建国40多年来，随着煤炭事业的高速发展，矿井防灭火技术与理论的研究方面取得的成绩也是显著的。50年代黄泥灌浆防灭火技术的应用，煤炭自燃鉴定方法的研究与确定；60年代均压防灭火技术的推广，高泡灭火技术的出现；70年代阻化剂防灭火试验成功，早期预报煤炭自燃的束管系统初步建立；80年代惰气防灭火技术开始引用；进入90年代，随着放顶煤技术的发展，采空区注氮防火得到推广与应用。高新科学技术范畴的灭火专家系统也得以起步。纵观防灭火技术的发展，可以说每十年都登上一个新台阶。科研与实践硕果累累，技术与工艺进步很大，材料与设备都有新的发展。煤矿火灾事故的教训深刻，但也积累了丰富的经验，可以自豪地认为，我国煤矿防灭火工作已经步入了世界上煤炭工业发达国家的行列，基本上做到了与世界同步.但是我国幅原辽阔，煤矿分布南北东西，各个矿区客观条件差异很大，在原煤产量已跃居世界第一的情况下，矿井防治火灾的任务还是很艰巨的。理论的研究，认识的统一，新型仪表和装备的生产，高效防灭火技术的实施与发展，以及各类专门灭火条例、规范和标准的制订等等，都还有待于进一步完善。
第三章 测氡法精确探测地下火源位置（使用）
3.1 测氡法概述
原子核由质子(Z)和中子(N)组成。这两种粒子统称为核子。原子核内质子数和中子数之和称为核子数(A)。质子数相等但核子数不等的核素统称为同位素。质子数Z>82的核素都是不稳定的，属于放射性同位素。自然界中有些核素的原子核能自发地发生变化，从一个核素的原子核变成另一个核素的原子核，并伴随着放出射线，这种现象称为核衰变。常见的衰变类型有：衰变、日衰变和Y衰变。放射性核素在衰变时放出能量，其能量可作为信息被检测出来而反映地球体中核素含量及其活动形式与衰变类型，这就是核探测技术的基础。
自然界存在着三个天然放射系即铀、钍、锕系[6][7]，因其半衰期很长，在7.04×108～1.4×1010年之间，故能作为母体核素广泛存在于土壤、岩石、煤系等介质中。铀、钍、锕经过一系列衰变均产生一个在常温常压下以气溶胶态形式存在的放射性核素氡( Rn)，三种射气的放射特征如下表3-1所示。由表3-1可见，三种射气的主要区别在于其半衰期极不一致，其中Rn-222半衰期最长，故将Rn-222作为信息研究地球动力现象或者作为研究氡的辐射危害，主要指的是铀系的衰变子体Rn-222以及Rn-222的衰变子体。其中铀系的衰变产物氡及其子体，以其特殊的地球化学性质被广泛应用于研究地震、火山喷发等地球动力现象中。
表3-1 三种射气的放射性特征
核素 名称 Rn-222 Rn-220 Rn-219 符号 Rn Tn An 原子 序数 86 86 86 质量 数 222 220 219 半衰期 （T） 3.825d 55.6s 3.96s 衰变 类型 α α α 射线能量 （MeV） 5.489 6.288 6.819 氡为放射性同位素，其衰变的子体为固体粒子，因此在测量时既可测氡气，又可测其子体而反映母体核素的形态及变化状况。氡子体有较大的吸咐能力，它们能吸附在器物表面。因此可用不同的方法将氡或其子体收集进行测量。
测氡的方法有许多种，在测量时间上分为微分法和积分法，在仪器方面分为α杯法、活性炭法、热释光法、钋210法等。本文所提到的探测方法（未明确表
示探测方法的）采用的是α杯积分测量的方法。
3.2 介质中氡运移规律的研究
自F. Dorn 在本世纪初发现第86号元素氡[8]以来，该元素及其子体一直受到了科学界的广泛注意。人们在不断拓宽氡气应用领域，注意其危害，在研究氡气测量技术的同时，十分关注氡及其子体运移规律及其机理的研究。
氡及其子体均为放射性元素，比空气重的多，半衰期最长只有3.825d，但它能从深部地层中析出并运移到数百米的高空，因此仅仅采用传统的气体运移所遵循的对流、扩散与渗流理论是无法解释这一长距离运移现象的。20世纪80年代以来，国外的Hunter JM 及Mandich 等人研究了分子的“团簇”现象，我国学者[9]也对空气中无对流状态下α杯(卡)法对氡及其子体的自身运移机制做了长期的研究。研究表明：氡及其子体和母体多为α衰变体，会辐射出α粒子。粒子减速后将成为带有两个正电的4He核，它能使原子序数较大、外层电子多的氡及其子体和母体(Po，Bi，Pb，Tl，U，Th，Ra等)中性原子极化，使4He核和氡及其子体和母体之间在电场作用下产生强相互作用力。即使是中性的4He 原子， 也会由于它们之间的范德华力，产生弱相互作用力。再考虑当α衰变时，由于反冲现象的存在，能使介质中的一些原子从其表面上发射出来，而且放射出的α粒子与介质相互作用时，不仅使其自身减速，还会轰击介质，将有中性的和电离的原子从表面发射出来，出现溅射现象。这样在Rn的周围就会出现Po，Bi，Pb，Tl甚至U，Th，Ra 等金属原子微粒，特别是4He。它们相互碰撞，相互作用，主要是借助强相互作用力和弱相互作用力而凝聚成团簇，其团簇可小可大，小到由2个4He构成，多至由106个4He构成。并且氦团簇极易渗入不同的原子和分子，构成复合团簇。由于4He很轻，当形成的团簇所受空气浮力大于其自身质量时，就具有向上运移的能力，从而使氡及其子体自身具有明显的向上运移的能力[10]。
氡在介质中的运移，按其机理可分为：以浓度梯度为动力的氡扩散、以温度(或地热)梯度为动力的对流载运，以及压力梯度为动力的渗流载运(又分气载和液载)三类[11]。
3.2.1 氡在空气中的运移
在较理想条件下的空气中，氡“自身”固有的运移不是以扩散为主，而是以纵向运移为主，且具有较强的向上运移能力。其具体表现是，自氡源产生氡气开始，氡气就具有很强的向上运移能力，并随运移距离的加大，与横向运移和向下运移相比，这一能力仍在加强。这完全可以表明，比重大于空气的氡，向上运移是氡“自身”固有的现象，这与传统的氡运移观点相悖的。
经过实验[9]得到氡在理想空气中纵向和横向运移的几率，见表3-2。
表3-2 氡及其子体纵向、横向的运移几率
运移几率 自然状态 干燥状态 横向 9 7 纵向 91 93 向下 45 37 向上 46 56 扩散 9 7 纯向下 36 30 纯向上 37 49 从表3-2可以看出，第一，在理想条件下（无对流），可以认为氡的横向运移全部是由于扩散的贡献，那么氡的纵向运移并不是以扩散为主，其中扩散产生纵向运移的几率为7%～9%，而由于其他原因引起氡纵向运移几率占82%～86%；第二，在自然状态下，氡向上和向下运移几率基本相同，而在干燥状态下向上运移几率明显大于向下运移几率；第三，扩散作用随着空气的干燥程度有所下降；第四，氡在水平方向的运移不受（或影响极小）地球自转、地球磁场等影响。 3.2.2 氡在其他介质中的运移
点状氡源在某一线状方向上的运移分布，类似于层状矿体上面非放射性介质中的氡气分布。层状矿体上面的氡气在非放射性介质中运移的分布公式为[12]：
N?N0e??(h?x)k?e?e???(h?x)k???hke??hk
式中，x为线状方向上某位置点离氡源的距离；N为线状方向上离氡源x处的氡气浓度；λ为氡气的衰变常数；k为氡气在空气中的运移系数；N0为接近氡源点位置的氡气浓度；h为线长。
由于同位素测氡法探测地下火区时不可能遇到点状氡源的情况，因此本文对此没有进行深入研究。
为了研究在非空气介质中氡的运移规律，假定介质是均匀、各向同性的，根据费克扩散定律和达西定律，介质中氡浓度分布的方程为[13]：
d2CzVdCzDz???Cz?S?0 (0≤z ≤z0) (1) 2?dzdz式中， Dz为氡在介质中的扩散系数，m2/s；Cz为介质中z点处的氡浓度，Bq/m3； V为氡在介质中的对流速度，m/s；S为介质中可扩散氡的产生率，Bq/(m3·s)；η为介质的孔隙率；λ为Rn-222的衰变常数，λ=2.06×10-6/s；z0为距离地表深度，m。
方程的边界条件为 Cz0?S??C0(t) C0?A （2）
式中，C0(t)为温度效应产生的氡异常，可通过实验得到；A为地表处的氡浓度，实测得到。求解分布方程(1)，并代入式(2)，可得到介质中的氡分布函数为：
Cz?[S??C0(t)][1?exp(?az)]?Aexp(?az) （3）
式中，a?[?Dz?(V/?)24Dz2]1/2?V/?。 2Dz氡从岩石、土壤中运移到空气中后，仍然服从费克扩散定律和达西定律，以湍流扩散和对流方式运移。由于大气中铀、镭含量极低，由大气中铀、镭衰变产生的氡可以忽略不计，因此氡在大气中运移服从如下规律
d2CaVdCaD???Ca?0 （4）
dzdz2由边界条件z→0时（地面），Ca=C0；z→∞时，Ca=0。解（4）式得：
Ca?C0exp(?va?4Da?va2Da2?za) （5）
一般认为，岩石、土壤中氡浓度比大气中高3个数量级以上。因此，岩石、土壤中的氡不断地向大气中运移，运移量的大小用氡的析出率来衡量，所谓氡的析出率是指单位时间、单位面积的地表岩石、土壤析出到空气中的氡，即
???DzgradCz?Czvz （6）
将式(1)代入到式(7)中，考虑到矢量的方向，得到地面岩石、土壤的氡析出率为