一種基于硫同位素組分比的煤田火區(qū)探測裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于硫同位素組分比的煤田火區(qū)探測裝置及方法，屬于煤田安全領(lǐng)域，尤其適用于裂隙發(fā)育煤田火區(qū)。
【背景技術(shù)】
[0002]煤炭是現(xiàn)在和今后相當(dāng)長一段時間內(nèi)中國的主要能源。但是中國的煤炭資源一直深受自燃發(fā)火的威脅，在我國新疆、內(nèi)蒙古、山西、寧夏、甘肅、青海等省(自治區(qū))存在大量的煤田火區(qū)。據(jù)資料表明，我國半數(shù)以上的礦井有自燃火區(qū)或有自然發(fā)火危險區(qū)。自燃火災(zāi)不僅嚴(yán)重影響和威脅著煤礦安全生產(chǎn)，同時凍結(jié)大量的煤炭資源。據(jù)初步統(tǒng)計，由于煤炭自燃導(dǎo)致的優(yōu)質(zhì)煤損失量已達(dá)42億t以上，現(xiàn)仍以2000?3000萬t/a的速度增加，而受其影響造成的呆滯資源儲量超過2億t/a，由此造成的間接損失，諸如土地資源、大氣污染、自然生態(tài)環(huán)境和人文活動等受到的影響更是難以估計。因此我國政府在21世紀(jì)議程中已將煤炭自燃列為重大自然災(zāi)害類型之一。
[0003]煤田火區(qū)治理的前提是找準(zhǔn)燃燒區(qū)的位置，進(jìn)而制定有針對性的滅火方案，撲滅煤田火區(qū)。如若不能精準(zhǔn)圈定煤田火區(qū)位置，不僅達(dá)不到滅火效果，還會給滅火工作帶來安全隱患。目前，用于確定煤田火區(qū)的探測方法主要有遙感、地表測溫法、鉆探法、電法、磁法和測氡法。各種方法均各具優(yōu)缺點(diǎn)。遙感方法適合圈定大面積的煤田火區(qū)，但所獲取信息為地表信息，無法對地下煤火進(jìn)行有效探測，并且存在分辨率不足的問題;地表測溫反應(yīng)速度快，測溫范圍大，但是工作量大，耗費(fèi)時間長，在火區(qū)上方進(jìn)行測溫工作具有危險性。且埋深30m以下煤田火區(qū)在地表可能無熱異常表現(xiàn);鉆探方法是通過在火區(qū)施工鉆孔后，根據(jù)鉆孔溫度的高低來判別火區(qū)的分布與發(fā)展程度;該方法是一種最直接的方法，但由于煤巖的導(dǎo)熱性較差，為實現(xiàn)火區(qū)的較準(zhǔn)確探測，需在整個探測區(qū)密集施工鉆孔(一般孔距小于10m)，其工作量大，成本高，不易用此方法完成大面積火區(qū)探測的任務(wù);電法與磁法因受大地雜散電流、磁場、山區(qū)復(fù)雜地形等多因素的干擾，使得多解性的資料解釋非常困難，且磁法通過探測火區(qū)燒變巖生成的熱剩磁來圈定火區(qū)邊界，但燒變巖一般只有在溫度高于400°C后才能產(chǎn)生顯著熱剩磁，因此，磁無法滿足400°C以下區(qū)域的探測要求。
[0004]測氡法通過對探測區(qū)氡元素的探測判別煤田火區(qū)的分布情況，認(rèn)為氡元素的濃度越大火區(qū)發(fā)展程度越嚴(yán)重，但是由于氡元素存在于煤層圍巖中，并非煤層燃燒的直接產(chǎn)物，所以在煤田火區(qū)的圈定中存在不足。
[0005]根據(jù)中國煤的硫同位素組成特征及燃煤過程硫同位素分餾研究結(jié)果，表明雖然不同地區(qū)煤層的含硫量差距很大，但是在煤燃燒過程中，會出現(xiàn)硫的同位素分餾現(xiàn)象，即煤燃燒釋放出來氣體中硫同位素組成中，相對原煤有輕34S的現(xiàn)象，此種現(xiàn)象為通過硫同位素分餾現(xiàn)象探測煤田火區(qū)提供了理論基礎(chǔ)。相對于測氡方法，SO2為煤燃燒直接生成產(chǎn)物，對于探測煤田火區(qū)更具優(yōu)勢。且根據(jù)研究表明，燃燒生成氣體中，34s/32s組分比值低于煤樣中34S/32S組分比值4%。以上。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]技術(shù)問題:本發(fā)明的目的是克服已有方法的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡便、操作方便、使用成本低的煤田火區(qū)探測裝置及方法。
[0007]技術(shù)方案:本發(fā)明的基于硫同位素組分比的煤田火區(qū)探測裝置，包括同位素質(zhì)譜儀，還包括抽氣桿、用導(dǎo)氣軟管與抽氣桿尾部依次相連的抽氣打氣栗、干燥筒和集氣袋，集氣袋中的氣體通過同位素質(zhì)譜儀進(jìn)行硫同位素組分的分析計算并輸出結(jié)果；
[0008]所述的抽氣桿包括空心圓柱桿體和實心圓錐體頭部，空心圓柱桿體與實心圓錐體頭部連接處的桿體上開有多個環(huán)形凹槽，每個環(huán)形凹槽內(nèi)開有多個抽氣孔;空心圓柱桿體尾部留有出氣口。
[0009]所述的多個環(huán)形凹槽為2— 4個，每個環(huán)形凹槽內(nèi)開設(shè)的多個抽氣孔為四個，對稱布置。
[0010]使用上述裝置的基于硫同位素組分比的煤田火區(qū)探測方法，包括如下步驟:
[0011 ] a.連續(xù)五天對開采出煤炭進(jìn)行取樣，每天一次，每次100g，將五份煤樣混合均勻后制樣，使用同位素質(zhì)譜儀測定煤樣中總硫的34S/32S含量比值；
[0012]b.在煤田待開采區(qū)域內(nèi)，按照20mX20m劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)確定為測點(diǎn)；
[0013]c.在測點(diǎn)處插入抽氣桿，插入地表深度約為700mm;
[0014]d.插入抽氣桿之后，將抽氣桿附近地表密封，然后連接導(dǎo)氣軟管與抽氣打氣栗；
[0015]e.打開抽氣打氣栗，待栗工作I分鐘后，將集氣袋通過導(dǎo)氣軟管接入抽氣打氣栗的出氣口，待集氣袋充滿，封閉集氣袋口并編號；
[0016]f.重復(fù)步驟c、d、e，按順序完成所有測點(diǎn)的抽氣工作；
[0017]g.使用同位素質(zhì)譜儀分別測定各測點(diǎn)集氣袋內(nèi)氣體中34S/32S含量比值，并分別與步驟a中所測煤樣中34S/32S含量比值結(jié)果進(jìn)行對比，當(dāng)某測點(diǎn)氣體中34S/32S含量比值低于煤樣中34S/32S含量比值4%。時，即可認(rèn)定該測點(diǎn)下方存在燃燒火區(qū)。
[0018]有益效果:由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明根據(jù)煤燃燒過程中，會出現(xiàn)硫的同位素分餾現(xiàn)象，即煤燃燒釋放出來的氣體中硫同位素組成中，相對所用煤有富集32S輕同位素的現(xiàn)象，因為所有煤層中均含有硫元素，其中硫元素為煤燃燒直接生成產(chǎn)物，相較于側(cè)氡法，準(zhǔn)確度更高。此外，本發(fā)明可彌補(bǔ)地面紅外測溫以及遙感探測方法在探測深度上的不足，完成較深煤田火區(qū)的探測任務(wù)。相較于電法、磁法探測，本裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，可免去布置大量測線的困擾，而且由于無需較高電壓與電流，提高了探測過程中的安全性。綜上所述，本裝置與方法對于探測煤田火區(qū)更具優(yōu)勢。
【附圖說明】
[0019]圖1是基于硫同位素組分比的煤田火區(qū)探測裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖中:抽氣桿1、導(dǎo)氣軟管2、抽氣打氣栗3、干燥筒4、集氣袋5、同位素質(zhì)譜儀6。
【具體實施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖中的實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述:
[0022]本發(fā)明的基于硫同位素組分比的煤田火區(qū)探測裝置，包括同位素質(zhì)譜儀6，抽氣桿1、用導(dǎo)氣軟管2與抽氣桿I尾部依次相連的抽氣打氣栗3、干燥筒4和集氣袋5，集氣袋5中的氣體通過同位素質(zhì)譜儀6進(jìn)行硫同位素組分的分析計算并輸出結(jié)果；
[0023]所述的抽氣桿I包括空心圓柱桿體和實心圓錐體頭部，空心圓柱桿體與實心圓錐體頭部連接處的桿體上開有多個環(huán)形凹槽，每個環(huán)形凹槽內(nèi)開有多個抽氣孔;空心圓柱桿體尾部留有出氣口。所述的多個環(huán)形凹槽為2 — 4個，每個環(huán)形凹槽內(nèi)開設(shè)的多個抽氣孔為四個，對稱布置。
[0024]所述抽氣桿由上部的空心圓柱體和底端的實心圓錐體組成，可優(yōu)選圓柱體總廠為750mm，圓錐體長100mm，空心圓柱體外直徑45mm，厚度1mm;圓柱體底部靠近圓錐體附近有三處直徑小于上部的凹槽，可優(yōu)選凹槽空心圓柱體外直徑3 5mm，厚度I Omm，長15mm;在每個圓形凹槽四周對稱布置四個抽氣孔，可優(yōu)選抽氣孔直徑為1mm;圓柱頂部留有出氣口，可優(yōu)選出去口直徑為20mm。所述抽氣桿經(jīng)導(dǎo)氣軟管與抽氣打氣栗相連，抽氣打氣栗通過導(dǎo)氣軟管與干燥筒相連，干燥筒通過導(dǎo)氣軟管與集氣袋相連，集氣袋中氣體由同位素質(zhì)譜儀進(jìn)行硫同位素組分的分析計算并輸出結(jié)果。
[0025]本發(fā)明的基于硫同位素組分比的煤田火區(qū)探測方法，具體步驟如下:
[0026]a.連續(xù)五天對開采出煤炭進(jìn)行取樣，每天一次，每次100g，將五份煤樣混合均勻后制樣，使用同位素質(zhì)譜儀測定煤樣中總硫的34S/32S含量比值；
[0027]b.在煤田待開采區(qū)域內(nèi)，按照20mX20m劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)確定為測點(diǎn)；
[0028]c.在測點(diǎn)處插入抽氣桿I，插入地表深度約為700mm;
[0029]d.插入抽氣桿I之后，將抽氣桿附近地表密封，然后連接導(dǎo)氣軟管2與抽氣打氣栗3；
[0030]e.打開抽氣打氣栗3，待栗工作I分鐘后，將集氣袋5通過導(dǎo)氣軟管2接入抽氣打氣栗3的出氣口，待集氣袋5充滿，封閉集氣袋口并編號；
[0031]f.重復(fù)步驟c、d、e，按順序完成所有測點(diǎn)的抽氣工作；
[0032]g.使用同位素質(zhì)譜儀分別測定各測點(diǎn)集氣袋內(nèi)氣體中34S/32S含量比值，并分別與步驟a中所測煤樣中34S/32S含量比值結(jié)果進(jìn)行對比，當(dāng)某測點(diǎn)氣體中34S/32S含量比值低于煤樣中34S/32S含量比值4%。時，即可認(rèn)定該測點(diǎn)下方存在燃燒火區(qū)。綜合各個測點(diǎn)信息進(jìn)而達(dá)到圈定煤田火區(qū)。
【主權(quán)項】
1.一種基于硫同位素組分比的煤田火區(qū)探測裝置，包括同位素質(zhì)譜儀(6)，其特征在于:還包括抽氣桿(I)、用導(dǎo)氣軟管(2)與抽氣桿(I)尾部依次相連的抽氣打氣栗(3)、干燥筒(4)和集氣袋(5)，集氣袋(5)中的氣體通過同位素質(zhì)譜儀(6)進(jìn)行硫同位素組分的分析計算并輸出結(jié)果； 所述的抽氣桿(I)包括空心圓柱桿體和實心圓錐體頭部，空心圓柱桿體與實心圓錐體頭部連接處的桿體上開有多個環(huán)形凹槽，每個環(huán)形凹槽內(nèi)開有多個抽氣孔;空心圓柱桿體尾部留有出氣口。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于硫同位素組分比的煤田火區(qū)探測裝置，其特征在于:所述的多個環(huán)形凹槽為2 — 4個，每個環(huán)形凹槽內(nèi)開設(shè)的多個抽氣孔為四個，對稱布置。3.—種使用權(quán)利要求1所述裝置的基于硫同位素組分比的煤田火區(qū)探測方法，其特征在于，包括如下步驟: a.連續(xù)五天對開采出煤炭進(jìn)行取樣，每天一次，每次lOOOg，將五份煤樣混合均勻后制樣，使用同位素質(zhì)譜儀測定煤樣中總硫的34S/32S含量比值； b.在煤田待開采區(qū)域內(nèi)，按照20mX20m劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)確定為測點(diǎn)； c.在測點(diǎn)處插入抽氣桿(I)，插入地表深度約為700mm; d.插入抽氣桿(I)之后，將抽氣桿附近地表密封，然后連接導(dǎo)氣軟管(2)與抽氣打氣栗(3)； e.打開抽氣打氣栗(3)，待栗工作I分鐘后，將集氣袋(5)通過導(dǎo)氣軟管(2)接入抽氣打氣栗(3)的出氣口，待集氣袋(5)充滿，封閉集氣袋口并編號； f.重復(fù)步驟c、d、e，按順序完成所有測點(diǎn)的抽氣工作； g.使用同位素質(zhì)譜儀分別測定各測點(diǎn)集氣袋內(nèi)氣體中34S/32S含量比值，并分別與步驟a中所測煤樣中34S/32S含量比值結(jié)果進(jìn)行對比，當(dāng)某測點(diǎn)氣體中34S/32S含量比值低于煤樣中34S/32S含量比值4%。時，即可認(rèn)定該測點(diǎn)下方存在燃燒火區(qū)。
【專利摘要】一種基于硫同位素組分比的煤田火區(qū)探測裝置及方法，裝置包括：抽氣桿、導(dǎo)氣軟管、抽氣打氣泵、干燥筒、集氣袋、同位素質(zhì)譜儀。本發(fā)明由插入地表的抽氣桿抽取淺層地表中氣體，氣體經(jīng)導(dǎo)氣軟管輸送至抽氣打氣泵，抽氣打氣泵壓出氣體通過導(dǎo)氣軟管進(jìn)入干燥筒干燥，干燥筒干燥后的氣體經(jīng)導(dǎo)氣軟管導(dǎo)入集氣袋，集氣袋中氣體經(jīng)同位素質(zhì)譜儀分析計算硫的同位素組分比，通過與原煤中硫同位素組分比對比，判定測點(diǎn)下方是否發(fā)生煤層自燃，綜合各個測點(diǎn)信息進(jìn)而達(dá)到圈定煤田火區(qū)的目的。其結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、使用成本低。
【IPC分類】G01V9/00, G01N27/62
【公開號】CN105588870
【申請?zhí)枴緾N201610003775
【發(fā)明人】王雁鳴, 宋吾軍, 邵振魯, 王文正, 時國慶, 王德明
【申請人】中國礦業(yè)大學(xué)
【公開日】2016年5月18日
【申請日】2016年1月4日