测氡法在探测陷落柱方面的应用

2015-11-07孙耀锋

中国科技信息 2015年23期

关键词：石炭系测点计数

孙耀锋

测氡法在探测陷落柱方面的应用

孙耀锋

煤炭是我国目前主要能源之一，在煤矿生产和建设中，由于陷落柱的存在，井下一旦被导通，便会给煤矿生产造成不堪设想的严重后果。测氡法是一种新的物探方法，该方法抗干扰能力强，施工简单。本文通过在某测区的应用研究，阐述了该方法的有效性和实用性。

测氡法简介

（1）氡的基本特征

在自然界中存在三大天然放射性系列，即：锕铀系（235U）、钍系（232Th）和铀系（238U）。它们的半衰期均很长（7.04×108～1.4×1010年），在现实世界中我们均发现了它们的踪迹。

物质世界的放射性核素会不断发生衰变，所谓衰变就是自身变成另一种核素，同时会放出射线。一般，大家都把发生衰变的核素叫作母体，新生的核素叫作子体。新生的子体核素会继续进行衰变，一直进行下去，直到最终的衰变产物没有放射性才不再衰变。

从其衰变过程中了解到：氡既是唯一呈气态的惰性气体，又是铀系的子体，也是人们感兴趣的子体，因为它能显示出地层深部各种变化的信息，并从地下深部迁移至地面。

氡气的运移理论：氡气可以从地下深部迁移到地面，这就为我们探寻地下深部的地质信息提供了新的手段。自1980年至今，我们通过实验，认识到氡这种物质，在地层中向上运动的力量比我们知道的物质通过扩散向上运动的力量大的多，也远远大于向下运动的力量。很显然，这与我们以前的认识完全不同，说明氡向上移动肯定不是由于扩散引起的，通过实验，我们对氡的认识更加深一步。1997年山西有一大学教授通过实验研究，提出：“团簇运移理论”，给出了在特定条件下，氡及其子体借助其自身固有的因素向上运移的真正原因，彻底弄清楚了氡向上运动的原因。

（2）陷落柱引起氡异常

岩溶在上覆地层重力或地质构造力作用下，发生坍塌，上部的煤系地层也随之陷落，形成陷落柱。从陷落柱的成因可以看出，陷落柱体内的岩石比两侧的正常岩石，破碎严重，并且裂隙发育，连通性大大增加，这些情况都为氡气从下向上运动提供了便利条件，最终会造成陷落柱体内的氡气浓度远远高于陷落柱体外的浓度。

另外，岩溶陷落柱一般都是上边小，下边大，像一个“倒扣的杯子”，并且陷落柱体内与周围的正常岩石存在一定的压力差异，再加上氡气本身所具有的自下往上的运动能力，所以，在地表位置，陷落柱体内与体外，会形成明显的氡气浓度差别。当陷落柱柱体富水时，会极大的增加陷落柱内及其周围的岩石风氧化程度，进一步增大岩石之间的裂隙，将极大的提高岩石氡的射气系数。所以无论陷落柱是否富水，在地表位置其体内外一定会出现明显的氡气浓度差别，这就为我们在地表面采用氡气测量提供了可能。根据氡异常的峰值状态便可确定陷落柱的位置和范围。

测区概况

（1）地层

新生界地层覆盖在实验区井田地表，通过搜集资料了解到，实验区内发育的地层自上至下依次为第四系、上统上石盒子组、下石盒子组、二叠系下统山西组、上统太原组、石炭系中统本溪组及奥陶系中统马家沟组与峰峰组。

（2）煤层

实验区内主要含煤地层有二叠系下统山西组、石炭系上统太原组，其次为石炭系中统本溪组。从上向下分别详细描述如下：二叠系下统山西组：本层段下部一共有l号、2号、2下三层煤，其中分布比较稳定，且是煤矿主要可采的是2号煤；石炭系上统太原组为本实验区主要含煤地层之一。本层下段共有9号、8号两个煤层。全区稳定的主采煤层，并且厚度最大的是9号煤，，8号煤层局部可采的极不稳定煤层。本层中段共有6层相对较薄的煤层和4个灰岩层。4个灰岩层从上往下，分别是野青、伏青、中青、大青，它们在整个实验区都有分布。6个薄煤层分别是3上、3号、4号、5号、6下、7号煤层。其中5号煤层和7号煤层具有一定的开采价值，属于局部可采的煤层，其他的煤层不具有开采价值；本层上段为太原组次要含煤层段，其中3号煤层和3上煤层，虽然层位稳定，但由于厚度太小，不具有开采价值；实验区内次要含煤地层是石炭系中统本溪组。石灰岩夹煤层构成了本组上部，并命名为本溪灰岩，整个实验区均有分布。

工作方法

本次实验测量的是氡经过衰变的子体镭A（RaA）放射发出的γ射线的强度，选用的方法是活性炭测氡法。该方法具有操作简便、快捷、成本低等特点。

我们使用的仪器是山西太原理工大学自行研发的TYHC-1活性炭测氡仪。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天后再从土坑中挖出来，立马将吸附器放置于TYHC-1活性炭测氡仪电离室中，观测出氡及其子体辐射出的γ射线的强度，最后得到测氡数据，按照数据处理流程，对氡值进行各种处理，最后成图解释。

资料分析与解释

在已知运输巷上布设了5条测线，各条测线的分析情况如图1所示。

图1

图2

图3

图4

图5

我们从1号线测氡曲线（图1）了解到：第1个测点的氡值相对较高，大约770个计数/3min左右，分析认为这是个单点异常点，据已知资料分析认为是由于巷道引起的；第4个测点的氡值超过了750个计数/3min，综合分析认为这是陷落柱的一个边界；从第4个测点到第12个测点的氡值相对较高，分析认为是由于陷落柱造成的，从第13个测点到第16个测点的氡值低于700个计数/3min，且波动相对较小，分析认为是正常区的反应，综合分析第4个测点、第12个测点为陷落柱边界。

我们从2号线测氡曲线（图2）了解到：第3个测点和第4个测点氡值超过800个计数/3min，第16个测点氡值超过700个计数/3min，分析认为这3个测点为单点异常点，结合地质资料综合分析认为是巷道造成的；第5个测点和第11个测点氡值超过700个计数/3min，且从第5个测点至第11个测点的氡值均相对较高，结合地质资料综合分析认为，第5号测点至第11号测点的氡值异常是由陷落柱引起的。

我们从3号线测氡曲线（图3）了解到：第3个测点、第4个测点、第5个测点、第11个测点、第14个测点的氡值均超过了750个计数/3min，综合已知资料，分析认为这些氡值异常是由巷道造成的；第6个测点的氡值超过了850个计数/3min，且第 6个测点到第9个测点的氡值均较高，起伏相对较大，综合分析认为这些异常为陷落柱引起的，且第6个测点、第9个测点是陷落柱的两个边界；第10、12、13、15测点的氡值相对较低，分析认为这些地方为正常区。

我们从4号线测氡曲线（图4）了解到：第5个测点、第8个测点、第10个测点的氡值都超过了750个计数/3min，并且从第5个测点开始，到第10个测点这一位置的氡值波动相对较大，综合分析认为，这些地段的异常是由陷落柱造成的。并且第5个测点、第10个测点分别为陷落柱的两个边界；从第1个测点开始，到第4个测点位置的氡值相对较低，并且比较规整，波动相对较小，综合分析认为这些位置为正常区。

我们从5号线测氡曲线（图6）可以了解到：第2个测点的氡值超过了750个计数/3min，结合地质资料分析，这个位置的氡异常是由于断层造成的；第3个测点到第9个测点、第11个测点到第14个测点的氡值相对较低且比较整齐，分析认为是正常区域，第10个测点的氡值超过了700个计数/3min，综合已知地质资料，分析认为第10个测点是陷落柱的一个边界；第15个测点、第19个测点的氡值均超过了700个计数/3min，并且从第15个测点到第19个测点位置的氡值波动相对较大，综合分析认为第15个测点到第19个测点位置的氡异常是由于陷落柱引起的；第23个测点的氡值超过850个计数/3min，根据地质资料分析认为此位置为陷落柱边界；第20个测点到第22个测点的氡值波动较小，综合分析认为这些位置为正常区。