一種基于硫同位素組分比的煤田火區探測裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基于硫同位素組分比的煤田火區探測裝置及方法，屬于煤田安全領域，尤其適用于裂隙發育煤田火區。
【背景技術】
[0002]煤炭是現在和今后相當長一段時間內中國的主要能源。但是中國的煤炭資源一直深受自燃發火的威脅，在我國新疆、內蒙古、山西、寧夏、甘肅、青海等省(自治區)存在大量的煤田火區。據資料表明，我國半數以上的礦井有自燃火區或有自然發火危險區。自燃火災不僅嚴重影響和威脅著煤礦安全生產，同時凍結大量的煤炭資源。據初步統計，由于煤炭自燃導致的優質煤損失量已達42億t以上，現仍以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、自然生態環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世紀議程中已將煤炭自燃列為重大自然災害類型之一。
[0003]煤田火區治理的前提是找準燃燒區的位置，進而制定有針對性的滅火方案，撲滅煤田火區。如若不能精準圈定煤田火區位置，不僅達不到滅火效果，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。各種方法均各具優缺點。遙感方法適合圈定大面積的煤田火區，但所獲取信息為地表信息，無法對地下煤火進行有效探測，并且存在分辨率不足的問題;地表測溫反應速度快，測溫范圍大，但是工作量大，耗費時間長，在火區上方進行測溫工作具有危險性。且埋深30m以下煤田火區在地表可能無熱異常表現;鉆探方法是通過在火區施工鉆孔后，根據鉆孔溫度的高低來判別火區的分布與發展程度;該方法是一種最直接的方法，但由于煤巖的導熱性較差，為實現火區的較準確探測，需在整個探測區密集施工鉆孔(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探測的任務;電法與磁法因受大地雜散電流、磁場、山區復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燒變巖生成的熱剩磁來圈定火區邊界，但燒變巖一般只有在溫度高于400°C后才能產生顯著熱剩磁，因此，磁無法滿足400°C以下區域的探測要求。
[0004]測氡法通過對探測區氡元素的探測判別煤田火區的分布情況，認為氡元素的濃度越大火區發展程度越嚴重，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物，所以在煤田火區的圈定中存在不足。
[0005]根據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果，表明雖然不同地區煤層的含硫量差距很大，但是在煤燃燒過程中，會出現硫的同位素分餾現象，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的現象，此種現象為通過硫同位素分餾現象探測煤田火區提供了理論基礎。相對于測氡方法，SO2為煤燃燒直接生成產物，對于探測煤田火區更具優勢。且根據研究表明，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。

【發明內容】

[0006]技術問題:本發明的目的是克服已有方法的不足，提供一種結構簡便、操作方便、使用成本低的煤田火區探測裝置及方法。
[0007]技術方案:本發明的基于硫同位素組分比的煤田火區探測裝置，包括同位素質譜儀，還包括抽氣桿、用導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譜儀進行硫同位素組分的分析計算并輸出結果；
[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形凹槽，每個環形凹槽內開有多個抽氣孔;空心圓柱桿體尾部留有出氣口。
[0009]所述的多個環形凹槽為2— 4個，每個環形凹槽內開設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探測方法，包括如下步驟:
[0011 ] a.連續五天對開采出煤炭進行取樣，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.在煤田待開采區域內，按照20mX20m劃分網格，網格節點確定為測點；
[0013]c.在測點處插入抽氣桿，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.重復步驟c、d、e，按順序完成所有測點的抽氣工作；
[0017]g.使用同位素質譜儀分別測定各測點集氣袋內氣體中34S/32S含量比值，并分別與步驟a中所測煤樣中34S/32S含量比值結果進行對比，當某測點氣體中34S/32S含量比值低于煤樣中34S/32S含量比值4%。時，即可認定該測點下方存在燃燒火區。
[0018]有益效果:由于采用了上述技術方案，本發明根據煤燃燒過程中，會出現硫的同位素分餾現象，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物，相較于側氡法，準確度更高。此外，本發明可彌補地面紅外測溫以及遙感探測方法在探測深度上的不足，完成較深煤田火區的探測任務。相較于電法、磁法探測，本裝置結構簡單，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更具優勢。
【附圖說明】
[0019]圖1是基于硫同位素組分比的煤田火區探測裝置結構示意圖。
[0020]圖中:抽氣桿1、導氣軟管2、抽氣打氣栗3、干燥筒4、集氣袋5、同位素質譜儀6。
【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖中的實施例對本發明作進一步的描述:
[0022]本發明的基于硫同位素組分比的煤田火區探測裝置，包括同位素質譜儀6，抽氣桿1、用導氣軟管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譜儀6進行硫同位素組分的分析計算并輸出結果；
[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形凹槽，每個環形凹槽內開有多個抽氣孔;空心圓柱桿體尾部留有出氣口。所述的多個環形凹槽為2 — 4個，每個環形凹槽內開設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，可優選抽氣孔直徑為1mm;圓柱頂部留有出氣口，可優選出去口直徑為20mm。所述抽氣桿經導氣軟管與抽氣打氣栗相連，抽氣打氣栗通過導氣軟管與干燥筒相連，干燥筒通過導氣軟管與集氣袋相連，集氣袋中氣體由同位素質譜儀進行硫同位素組分的分析計算并輸出結果。
[0025]本發明的基于硫同位素組分比的煤田火區探測方法，具體步驟如下:
[0026]a.連續五天對開采出煤炭進行取樣，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.在煤田待開采區域內，按照20mX20m劃分網格，網格節點確定為測點；
[0028]c.在測點處插入抽氣桿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.重復步驟c、d、e，按順序完成所有測點的抽氣工作；
[0032]g.使用同位素質譜儀分別測定各測點集氣袋內氣體中34S/32S含量比值，并分別與步驟a中所測煤樣中34S/32S含量比值結果進行對比，當某測點氣體中34S/32S含量比值低于煤樣中34S/32S含量比值4%。時，即可認定該測點下方存在燃燒火區。綜合各個測點信息進而達到圈定煤田火區。
【主權項】
1.一種基于硫同位素組分比的煤田火區探測裝置，包括同位素質譜儀(6)，其特征在于:還包括抽氣桿(I)、用導氣軟管(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譜儀(6)進行硫同位素組分的分析計算并輸出結果； 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形凹槽，每個環形凹槽內開有多個抽氣孔;空心圓柱桿體尾部留有出氣口。2.根據權利要求1所述的一種基于硫同位素組分比的煤田火區探測裝置，其特征在于:所述的多個環形凹槽為2 — 4個，每個環形凹槽內開設的多個抽氣孔為四個，對稱布置。3.—種使用權利要求1所述裝置的基于硫同位素組分比的煤田火區探測方法，其特征在于，包括如下步驟: a.連續五天對開采出煤炭進行取樣，每天一次，每次lOOOg，將五份煤樣混合均勻后制樣，使用同位素質譜儀測定煤樣中總硫的34S/32S含量比值； b.在煤田待開采區域內，按照20mX20m劃分網格，網格節點確定為測點； c.在測點處插入抽氣桿(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.重復步驟c、d、e，按順序完成所有測點的抽氣工作； g.使用同位素質譜儀分別測定各測點集氣袋內氣體中34S/32S含量比值，并分別與步驟a中所測煤樣中34S/32S含量比值結果進行對比，當某測點氣體中34S/32S含量比值低于煤樣中34S/32S含量比值4%。時，即可認定該測點下方存在燃燒火區。
【專利摘要】一種基于硫同位素組分比的煤田火區探測裝置及方法，裝置包括：抽氣桿、導氣軟管、抽氣打氣泵、干燥筒、集氣袋、同位素質譜儀。本發明由插入地表的抽氣桿抽取淺層地表中氣體，氣體經導氣軟管輸送至抽氣打氣泵，抽氣打氣泵壓出氣體通過導氣軟管進入干燥筒干燥，干燥筒干燥后的氣體經導氣軟管導入集氣袋，集氣袋中氣體經同位素質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，判定測點下方是否發生煤層自燃，綜合各個測點信息進而達到圈定煤田火區的目的。其結構簡單、操作方便、使用成本低。
【IPC分類】G01V9/00, G01N27/62
【公開號】CN105588870
【申請號】CN201610003775
【發明人】王雁鳴, 宋吾軍, 邵振魯, 王文正, 時國慶, 王德明
【申請人】中國礦業大學
【公開日】2016年5月18日
【申請日】2016年1月4日