牛永效，許廣春，李國(guó)和，王 銀

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

采空區(qū)勘察一直是鐵路工程勘察的技術(shù)難點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者在采空區(qū)勘察技術(shù)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(shè)事業(yè)的快速發(fā)展，遇到的采空區(qū)類型眾多、地質(zhì)條件復(fù)雜、埋深越來越大，而且中深部采空區(qū)大多數(shù)都是由機(jī)械化開采形成，車輛、高壓輸電線等人文干擾因素比較多，對(duì)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(bǔ)地震、電磁類勘探方法的不足，提高采空區(qū)勘察質(zhì)量和效率。

測(cè)氡技術(shù)具有不受地形和人文因素干擾等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于地震、電磁類方法是一種很好的補(bǔ)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(qū)勘察中應(yīng)用還比較少，這主要是因?yàn)殍F路為長(zhǎng)距離的線狀工程，采空區(qū)類型眾多，不同類型采空區(qū)的氡氣異常特征有所不同，判釋標(biāo)準(zhǔn)不確定，同時(shí)地表覆蓋層對(duì)氡氣異常影響顯著，覆蓋層氡氣濃度背景場(chǎng)確定方法缺乏，造成采空區(qū)的氡氣異常解釋困難。

為了進(jìn)一步探討測(cè)氡技術(shù)在鐵路工程采空區(qū)勘察中的適用性，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，詳細(xì)研究了采空區(qū)的異常特征及覆蓋層對(duì)采空區(qū)氡氣濃度異常的影響，建立了不同類型采空區(qū)的氡氣異常判釋標(biāo)準(zhǔn)，在某鐵路采空區(qū)勘察中進(jìn)行了具體應(yīng)用，取得了較好效果。

1 測(cè)氡技術(shù)原理和儀器

氡是放射性元素衰變時(shí)產(chǎn)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(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，一般不參與化學(xué)反應(yīng)，活動(dòng)性強(qiáng)，具有很強(qiáng)的遷移能力，是一種容易產(chǎn)生、收集和測(cè)量的氣體。氡氣由地下深部遷移到地表附近，探測(cè)淺部覆蓋層一定深度內(nèi)存在的氡及其子體衰變時(shí)放射出不同能量的射線強(qiáng)度來推算氡的濃度，可以了解地下深部的構(gòu)造［6-8］。

采空區(qū)形成后，改變了地下地質(zhì)體的應(yīng)力分布狀態(tài)，促使地質(zhì)體發(fā)生變形，從而改變了地下氣體的運(yùn)移與集聚環(huán)境，對(duì)氡氣的運(yùn)移與富集具有一定的控制作用。采空區(qū)頂板塌陷冒落后，采空區(qū)周圍形成一個(gè)低應(yīng)力區(qū)，圍巖中的氡氣不斷向采空區(qū)中聚集;相對(duì)于周圍完整巖體，采空區(qū)的冒落帶及裂隙帶是相對(duì)松散帶，是儲(chǔ)存氡氣的理想場(chǎng)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(cè)量地表覆蓋層中的氡氣分布，就可以確定采空區(qū)的異常分布。

本次試驗(yàn)所用設(shè)備為RAD7測(cè)氡儀，RAD7測(cè)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(chǎng)的方式，收集衰變子體產(chǎn)生的α粒子，得到α脈沖計(jì)數(shù)，α脈沖計(jì)數(shù)可反映氡的含量［8］。

RAD7型測(cè)氡儀為有源式，采用半導(dǎo)體α探測(cè)器，采樣室為0.7 L，固態(tài)的平面α探測(cè)器位于半球中心。工作時(shí)采樣室加壓2 000～2 500 V電場(chǎng)，采樣室內(nèi)氡子體在電場(chǎng)作用下進(jìn)入探測(cè)器，在Snif模式下測(cè)量218Po產(chǎn)生的α粒子，在Normal模式下測(cè)量218Po和214Bi產(chǎn)生的α粒子來確定氡濃度［9-10］。

實(shí)驗(yàn)區(qū)選擇在某在建鐵路所穿越的已知采空區(qū)，該采空區(qū)埋深較大，為機(jī)械化開采，采空區(qū)附近為一村莊，地表為風(fēng)化覆蓋層，高壓線、車輛等人文干擾因素較多，測(cè)線均穿越采空區(qū)邊界，點(diǎn)距10 m。

2 氡氣采集技術(shù)參數(shù)

2.1 采集時(shí)間

218釙是222氡的一個(gè)子體，其積累達(dá)到平衡時(shí)需30 min，積累10 min時(shí)，其累積量達(dá)約90%，積累15 min時(shí)，累積量達(dá)約96%，218釙已基本達(dá)到平衡［11］，因此，現(xiàn)場(chǎng)氡氣采集時(shí)間確定為15 min。

2.2 密封時(shí)間

不同密封時(shí)間段采空區(qū)的氡氣異常有所不同(圖1)，點(diǎn)號(hào)4～7之間為已知采空區(qū)的范圍，當(dāng)密封4～6 d時(shí)，氡氣異常效果比較明顯。

圖1 不同密封時(shí)間氡濃度值

3 氡氣異常特征研究

3.1 采空區(qū)氡氣異常特征

圖2為不同類型采空區(qū)的氡氣異常現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果。圖2(a)為大型塌陷采空區(qū)的氡氣異常剖面，其中，測(cè)點(diǎn)11～38為采空區(qū)的影響范圍，測(cè)點(diǎn)15～21為塌陷區(qū)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(qū)的氡氣異常特征為雙峰值帶，雙峰值帶間低值帶對(duì)應(yīng)于采空區(qū)的塌陷區(qū)。

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

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

圖2 采空區(qū)氡氣異?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

3.2 覆蓋層氡氣濃度分布

從氡氣的遷移規(guī)律可知，氡氣的濃度分布主要受深部構(gòu)造和地表覆蓋層的影響，也就是說即使地下沒有采空區(qū)，如果地表覆蓋層不同，所測(cè)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(guī)律，減少覆蓋層對(duì)采空區(qū)氡氣濃度異常的影響。圖3為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，該測(cè)線地下無采空區(qū)，其中1～12號(hào)測(cè)點(diǎn)為農(nóng)田，氡氣濃度在200～300 Bq/m3，13～18號(hào)測(cè)點(diǎn)為卵石灘地，氡氣濃度在0～100 Bq/m3，19～28號(hào)測(cè)點(diǎn)為山溝底小路，氡氣濃度在100～200 Bq/m3。從上面的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，同一地質(zhì)條件的覆蓋層氡氣濃度分布比較穩(wěn)定，不同覆蓋層的氡氣濃度則有所不同，這與中國(guó)原子能科學(xué)研究院的模擬結(jié)果一致［12］。因此，野外勘察時(shí)，應(yīng)結(jié)合覆蓋層的地質(zhì)條件確定氡氣背景場(chǎng)值。

圖3 覆蓋層氡氣濃度分布

4 應(yīng)用實(shí)例

某一在建鐵路穿越大面積的采空區(qū)，為了保證施工及后期運(yùn)營(yíng)的安全，需要查明采空區(qū)的分布范圍。該采空區(qū)埋深較大，為機(jī)械化開采，采空區(qū)附近為一村莊，地形起伏不平，地表為風(fēng)化覆蓋層，高壓線、車輛振動(dòng)等人為干擾因素較多，地震、電磁法受到一定程度的影響。經(jīng)過綜合比較，選用測(cè)氡法對(duì)采空區(qū)進(jìn)行勘察，點(diǎn)距5 m，測(cè)氡結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，點(diǎn)4～37間為典型的雙峰值帶特征，是大型塌陷采空區(qū)的影響區(qū)，其中測(cè)點(diǎn)15～33間為雙峰值帶間的低值帶，對(duì)應(yīng)于采空區(qū)的塌陷區(qū)。后經(jīng)驗(yàn)證，測(cè)氡法所劃定的采空區(qū)異常范圍與采空區(qū)分布范圍基本一致。

5 結(jié)論

(1)通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及工程應(yīng)用，表明測(cè)氡是一種有效的采空區(qū)勘察技術(shù)，且不受地形條件、車輛振動(dòng)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(bǔ)充勘察方法。

圖4 采空區(qū)測(cè)氡剖面

(2)采空區(qū)有明顯的氡氣異常，但不同類型的采空區(qū)氡氣異常特征有所不同，可根據(jù)氡氣異常特征對(duì)采空區(qū)類型進(jìn)行定性評(píng)價(jià)。

(3)不同地質(zhì)條件的覆蓋層氡氣濃度分布有所不同，現(xiàn)場(chǎng)勘察時(shí)，應(yīng)根據(jù)覆蓋層地質(zhì)條件的不同，確定合理的覆蓋層氡氣濃度背景值。

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