測氡技術在鐵路采空區勘察中的應用研究

牛永效，許廣春，李國和，王 銀

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

采空區勘察一直是鐵路工程勘察的技術難點，國內外相關學者在采空區勘察技術研究方面做了大量的研究工作，取得了十分顯著的成果。但近年來，隨著鐵路工程建設事業的快速發展，遇到的采空區類型眾多、地質條件復雜、埋深越來越大，而且中深部采空區大多數都是由機械化開采形成，車輛、高壓輸電線等人文干擾因素比較多，對地震、電磁類方法造成了很大的干擾，這就需要研究新的勘探方法，彌補地震、電磁類勘探方法的不足，提高采空區勘察質量和效率。

測氡技術具有不受地形和人文因素干擾等優點，對于地震、電磁類方法是一種很好的補充，在斷裂帶［1-3］、滑坡［4］、地下水勘察中取得了較好的效果［5］，但在鐵路工程采空區勘察中應用還比較少，這主要是因為鐵路為長距離的線狀工程，采空區類型眾多，不同類型采空區的氡氣異常特征有所不同，判釋標準不確定，同時地表覆蓋層對氡氣異常影響顯著，覆蓋層氡氣濃度背景場確定方法缺乏，造成采空區的氡氣異常解釋困難。

為了進一步探討測氡技術在鐵路工程采空區勘察中的適用性，通過現場試驗，詳細研究了采空區的異常特征及覆蓋層對采空區氡氣濃度異常的影響，建立了不同類型采空區的氡氣異常判釋標準，在某鐵路采空區勘察中進行了具體應用，取得了較好效果。

1 測氡技術原理和儀器

氡是放射性元素衰變時產生的一種放射性惰性氣體，廣泛存在于空氣和土壤中，氡氣的化學性質穩定，一般不參與化學反應，活動性強，具有很強的遷移能力，是一種容易產生、收集和測量的氣體。氡氣由地下深部遷移到地表附近，探測淺部覆蓋層一定深度內存在的氡及其子體衰變時放射出不同能量的射線強度來推算氡的濃度，可以了解地下深部的構造［6-8］。

采空區形成后，改變了地下地質體的應力分布狀態，促使地質體發生變形，從而改變了地下氣體的運移與集聚環境，對氡氣的運移與富集具有一定的控制作用。采空區頂板塌陷冒落后，采空區周圍形成一個低應力區，圍巖中的氡氣不斷向采空區中聚集;相對于周圍完整巖體，采空區的冒落帶及裂隙帶是相對松散帶，是儲存氡氣的理想場所。氡氣通過裂隙帶從地下深處向地表遷移，從而在地表覆蓋層形成氡異常。通過測量地表覆蓋層中的氡氣分布，就可以確定采空區的異常分布。

本次試驗所用設備為RAD7測氡儀，RAD7測氡儀主要是利用氡衰變后第一代子體的帶電特性，采用外加高壓電場的方式，收集衰變子體產生的α粒子，得到α脈沖計數，α脈沖計數可反映氡的含量［8］。

RAD7型測氡儀為有源式，采用半導體α探測器，采樣室為0.7 L，固態的平面α探測器位于半球中心。工作時采樣室加壓2 000～2 500 V電場，采樣室內氡子體在電場作用下進入探測器，在Snif模式下測量218Po產生的α粒子，在Normal模式下測量218Po和214Bi產生的α粒子來確定氡濃度［9-10］。

實驗區選擇在某在建鐵路所穿越的已知采空區，該采空區埋深較大，為機械化開采，采空區附近為一村莊，地表為風化覆蓋層，高壓線、車輛等人文干擾因素較多，測線均穿越采空區邊界，點距10 m。

2 氡氣采集技術參數

2.1 采集時間

218釙是222氡的一個子體，其積累達到平衡時需30 min，積累10 min時，其累積量達約90%，積累15 min時，累積量達約96%，218釙已基本達到平衡［11］，因此，現場氡氣采集時間確定為15 min。

2.2 密封時間

不同密封時間段采空區的氡氣異常有所不同(圖1)，點號4～7之間為已知采空區的范圍，當密封4～6 d時，氡氣異常效果比較明顯。

圖1 不同密封時間氡濃度值

3 氡氣異常特征研究

3.1 采空區氡氣異常特征

圖2為不同類型采空區的氡氣異?，F場試驗結果。圖2(a)為大型塌陷采空區的氡氣異常剖面，其中，測點11～38為采空區的影響范圍，測點15～21為塌陷區范圍，地表可見明顯的裂縫。從圖2(a)可以看出，大型塌陷采空區的氡氣異常特征為雙峰值帶，雙峰值帶間低值帶對應于采空區的塌陷區。

圖2(b)為該礦區某一由偷采形成的小型塌陷采空區的氡氣異常剖面，其中測點5～8為小型采空區的影響區，從圖中可以看出，和大型采空區的氡氣異常特征明顯不同，小型采空區為單峰值帶特征。

圖2(c)為某已知未充分塌陷采空區的氡氣異常分布圖，其中測點8～18為已知采空區范圍。從圖中可以看出，未充分塌陷采空區的氡氣異常特征為多峰鋸齒狀特征。

圖2 采空區氡氣異常現場試驗結果

3.2 覆蓋層氡氣濃度分布

從氡氣的遷移規律可知，氡氣的濃度分布主要受深部構造和地表覆蓋層的影響，也就是說即使地下沒有采空區，如果地表覆蓋層不同，所測得的氡氣濃度也有所不同，因此，需要研究覆蓋層氡氣濃度的分布規律，減少覆蓋層對采空區氡氣濃度異常的影響。圖3為現場測試結果，該測線地下無采空區，其中1～12號測點為農田，氡氣濃度在200～300 Bq/m3，13～18號測點為卵石灘地，氡氣濃度在0～100 Bq/m3，19～28號測點為山溝底小路，氡氣濃度在100～200 Bq/m3。從上面的試驗結果可以看出，同一地質條件的覆蓋層氡氣濃度分布比較穩定，不同覆蓋層的氡氣濃度則有所不同，這與中國原子能科學研究院的模擬結果一致［12］。因此，野外勘察時，應結合覆蓋層的地質條件確定氡氣背景場值。

圖3 覆蓋層氡氣濃度分布

4 應用實例

某一在建鐵路穿越大面積的采空區，為了保證施工及后期運營的安全，需要查明采空區的分布范圍。該采空區埋深較大，為機械化開采，采空區附近為一村莊，地形起伏不平，地表為風化覆蓋層，高壓線、車輛振動等人為干擾因素較多，地震、電磁法受到一定程度的影響。經過綜合比較，選用測氡法對采空區進行勘察，點距5 m，測氡結果如圖4所示。

從圖4可以看出，點4～37間為典型的雙峰值帶特征，是大型塌陷采空區的影響區，其中測點15～33間為雙峰值帶間的低值帶，對應于采空區的塌陷區。后經驗證，測氡法所劃定的采空區異常范圍與采空區分布范圍基本一致。

5 結論

(1)通過現場試驗及工程應用，表明測氡是一種有效的采空區勘察技術，且不受地形條件、車輛振動及高壓線等人文干擾因素的影響，是地震、大地電磁法的一種很好的補充勘察方法。

圖4 采空區測氡剖面

(2)采空區有明顯的氡氣異常，但不同類型的采空區氡氣異常特征有所不同，可根據氡氣異常特征對采空區類型進行定性評價。

(3)不同地質條件的覆蓋層氡氣濃度分布有所不同，現場勘察時，應根據覆蓋層地質條件的不同，確定合理的覆蓋層氡氣濃度背景值。

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