活性炭測(cè)氡和瞬變電磁法在煤礦采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用

王棟良

（中國煤炭地質(zhì)總局地球物理勘探研究院，河北涿州072750）

1 活性炭測(cè)氡法原理

非極性吸附劑種類繁多，其中最具代表性的活性炭與氡氣分子相互接近時(shí)，會(huì)因發(fā)生電子與核之間的相對(duì)位移而產(chǎn)生瞬時(shí)偶極。氡氣為單原子惰性氣體，在活性炭存在的情況下因瞬間偶極而不斷重復(fù)使分子之間始終存在色散力，氡氣分子色散力的主要形成原因既是活性炭對(duì)氡的吸附作用[1]。當(dāng)活性炭將氡吸附到表面時(shí)，分布于活性炭周圍的氡氣濃度會(huì)隨之下降形成濃度差，會(huì)發(fā)生高濃度向低濃度運(yùn)移的現(xiàn)象，該作用成為濃度差作用。在此作用之下，活性炭將持續(xù)吸附氡于自身表面，直至吸附量達(dá)最大值，直至所吸附氡濃度將與周圍的氡濃度達(dá)到平衡狀態(tài)。

本文針對(duì)活性炭對(duì)煤礦采空區(qū)氡氣濃度測(cè)試進(jìn)行探討。因采空區(qū)形成區(qū)域地質(zhì)應(yīng)力分布狀態(tài)會(huì)隨著采空區(qū)的形成而發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的改變，地質(zhì)體在應(yīng)力作用下發(fā)生塑性或彈性變形。由于空間改變，采空區(qū)所分布?xì)怏w的運(yùn)移與集聚環(huán)境也隨之改變，氡氣的分布狀態(tài)也隨之改變，會(huì)發(fā)生不同程度的運(yùn)移和聚集。主要表現(xiàn)為氡元素向采空區(qū)運(yùn)移，在采空區(qū)呈富集狀態(tài)，在地表形成一個(gè)與采空區(qū)形態(tài)相應(yīng)的氡高值異常區(qū)。因此，可以通過測(cè)量地表氡元素的濃度來圈定煤礦采空區(qū)的位置及范圍。

技術(shù)路線：將活性炭吸附器埋入地下40cm 的深坑中，待4～6d 后取出，由活性炭測(cè)量?jī)x器測(cè)量并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存處理，根據(jù)每條測(cè)線的氡的濃度圈定地下采空區(qū)位置。

2 瞬變電磁法原理

瞬變電磁法主要利用不接地回線向地下發(fā)送一次脈沖磁場(chǎng)，在一次脈沖磁場(chǎng)間歇期間，利用另一回線或探頭接收由地下地質(zhì)體受激勵(lì)引起的渦流產(chǎn)生的隨時(shí)間變化的感應(yīng)二次場(chǎng)。感應(yīng)二次場(chǎng)的形成與地質(zhì)體的導(dǎo)電性及地質(zhì)體的電阻率密切相關(guān)，電阻率越低，低電阻地質(zhì)體規(guī)模越大，感應(yīng)二次場(chǎng)越高，二次場(chǎng)衰減越慢。二次場(chǎng)衰減過程中會(huì)因地質(zhì)體的不同而呈現(xiàn)出不同特點(diǎn)，可判斷地質(zhì)體的電性、性質(zhì)、產(chǎn)狀、規(guī)模等，可進(jìn)一步分析探討如斷層、陷落柱、采空區(qū)等地質(zhì)構(gòu)造問題。

瞬變電磁法中各測(cè)點(diǎn)各個(gè)測(cè)道的瞬時(shí)感應(yīng)電壓的觀測(cè)極為重要，所觀測(cè)原始數(shù)據(jù)可通過計(jì)算轉(zhuǎn)換為視電阻率、視深度等參數(shù)。進(jìn)而可根據(jù)計(jì)算成果繪制瞬變電磁多測(cè)道電壓剖面圖、視電阻率擬斷面圖等，可根據(jù)圖示結(jié)果確定地下采空的邊界位置及深度。

煤系地層主要以層狀分布，在致密完整的情況下，巖層橫向上導(dǎo)電性相對(duì)均一。如在順地層水平方向上局部地段被開采時(shí)，則該區(qū)域?qū)щ娦援a(chǎn)生變化，可以通過對(duì)比水平方向上巖層電阻率變化分析來圈定采空區(qū)。

3 實(shí)例分析

3.1 勘探區(qū)概況

山西某勘探區(qū)第四系發(fā)育。基巖僅在溝谷中出露，自東向西依次出露奧陶系峰峰組、石炭系本溪組、太原組、二疊系山西組、下石盒子組、上石盒子組、石千峰組和三疊系劉家溝組。主采煤層為太原組13#煤層，井田內(nèi)構(gòu)造簡(jiǎn)單，為近南北走向，傾向西的單斜構(gòu)造。地層傾角一般為9°～12°，井田內(nèi)巖漿巖不發(fā)育。

3.2 數(shù)據(jù)處理與解釋

3.2.1 活性炭測(cè)氡數(shù)據(jù)處理與解釋

測(cè)氡法解決實(shí)際問題以野外探測(cè)工作為基礎(chǔ)獲得大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，為后續(xù)室內(nèi)分析奠定基礎(chǔ)。由于放射性漲落誤差、隨機(jī)誤差及系統(tǒng)誤差，要充分考慮外界客觀因素對(duì)數(shù)據(jù)提取的影響。在野外工作結(jié)束后，在室內(nèi)對(duì)原始數(shù)據(jù)分析處理，充分利用計(jì)算機(jī)把盡可能多的信息進(jìn)行歸納，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行多角度、多方法處理，形成各種圖件，使之能真正反映出氡氣濃度的變化情況，便于客觀、正確地對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行解釋。整個(gè)活性炭測(cè)氡數(shù)據(jù)處理主要包含3 方面：數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)、γ 強(qiáng)度的修正、數(shù)據(jù)處理及繪制圖件。活性炭測(cè)氡測(cè)量的數(shù)據(jù)室內(nèi)處理主要有標(biāo)準(zhǔn)化處理和濾波處理，繪制相應(yīng)的剖面圖和平面圖（見圖1）。該濾波處理基本去除了單點(diǎn)畸變異常。活性炭測(cè)氡資料解釋是建立在資料處理后的測(cè)線氡濃度曲線圖、氡濃度平面等值線圖的基礎(chǔ)上。首先，剖面上活性炭測(cè)氡資料的解釋依據(jù)各條測(cè)線氡濃度曲線，氡濃度曲線表示氡值沿測(cè)點(diǎn)的變化，均勻平緩變化說明存在采空異常體的可能性較小。采空區(qū)在氡濃度曲線上解釋原則是氡濃度呈現(xiàn)高值，采空區(qū)越大，氡值的變化幅度越大，在氡濃度平面等值線圖中表現(xiàn)為氡值高值。在活性炭測(cè)氡的氡濃度平面等值線圖中氡濃度高的地段是可能的采空區(qū)發(fā)育地段。

3.2.2 瞬變電磁數(shù)據(jù)處理解釋

瞬變電磁數(shù)據(jù)處理流程是多測(cè)道曲線濾波、轉(zhuǎn)化視電阻率、繪制感應(yīng)電壓平面等值線圖。對(duì)于瞬變電磁解釋主要通過多測(cè)道曲線、瞬變電磁視電阻率擬斷面圖和感應(yīng)電壓比值等值線平面圖。圖2 是200 線和246 線視電阻率擬斷面圖，200 線在13#煤層附近電阻率發(fā)生劇烈變化，246 線在13#煤層電阻率變化平緩，推斷在200 線附近存在異常區(qū)。圖3 是勘探區(qū)內(nèi)第5 測(cè)道和第25 測(cè)道感應(yīng)電壓比值平面等值線圖，根據(jù)采空區(qū)在感應(yīng)電壓解釋原則，感應(yīng)電壓比值高的地方可能是采空區(qū)存在區(qū)域，認(rèn)為在240 線東段附近存在一個(gè)高值的采空區(qū)。

3.2.3 綜合解釋

單一物探方法圈定的采空區(qū)的準(zhǔn)確性較差。采用活性炭測(cè)氡和瞬變電磁對(duì)可結(jié)合進(jìn)行綜合解釋。如圖1 與圖3，通過綜合對(duì)比分析圈定的采空區(qū)，綜合分析認(rèn)為勘探區(qū)240 線左右活性炭測(cè)氡異常區(qū)和瞬變電磁解釋的異常區(qū)是重合的，那么可認(rèn)為該區(qū)域存在一個(gè)不規(guī)則采空區(qū)。

圖1 氡濃度平面等值圖

圖2 內(nèi)視電阻率擬斷面圖解釋

圖3 勘探區(qū)感應(yīng)電壓比值等值線圖

4 結(jié)語

通過實(shí)際運(yùn)用活性炭測(cè)氡法和瞬變電磁法相結(jié)合的方法對(duì)山西某礦區(qū)進(jìn)行地面采空區(qū)實(shí)地探測(cè)和資料處理解釋，有效探明了該煤礦地下采空的位置。表明探測(cè)煤礦采空區(qū)可采用活性炭測(cè)氡法和瞬變電磁法結(jié)合法，具有良好成效。