 ，在采 空 区 周边 形成 局 部 应 力 集中 区 。 按 照森维 南 原 理，由 开 挖峒 室引起 的 应 力 状态 的 变化局 限 在峒 周 一 定 范 围内 ，通 常 此 范 围等 于地下峒 室 横 剖 面 中 最 大尺 寸 的 丁 倍 。 采 空 区 形成 一 定 时间
18、后，一 旦采 空 区 周边 应 力 集中 强 度 超过了 岩 体 强度 煤层 顶 板 及 其 采 空 区 四周 岩 体 就 会遭 到破 坏 、冒落应 力 集中 区 随之向围岩 中 转 移，从而在 采 空 区 周 边 形成 一 个应 力 松 动圈 从 档 土说那 。 采 空 区 四周 低 应 力 区 的 储气作 用 氖 笛 橐阎 ，这 表明气体 沿岩 层 面 的 迁移 几 率 氡测 量 的 方 法 及测 量 仪器问 题的 。的 同 位 素 衰 变 而 来的 。氡的 衰 变 子体 主 要有 、 、 、 等 ，它 们 多 为 短寿 放射 性根 据 氡及其子体 的 衰 变 系 列和 放射 性核 素 的 相 继 衰 变 规律 ，可 以得 出 如下 重 要结论：在 此可 不 考 虑它 们 的 影响；西 安 科 技 大 学硕士学位 论文电 极运动 时容易 形 成 脉 冲信号。 辉仓 蔚 缋 胧 遥 平板型 电 离室 ； 换 致龀宀 危 微分脉 冲波形 杯测 氡仪由 空气脉 冲电 离室 、 低 噪 声放大 器 、 脉 冲计数 器 等 电 路组 成 ，电
