氡气测量在煤矿采空区探测中的应用效果分析

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1、工程地质计算机应用2009年第3期总55期氡气测量在煤矿采空区探测中的应用效果分析冉云刘鸿福（太原理工大学山西太原030021）【摘要】简要介绍了氡气测量的方法原理并分析采空区氡异常的形成机理。通过工程实例讨论了氡气异常的特征、氡气探测的精度、优点及局限性。【关键词】氡，采空区，探测山西的煤炭开采历史悠久，由此而形成了大面积的地下采空区。老窑、小煤矿及一些乡镇煤矿的无序开采并且缺乏开采资料，造成地下采空区位置不清，给地面的工程建设、百姓生活带来极大威胁。因此，在地面圈定采空区的位置和影响范围成为亟待解决的问题。测氡探测技术因其简便易行、工作量小、受地形影响较小而得到重视。

2、1测氡技术的理论基础222氡(Rn)是一种无色无味的惰性气体，其化学性质十分稳定，但其物理性质却十分活泼，能溶于水、油等液体中。刘鸿福、贾文懿等学者的研究表明：氡及其子体“自身”固有的运移具有较强的向上运移能力。在物质中由于团簇迁移、接力传递、扩散、对流、抽吸等作用，其表现出很强的迁移作用，可以很容易由【1】地下深部经过岩石进入地表土壤中。因此，在铀镭富集地段、地质构造破碎带及采空区上方都可形成氡的富集，而在其附近地段氡含量会明显减少。氡气多存在于地下土壤之中，当浮土下面埋藏有氡源时，土壤中将出现氡气的局部增高，形成高于本底值2～3倍的氡异常，于是可以利用射气仪测量土壤中

3、氡的浓度，并根据不同地点所测量到的氡异常的高低分布规律，可以直接寻找铀矿体、构造破碎带、采空区、陷落柱及解决其他地质问题等。2采空区上方地表氡异常的形成分析煤系地层是在还原条件下形成的，且多呈黑褐色，其中铀核素的含量大大高于其他地层。当地下煤层采空后，岩体中原有的自然应力状态遭到破坏,引起应力重新分布,在采空区周边形成局部应力集中区。顶板及四周岩体冒落、垮塌后又会形成一个应力松动圈。低应力区的形成,促使岩体内部的水分、气体由高应力区向低应力区转移，从而改变了地下气体的运移与集聚环境。采空区对氡气的运移与富集主要有储气、集气、通道三方面的作用。储气作用是相对于周围完整岩体而

4、言，采空区冒落带和裂隙带是相对松散的，其中岩石块体之间空隙较大，连通性好，是储存气体的理想场所；集气作用是指采空区煤层顶板塌陷冒落后，应力集中区向围岩内部迁移，在采空区周边形成一个低应力区，气体由压力较高向较低部位迁移，从而造成采空区及其周边变形区氡元素的聚集。另一方面，岩层自然换层部位的氡值高于非换层地区(KristerKeistianson和Lennart的实验已证实),即：气体沿岩层面的迁移几率高于垂直于层面的迁移几率。采空区冒落带及其裂隙带均导致岩层的不连续,使得不同性质的若干岩层同时在采空区周边上出露,形成沿采空区周边的连续、快速次生换层现象,导致采空区氡气浓度

5、的富集；通道作用指采空区冒落带及其衍生裂隙形成后，成为气体自下向上运移的良好通道。由于氡及其子体“自身”固有的运移具有较强的向上运移能力，必然与其他气体一起自地下深处向地表迁移，在地表形成氡异常区。因此，可以通过测量地表氡元素的浓度，来圈定煤矿采空区的位置与影响范围。3煤矿采空区探测实例3.1测区概况1工程地质计算机应用2009年第3期总55期测区位于吕梁市离石区西北，属中低山区，沟谷发育，地面均为第四系所覆盖，最大相对高差约100m。据已知资料，区内主要地层有石炭系本溪组、太原组，二叠系下、上石盒子组，上第三系及第四系地层。西南部为一国营煤矿，该矿现开采4号煤层，斜井开

6、拓，走向长壁式采煤。本次探测主要是界定此煤矿东北向采空边界。3.2工作方法本次测氡工作采用活性炭测氡法，即测量氡所衰变的子体（RaA）放射出的γ射线强度。选用的仪器为太原理工大学自行研发的TYHC-1活性炭测氡仪。方法如下：将活性炭吸附器埋入地下40cm深的坑中,埋置至少5天后取出,放入TYHC-1活性炭测氡仪电离室中测量氡及其子体辐射出的γ射线强度,然后对测氡数据进行提取，对原始数据进行预处理后成图解释。TYHC-1活性炭测氡仪主要技术指标如下：探测器：NaI(Tl)晶体（Φ75mm×50mm）；-6-6灵敏度：铀约为10，钍约为3×10，钾约为0.5%左右；能量范围：

7、0.5～3.0MeV；137能量分辨率：12%（对Cs而言）；工作温度：-10～+50℃。地面测点的布设原则是：在地面地质灾害调查的基础上，根据附近煤矿采掘工程平面图，并结合地形的具体情况进行布设。本次共布设氡气测量剖面线12条，测量点128个。为了与测氡结果相互验证，我们又对上述剖面进行了瞬变电法测量，并将处理后结果对照分析。3.3资料分析与解释通过野外数据的采集与室内数据的处理，绘制了氡值剖面图和视电阻率断面图。这里选取了1线、6线、11线测氡剖面图和瞬变电法剖面图。如图1、2、3、4、5、6视电阻率拟断面图1线测氡数据-