煤炭自燃火災一直是我國煤礦的重大災害之一，給國家和礦井帶來了極大的危害經濟損失，嚴重于擾了礦井的正常生產秩序。內蒙古烏達煤田是全國最大的自燃火區。據統計，共有火區29處，總面積達307.6萬m²，已損失煤炭資源1150萬t，價值達1.2億元。五虎山煤礦位于烏達礦區南部，年產150萬t，共有可采煤層14層，其中1^#~12^#煤在井田西部均出露地表。從1982年以來，小煤窯的濫采亂挖造成多個煤層露頭及淺部塌陷區自然發火，并且逐步向煤層深部蔓延。2003年2月，五虎山煤礦布置404工作面開采4^#煤層，404工作面上部為1^#、2^#煤層采空區，在404采煤工作面開切眼冒頂處發現，冒落巖石有溫熱感，判斷上覆2^#煤采空發火。在這種條件下，如何對工作面開采部署提出了新的難題，而解決這一難題的關鍵是查明火源位置。

為了給五虎山煤礦404工作面安全回采及制訂安全技術措施提供科學依據，由太原理

工大學和五虎山煤礦共同對404工作面應用地面同位素測氡技術進行火源探測。

1火原位置探測原理

自然界廣泛存在著3個天然放射系列，即鈾系列、釷系列和錒系列。因其半衰期長，故能作為母體核素存在于巖石、土壤、煤系等介質中，鈾、釷、錒經過一系列衰變均產生一個在常溫常壓下氣溶膠態形式存在的放射性核素氡（Rn），其半衰期最長，故將氡作為信息來研究地球動力現象和輻射危害。

氡為放射性同位素，其衰變的子體為固體粒子，主要指的是鈾系的衰變體Rn-222以及它的衰變子體，在測量時既可測氡氣，又可測其子體來反映母體核素的形態及變化狀況。氡子體有很強的吸附能力，它們能牢固地附著在器物的表面，因此可將氡或其子體收集進行測量。

氡氣由地下向上遷移，是以對流為主的垂直移動，當地下溫度、壓力發生變化時，如煤層自燃產生的高溫高壓，將會使氡氣由下向上運移的速率增加。這樣，在火區的氡氣的濃度值將高于未燃前非火區的氡氣濃度值。總之，當其它條件相近而地下有煤層自燃存在熱源時，氡氣向上運移的速率和數量將大大增加，就會在發熱區上方產生一定的氡氣濃度差異，故能用測氡法間接的描述氡濃度的變化，以此精確確定地下火區的位置和范圍。

2探測方法

隨著核電子的技術的不斷發展，測氡手段也不斷改進。根據探測原理可分為α杯法、α卡法、活性炭法、熱釋光法以及徑跡蝕刻法、釙量測量等。根據探測工藝，可分為瞬時測氡法和累積測氡法兩大類。各種方法依據不同的條件及探測精度，可同時使用或單獨使用。目前，火源探測常用的方法是α杯累積測氡法，探測器為電離型，具有操作簡便、重量輕、靈敏度高的優點。

2.1測場布置

根據實示情況，上五虎山煤礦給出初始測場及各邊界點，南北沿工作面運輸巷方向長約810m，東西長180m，共布715個測點，點距15m×15m，總探測面積145800m²，測場布置示意如圖5。

2.2探測杯埋設

在每個編號測點上，挖寬30cm、深40～60cm的坑，將探杯口朝下放入，上面用塑料布覆蓋，然后用土掩埋，同時記錄時間，點號等。

2.3測量

探測杯埋入深坑內4h以后，即氡衰變達到放射性平衡狀態，將探杯取出，立即放入儀器進行測量，定時3min。記下讀數。

3探測結果分析

將野外實測的數據應用探火數據外理軟件（CDTH）進行處理可得出火區分布平面圖。圖1、圖2為測值立體圖及相應等值線圖，圖3、圖4為異常值為立體圖及相應等值線圖，以此可得出“五虎山煤礦404工作面自燃火源探測平面圖”如圖5所示：



圖1測值立體圖

（1） 在測場范圍內有Ⅰ、Ⅱ2個高溫異常區；

（2） Ⅰ區內A為一高溫氧化區，距回風巷約60～80m，距切眼約0～35m,發展方向NE；

（3） Ⅱ區為一個高溫氧化區C，距運輸巷約0～45m，距西風井保安煤柱南邊約０～30m，發展方向為NW。



圖2 測值等值線圖



圖3 異常值立體圖



圖4 異常值等值線圖



圖5 五虎山煤礦404工作面自燃火源探測平面圖

4結論

五虎山煤礦根據探測的結果制定了安全回采方案：對高溫區域采取預防性灌漿，在高溫區周圍按長、短軸主向均勻布孔，進行注漿，是時加快回采推進速度。2003年8月，五虎山煤礦已經成功、安全地采完火區下的煤面煤炭資源。實踐表明，探測結果為五虎山煤礦安全回采提供了可靠的科學依據，對煤礦安全生產具有重要的推廣價值。