測氡法在探測陷落柱方面的應用

孫耀鋒

測氡法在探測陷落柱方面的應用

孫耀鋒

煤炭是我國目前主要能源之一，在煤礦生產和建設中，由于陷落柱的存在，井下一旦被導通，便會給煤礦生產造成不堪設想的嚴重后果。測氡法是一種新的物探方法，該方法抗干擾能力強，施工簡單。本文通過在某測區的應用研究，闡述了該方法的有效性和實用性。

測氡法簡介

（1）氡的基本特征

在自然界中存在三大天然放射性系列，即：錒鈾系（235U）、釷系（232Th）和鈾系（238U）。它們的半衰期均很長（7.04×108～1.4×1010年），在現實世界中我們均發現了它們的蹤跡。

物質世界的放射性核素會不斷發生衰變，所謂衰變就是自身變成另一種核素，同時會放出射線。一般，大家都把發生衰變的核素叫作母體，新生的核素叫作子體。新生的子體核素會繼續進行衰變，一直進行下去，直到最終的衰變產物沒有放射性才不再衰變。

從其衰變過程中了解到： 氡既是唯一呈氣態的惰性氣體，又是鈾系的子體，也是人們感興趣的子體，因為它能顯示出地層深部各種變化的信息，并從地下深部遷移至地面。

氡氣的運移理論：氡氣可以從地下深部遷移到地面，這就為我們探尋地下深部的地質信息提供了新的手段。自1980年至今， 我們通過實驗，認識到氡這種物質，在地層中向上運動的力量比我們知道的物質通過擴散向上運動的力量大的多，也遠遠大于向下運動的力量。很顯然，這與我們以前的認識完全不同，說明氡向上移動肯定不是由于擴散引起的，通過實驗，我們對氡的認識更加深一步。1997年山西有一大學教授通過實驗研究，提出：“團簇運移理論”，給出了在特定條件下，氡及其子體借助其自身固有的因素向上運移的真正原因，徹底弄清楚了氡向上運動的原因。

（2）陷落柱引起氡異常

巖溶在上覆地層重力或地質構造力作用下，發生坍塌，上部的煤系地層也隨之陷落，形成陷落柱。從陷落柱的成因可以看出，陷落柱體內的巖石比兩側的正常巖石，破碎嚴重，并且裂隙發育，連通性大大增加，這些情況都為氡氣從下向上運動提供了便利條件，最終會造成陷落柱體內的氡氣濃度遠遠高于陷落柱體外的濃度。

另外，巖溶陷落柱一般都是上邊小，下邊大，像一個“倒扣的杯子”，并且陷落柱體內與周圍的正常巖石存在一定的壓力差異，再加上氡氣本身所具有的自下往上的運動能力，所以，在地表位置，陷落柱體內與體外，會形成明顯的氡氣濃度差別。當陷落柱柱體富水時，會極大的增加陷落柱內及其周圍的巖石風氧化程度，進一步增大巖石之間的裂隙，將極大的提高巖石氡的射氣系數。所以無論陷落柱是否富水，在地表位置其體內外一定會出現明顯的氡氣濃度差別，這就為我們在地表面采用氡氣測量提供了可能。根據氡異常的峰值狀態便可確定陷落柱的位置和范圍。

測區概況

（1）地層

新生界地層覆蓋在實驗區井田地表，通過搜集資料了解到，實驗區內發育的地層自上至下依次為第四系、上統上石盒子組、下石盒子組、二疊系下統山西組、上統太原組、石炭系中統本溪組及奧陶系中統馬家溝組與峰峰組。

（2）煤層

實驗區內主要含煤地層有二疊系下統山西組、石炭系上統太原組，其次為石炭系中統本溪組。從上向下分別詳細描述如下：二疊系下統山西組：本層段下部一共有l號、2號、2下三層煤，其中分布比較穩定，且是煤礦主要可采的是2號煤；石炭系上統太原組為本實驗區主要含煤地層之一。本層下段共有9號、8號兩個煤層。全區穩定的主采煤層，并且厚度最大的是9號煤，，8號煤層局部可采的極不穩定煤層。本層中段共有6層相對較薄的煤層和4個灰巖層。4個灰巖層從上往下，分別是野青、伏青、中青、大青，它們在整個實驗區都有分布。6個薄煤層分別是3上、3號、4號、5號、6下、7號煤層。其中5號煤層和7號煤層具有一定的開采價值，屬于局部可采的煤層，其他的煤層不具有開采價值；本層上段為太原組次要含煤層段，其中3號煤層和3上煤層，雖然層位穩定，但由于厚度太小，不具有開采價值；實驗區內次要含煤地層是石炭系中統本溪組。石灰巖夾煤層構成了本組上部，并命名為本溪灰巖，整個實驗區均有分布。

工作方法

本次實驗測量的是氡經過衰變的子體鐳A（RaA）放射發出的γ射線的強度，選用的方法是活性炭測氡法。該方法具有操作簡便、快捷、成本低等特點。

我們使用的儀器是山西太原理工大學自行研發的TYHC-1活性炭測氡儀。其工作方法如下：在地下40cm深的土坑中埋入活性炭吸附器，埋置5天后再從土坑中挖出來，立馬將吸附器放置于TYHC-1活性炭測氡儀電離室中，觀測出氡及其子體輻射出的γ射線的強度，最后得到測氡數據，按照數據處理流程，對氡值進行各種處理，最后成圖解釋。

資料分析與解釋

在已知運輸巷上布設了5條測線，各條測線的分析情況如圖1所示。

圖1

圖2

圖3

圖4

圖5

我們從1號線測氡曲線（圖1）了解到：第1個測點的氡值相對較高，大約770個計數/3min左右，分析認為這是個單點異常點，據已知資料分析認為是由于巷道引起的；第4個測點的氡值超過了750個計數/3min，綜合分析認為這是陷落柱的一個邊界；從第4個測點到第12個測點的氡值相對較高，分析認為是由于陷落柱造成的，從第13個測點到第16個測點的氡值低于700個計數/3min，且波動相對較小，分析認為是正常區的反應，綜合分析第4個測點、第12個測點為陷落柱邊界。

我們從2號線測氡曲線（圖2）了解到：第3個測點和第4個測點氡值超過800個計數/3min， 第16個測點氡值超過700個計數/3min，分析認為這3個測點為單點異常點，結合地質資料綜合分析認為是巷道造成的；第5個測點和第11個測點氡值超過700個計數/3min，且從第5個測點至第11個測點的氡值均相對較高，結合地質資料綜合分析認為，第5號測點至第11號測點的氡值異常是由陷落柱引起的。

我們從3號線測氡曲線（圖3）了解到：第3個測點、第4個測點、第5個測點、第11個測點、第14個測點的氡值均超過了750個計數/3min，綜合已知資料，分析認為這些氡值異常是由巷道造成的；第6個測點的氡值超過了850個計數/3min，且第 6個測點到第9個測點的氡值均較高，起伏相對較大，綜合分析認為這些異常為陷落柱引起的，且第6個測點、第9個測點是陷落柱的兩個邊界；第10、12、13、15測點的氡值相對較低，分析認為這些地方為正常區。

我們從4號線測氡曲線（圖4）了解到：第5個測點、第8個測點、第10個測點的氡值都超過了750個計數/3min， 并且從第5個測點開始，到第10個測點這一位置的氡值波動相對較大，綜合分析認為，這些地段的異常是由陷落柱造成的。并且第5個測點、第10個測點分別為陷落柱的兩個邊界；從第1個測點開始，到第4個測點位置的氡值相對較低，并且比較規整，波動相對較小，綜合分析認為這些位置為正常區。

我們從5號線測氡曲線（圖6）可以了解到： 第2個測點的氡值超過了750個計數/3min，結合地質資料分析，這個位置的氡異常是由于斷層造成的；第3個測點到第9個測點、第11個測點到第14個測點的氡值相對較低且比較整齊，分析認為是正常區域，第10個測點的氡值超過了700個計數/3min，綜合已知地質資料，分析認為第10個測點是陷落柱的一個邊界； 第15個測點、第19個測點的氡值均超過了700個計數/3min，并且從第15個測點到第19個測點位置的氡值波動相對較大，綜合分析認為第15個測點到第19個測點位置的氡異常是由于陷落柱引起的； 第23個測點的氡值超過850個計數/3min，根據地質資料分析認為此位置為陷落柱邊界；第20個測點到第22個測點的氡值波動較小，綜合分析認為這些位置為正常區。

結語

通過對測區的資料進行分析、解釋，可知在陷落柱位置，氡值有明顯變化，說明測氡法在探測陷落柱方面是可行的，該方法具有抗干擾能力強，施工簡單，受地形影響小等優點，為我們探測陷落柱提供了一種新的手段。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.23.001