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，會因發(fā)生電子與核之間的相對位移而產(chǎn)生瞬時偶極。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氡的吸附作用[1]。當活性炭將氡吸附到表面時，分布于活性炭周圍的氡氣濃度會隨之下降形成濃度差，會發(fā)生高濃度向低濃度運移的現(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，直至吸附量達最大值，直至所吸附氡濃度將與周圍的氡濃度達到平衡狀態(tài)。

本文針對活性炭對煤礦采空區(qū)氡氣濃度測試進行探討。因采空區(qū)形成區(qū)域地質(zhì)應力分布狀態(tài)會隨著采空區(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)所分布氣體的運移與集聚環(huán)境也隨之改變，氡氣的分布狀態(tài)也隨之改變，會發(fā)生不同程度的運移和聚集。主要表現(xiàn)為氡元素向采空區(qū)運移，在采空區(qū)呈富集狀態(tài)，在地表形成一個與采空區(qū)形態(tài)相應的氡高值異常區(qū)。因此，可以通過測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，由活性炭測量儀器測量并對數(shù)據(jù)進行保存處理，根據(jù)每條測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，在一次脈沖磁場間歇期間，利用另一回線或探頭接收由地下地質(zhì)體受激勵引起的渦流產(chǎn)生的隨時間變化的感應二次場。感應二次場的形成與地質(zhì)體的導電性及地質(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，感應二次場越高，二次場衰減越慢。二次場衰減過程中會因地質(zhì)體的不同而呈現(xiàn)出不同特點，可判斷地質(zhì)體的電性、性質(zhì)、產(chǎn)狀、規(guī)模等，可進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。

瞬變電磁法中各測點各個測道的瞬時感應電壓的觀測極為重要，所觀測原始數(shù)據(jù)可通過計算轉(zhuǎn)換為視電阻率、視深度等參數(shù)。進而可根據(jù)計算成果繪制瞬變電磁多測道電壓剖面圖、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，巖層橫向上導電性相對均一。如在順地層水平方向上局部地段被開采時，則該區(qū)域?qū)щ娦援a(chǎn)生變化，可以通過對比水平方向上巖層電阻率變化分析來圈定采空區(qū)。

3 實例分析

3.1 勘探區(qū)概況

山西某勘探區(qū)第四系發(fā)育?；鶐r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 活性炭測氡數(shù)據(jù)處理與解釋

測氡法解決實際問題以野外探測工作為基礎(chǔ)獲得大量實測數(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、隨機誤差及系統(tǒng)誤差，要充分考慮外界客觀因素對數(shù)據(jù)提取的影響。在野外工作結(jié)束后，在室內(nèi)對原始數(shù)據(jù)分析處理，充分利用計算機把盡可能多的信息進行歸納，對原始數(shù)據(jù)進行多角度、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、正確地對實際情況進行解釋。整個活性炭測氡數(shù)據(jù)處理主要包含3 方面：數(shù)據(jù)質(zhì)量評價、γ 強度的修正、數(shù)據(jù)處理及繪制圖件?；钚蕴繙y氡測量的數(shù)據(jù)室內(nèi)處理主要有標準化處理和濾波處理，繪制相應的剖面圖和平面圖（見圖1）。該濾波處理基本去除了單點畸變異常。活性炭測氡資料解釋是建立在資料處理后的測線氡濃度曲線圖、氡濃度平面等值線圖的基礎(chǔ)上。首先，剖面上活性炭測氡資料的解釋依據(jù)各條測線氡濃度曲線，氡濃度曲線表示氡值沿測點的變化，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)處理流程是多測道曲線濾波、轉(zhuǎn)化視電阻率、繪制感應電壓平面等值線圖。對于瞬變電磁解釋主要通過多測道曲線、瞬變電磁視電阻率擬斷面圖和感應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 測道和第25 測道感應電壓比值平面等值線圖，根據(jù)采空區(qū)在感應電壓解釋原則，感應電壓比值高的地方可能是采空區(qū)存在區(qū)域，認為在240 線東段附近存在一個高值的采空區(qū)。

3.2.3 綜合解釋

單一物探方法圈定的采空區(qū)的準確性較差。采用活性炭測氡和瞬變電磁對可結(jié)合進行綜合解釋。如圖1 與圖3，通過綜合對比分析圈定的采空區(qū)，綜合分析認為勘探區(qū)240 線左右活性炭測氡異常區(qū)和瞬變電磁解釋的異常區(qū)是重合的，那么可認為該區(qū)域存在一個不規(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)感應電壓比值等值線圖

4 結(jié)語

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