王 剛

(1.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧省撫順市，113122；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧省撫順市，113122)

煤層隨著煤田大范圍開(kāi)拓并暴露出來(lái)，煤田火區(qū)范圍呈現(xiàn)急速增長(zhǎng)趨勢(shì)。煤田火災(zāi)涉及資源保護(hù)、環(huán)境治理、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等問(wèn)題，也是阻礙中國(guó)煤炭資源可持續(xù)開(kāi)發(fā)與礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展的重要議題[1]。煤田火區(qū)探測(cè)方法主要有磁法、電阻法、測(cè)氡法、紅外熱成像法、遙感法等[2]。項(xiàng)目組在研究大氣中汞的價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程及遷移機(jī)理時(shí)，選取了礦區(qū)、市區(qū)、河邊地區(qū)進(jìn)行了試驗(yàn)，通過(guò)在煤田火區(qū)進(jìn)行汞濃度測(cè)定，發(fā)現(xiàn)測(cè)定氣態(tài)汞濃度可以判定煤田火區(qū)高溫區(qū)域[3]。具體測(cè)定了五虎山煤礦10號(hào)火區(qū)下部011203工作面煤中的汞含量、10號(hào)火區(qū)地表的氣態(tài)汞濃度。通過(guò)上述試驗(yàn)驗(yàn)證了測(cè)汞法可以作為探測(cè)煤田火區(qū)的一種新方法，可以在受煤田火區(qū)影響的煤礦推廣應(yīng)用。

1 測(cè)汞法探測(cè)煤田火區(qū)的原理

半無(wú)限大介質(zhì)是指一邊有界而另一邊無(wú)界的均勻多孔介質(zhì)，計(jì)算坐標(biāo)如圖1所示。大地是典型的半無(wú)限大介質(zhì)，因此可以討論在大地半無(wú)限大介質(zhì)表面汞的遷移現(xiàn)象[4]。

圖1 半無(wú)限介質(zhì)計(jì)算坐標(biāo)

半無(wú)限大介質(zhì)中的汞遷移現(xiàn)象屬于一維現(xiàn)象，根據(jù)費(fèi)克擴(kuò)散定理和達(dá)西定理，介質(zhì)中汞濃度分布的方程可以表示為：

(1)

式中：c——介質(zhì)中汞濃度，ng/m3；

D——汞在介質(zhì)中的擴(kuò)散系數(shù)，m/s3；

v——介質(zhì)中的滲流速度，m/s；

η——孔隙度，孔隙度表示土壤的孔隙空間體積與土壤的外表體積的比值，%。

式(1)中邊界條件為x=0，c=c0；x=∞，c有界。方程的解：

式(2)說(shuō)明在半無(wú)限空間中汞濃度符合指數(shù)分布規(guī)律，而且與汞的擴(kuò)散系數(shù)、孔隙度、滲流速度有關(guān)。

1.1 溫度影響下的汞傳遞過(guò)程

把自燃的煤看作一個(gè)微元體，如圖2所示。在單位時(shí)間內(nèi)從微元體左側(cè)dydz流入的熱能為qxdydz，經(jīng)右界面流出的熱能為qx+dxdydz，則流入的凈熱能為(qx-qx+dx)dydz。固體在熱傳輸時(shí)符合傅里葉定理，則熱能可以表示為：

(3)

式中：qx——微元體流入x方向的熱能，J；

λ——稀松煤體在x方向上的導(dǎo)熱能系數(shù)，W /(m· ℃)；

圖2 煤體能量守恒單元示意

將式(3)按泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)至第2項(xiàng)得到：

(4)

式中：qx+dx——微原體流出x方向的熱能；

式(3)減去式(4)得到沿x方向凈流量：

(5)

(6)

式中：n——松散煤體的空隙率，%；

ρg——空氣密度，g/cm3；

Eg——比熱，J/(g·℃)；

vx——風(fēng)流在x方向上的流速，cm/s；

Tg——空氣的溫度，℃。

同理在y、z方向的熱焓值分別為：

式中：vy、vz——風(fēng)流在y、z方向的流速，cm/s。

(9)

上述各個(gè)公式從傳熱傳質(zhì)學(xué)角度闡述了汞在溫度影響下的遷移機(jī)理，汞在高溫加熱下會(huì)轉(zhuǎn)換成氣態(tài)汞。通過(guò)汞分析測(cè)定煤田火區(qū)地表氣態(tài)汞濃度，火區(qū)燃燒越劇烈對(duì)應(yīng)地表裂隙或煤田火區(qū)探測(cè)孔(觀測(cè)孔)的氣態(tài)汞濃度越大，從而判定火區(qū)高溫異常區(qū)域。

1.2 煤中汞的遷移機(jī)理

煤燃燒排放到大氣環(huán)境中的汞有3種價(jià)態(tài)存在：Hg0、Hg2+和Hgp。汞的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程如圖3所示。煤燃燒后釋放出的氣態(tài)汞以氣態(tài)形式釋放出來(lái)；在催化氧化作用下形成汞化合物；在氯化作用下形成汞的氯化物；在吸附作用下形成汞的p價(jià)化合物[5-6]。

圖3 汞的遷移過(guò)程

2 測(cè)試儀器原理

RA-915M汞分析儀應(yīng)用高頻調(diào)制的塞曼原子接收光譜技術(shù)，可以直接測(cè)定大氣中汞含量，其操作原理如圖4所示。光源(汞燈)置入恒磁體H內(nèi)，汞的共振線λ、σ-、σ+、π可配備不同模塊，實(shí)現(xiàn)固、液、氣多種樣品檢測(cè)，汞的共振線λ=254 mm破裂成3個(gè)極化的塞曼組分(π、σ-、σ+)[7]。當(dāng)光線沿磁場(chǎng)方向傳播時(shí)，只有σ組分進(jìn)入檢測(cè)器[7]。其中σ-能夠進(jìn)入樣品池，而σ+在樣品池外通過(guò)。σ-與σ+組分差值與汞蒸氣濃度呈正比例。RA-915M汞分析儀可以在實(shí)驗(yàn)室和室外使用，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆孔中汞濃度。該儀器每秒獲得1個(gè)數(shù)據(jù)，每10 s獲得1個(gè)平均值，每個(gè)鉆孔測(cè)試3 min[8-12]。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 10號(hào)火區(qū)概況

10號(hào)火區(qū)位于五虎山煤田西南，面積約504.1 km2，主要燃燒1號(hào)、2號(hào)、4號(hào)、6號(hào)和7號(hào)煤層。10號(hào)火區(qū)分為3個(gè)區(qū)域，分別為火I區(qū)域、火II區(qū)域、火III區(qū)域，如圖5所示，10號(hào)火區(qū)下部正在開(kāi)采011203工作面，011203工作面開(kāi)采12號(hào)煤層，10號(hào)火區(qū)與011203工作垂直距離約130 m，10號(hào)火區(qū)燃燒的7號(hào)煤層距離011203工作面垂直距離約95 m，因此及時(shí)探測(cè)10號(hào)火區(qū)高溫區(qū)域是非常必要的。項(xiàng)目組對(duì)10號(hào)火區(qū)進(jìn)行了紅外熱成像掃描，如圖6所示。通過(guò)對(duì)10號(hào)火區(qū)進(jìn)行紅外成像掃描，初步判斷火區(qū)高溫區(qū)域，對(duì)高溫區(qū)域進(jìn)行氣態(tài)汞濃度測(cè)定，提高了火區(qū)的探測(cè)效率。

圖4 RA-915M汞分析儀操作原理

圖5 10號(hào)火區(qū)位置關(guān)系

圖6 10號(hào)火區(qū)紅外熱成像

3.2 探測(cè)結(jié)果

首先采集五虎山煤礦011203工作面的煤樣、10號(hào)火區(qū)地表原煤、燃燒的煤樣，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。從表1數(shù)據(jù)可以看出，011203工作面煤中的汞含量最高，最大值達(dá)到316.50 ng/g，最小值達(dá)到176.80 ng/g。通過(guò)原煤和燃煤汞含量值比較，可以看出原煤燃燒后，汞會(huì)有大量的汞釋放出來(lái)，煤田火區(qū)中的煤燃燒后，汞會(huì)以3種價(jià)態(tài)形式釋放出來(lái)，使用RA-915M測(cè)汞儀測(cè)定煤田火區(qū)氣態(tài)汞濃度就可以分析火區(qū)燃燒狀況和燃燒區(qū)域。項(xiàng)目組測(cè)定了10號(hào)地表17-7-1號(hào)至17-7-11號(hào)(17-7-2號(hào)和17-7-6號(hào)塌孔)9個(gè)鉆孔內(nèi)的氣態(tài)汞濃度，鉆孔位置如圖5所示。每個(gè)鉆孔測(cè)試3 min，具體測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。把表2中各個(gè)鉆孔坐標(biāo)、對(duì)應(yīng)鉆孔的汞濃度輸入模擬軟件中進(jìn)行擬合分析得到10號(hào)火區(qū)汞濃度等值線圖，如圖7所示，圖中橫、縱坐標(biāo)分別表示監(jiān)測(cè)點(diǎn)緯度和經(jīng)度。從圖7可以看出，汞濃度越高，對(duì)應(yīng)區(qū)域等值線越密集，等值線最密集區(qū)域?qū)?yīng)10號(hào)火區(qū)火III區(qū)域，實(shí)際探測(cè)結(jié)果10號(hào)火區(qū)溫度也是最高的。

圖7 10號(hào)火區(qū)汞濃度等值線

表1 煤中汞含量測(cè)試數(shù)據(jù)

表2 10號(hào)火區(qū)汞濃度測(cè)試數(shù)據(jù)

4 結(jié)語(yǔ)

(1)從傳熱傳質(zhì)學(xué)角度解釋汞遷移過(guò)程，建立了半無(wú)限大介質(zhì)和溫度影響下汞遷移的數(shù)學(xué)模型。煤在受熱條件下汞的價(jià)態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換，煤中汞在燃燒條件下轉(zhuǎn)化為3種價(jià)態(tài)，分別為Hg0、Hg2+和Hgp，其中Hg0會(huì)以氣態(tài)形式釋放出來(lái)；使用測(cè)定儀測(cè)定煤田火區(qū)中氣態(tài)汞濃度，然后對(duì)汞濃度數(shù)據(jù)采用Surfer處理軟件進(jìn)行模擬分析，根據(jù)軟件的模擬分析結(jié)果來(lái)確定火區(qū)高溫區(qū)域。

(2)闡述了測(cè)汞儀的測(cè)試原理和測(cè)試過(guò)程，并在五虎山煤礦10號(hào)火區(qū)進(jìn)行了應(yīng)用，為煤田火區(qū)探測(cè)開(kāi)辟了一種新方法。

(3)測(cè)汞法探測(cè)煤田火區(qū)可以和紅外熱長(zhǎng)像法結(jié)合起來(lái)應(yīng)用。首先采用紅外熱成像法對(duì)煤田火區(qū)進(jìn)行初步探測(cè)，然后采用測(cè)汞法進(jìn)行精準(zhǔn)探測(cè)，以提高煤田火區(qū)探測(cè)的工作效率；此方法可以在其他受煤田火區(qū)影響的煤礦推廣和應(yīng)用。