煤升温氧化过程中含断层上覆岩层对氡迁移影响的研究

煤炭自燃已经成为我国矿井自然灾害中最为严重的灾害之一。一旦发生煤炭自燃,工作面不仅要停产、大面积煤田无法有效开采,而且造成了煤炭资源的极大浪费。据统计,我国煤炭自燃所造成的经济损失(含潜在的经济损失)每年在200亿元以上。煤炭是不可再生资源,资源的如此浪费与科学发展观严重相悖,因此,如何对煤炭自燃进行有效的预防、治理成为研究人员的重要课题。 火源位置的精确定位是煤炭自燃治理的关键之一。目前,利用同位素测氡法进行火源位置的探测取得了较好的效果。同位素测氡法的理论基础是: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,就会在热区上方产生一定的氡气浓度差异,就能用测氡法间接地描述氡浓度的变化,确定地下火区位置和大致范围。然而,当存在断层时,由于断裂对岩层的破坏,使岩层产生裂隙,破坏了岩石的封闭状态,使压力降低,溶解于水中的铀、镭等放射性物质将随同地下水从高压区流向这个低压区段,即断裂破碎带,形成氡及母体放射性元素的聚集。因此,断层的上覆岩层就成为氡迁移的空间,在此,氡以气态的方式向地表迁移形成了氡的浓度分布,形成地表可以探测到的氡浓度异常。 如何区分地下热源引起的氡浓度异常和断层引起的氡浓度异常,从而排除断层对测氡探火的干扰,就成为亟待解决的问题。本文利用太原理工大学中澳矿山火灾实验室的煤自燃与测氡试验台,设计实验,对该问题进行研究。 研究结果表明,在常温下,氡在介质中迁移时,其扩散系数对氡的运移影响起主导作用,而扩散系数的大小主要决定于介质孔隙率的大小,孔隙率越大的介质,氡的扩散系数也越大,氡在该介质中的运移就越容易,测点浓度越高;当升温后,温度的升高可以增强氡的向上运移能力,使得运移量增大,氡浓度升高。扩散系数和温度是影响氡的运移能力的主要因素,扩散系数越大、温度越高,氡的运移能力越强。然而,当断层下部存在高温热源时,温度对氡运移的影响占到了主导地位,由于对流速度的加快和热梯度的存在,沿垂直线方向运移的氡逐步大于沿断层线方向运移的氡。故而可以初步断定,当地表下存在大于一定温度的热源(临界温度)时,断层对氡的运移路线的影响较小,可以忽略。