煤矿采空区探测中活性炭测氡法与瞬变电磁对比浅析——以阳煤四矿为例

乔 雷

（河南省煤田地质局资源环境调查中心，郑州 450053）

阳泉煤业（集团）有限责任公司四矿是在小煤窑基础上，经过恢复、改建、扩建形成的国有大型矿井。2002年该矿破产关闭，次年，为安置职工、维护稳定，矿山所属集团公司决定将四矿原有的残存大巷煤柱进行回采。矿区及周边煤炭开采活动历史悠久，小窑分布密集，数量多达17个，其部分采空区与小窑破坏区相互交叉重叠，常引起地表岩层移动、土地塌陷、地表水源枯竭、山体滑坡、村庄等建筑物损坏。现今该矿一半改建成小区，考虑到居民安全，对采空区进行探测。

采空区的物探方法有活性炭测氡法、瞬变电磁法等。活性炭测氡法不受地形、气候、被探测对象埋藏深度等条件制约，操作简便、快捷、成本低，但其只能形成空区地表扫面，对地下空区的赋存形态无法确定。瞬变法磁法能够如实反映地下地质体典型特征异常，但是工作难度较大，且受地形、地电、勘探对象埋藏深度等条件限制。钻探工程能够准确地确定采空区位置及其积水、聚气情况，但成本高，可对物探可疑区进行验证。

本文将活性炭测氡法和瞬变电磁法相结合，少量钻探工程作疑区来验证煤矿未知采空区的分布范围，对地下赋存形态进行探测。

1 探测区概况

此区是东部太行山和北部五台山的隆起，形成了东北高、西南低，北西走向，往南西倾斜的一个大规模的单斜构造，次一级的构造以波状起伏的短轴褶皱构造为主，层间的小断裂构造次之。其井田南部轴向近EW向四矿向斜和井田北部轴向近NW向长杆梁向斜，贯穿井田南北沿NNE向呈雁行排列展布的挠曲断裂带对井田内煤层的形态也有重要影响。井田总体构造形态主要受两大向斜控制。由于构造作用，煤岩层中还广泛发育了许多落差不超过6 m的层间断裂。它们虽不影响采区及工作面的布置，但对于工作面回采影响很大。井田内基岩地层出露较好。自下而上分别为石炭系中统本溪组（C2b）、上统太原组（C3t），二叠系下统山西组（P1s）、下石盒子组（P1x），上统上石盒子组（P2s），第四系中上更新统（Q2+3）、全新统（Q4）。黄土厚度较薄，分布范围较广。

2 煤矿采空区地球物理特性

采空积水区电阻率会出现较为剧烈变化，与围岩电性特征区别明显，其激电数据极化率明显高于正常幅值。以上两种电性特征相互印证可降低物探多解性，使推断的采空积水区更可靠。

表1 四矿地层物理特性

根据表1判断，调查区内完整地层测深电阻率曲线应该表现为HA型：ρ1＞ρ2＜ρ3＜ρ4。

3 原理与方法

3.1 活性炭测氡法的基本原理

活性炭具有吸附作用，其比表面积高达700～1 600 m2/g。由于同为极性，活性炭对氡具有较强的吸附能力，当氡被吸附时，由于浓度差作用，氡源源不断汇集过来，直至活性炭达到吸附极限。自然界中，氡及其子体有很强的向上运移能力。而它们在不同地质体中的分布具有差异和规律，因此可以勘测地质情况。

3.2 活性炭测氡法探测煤矿采空区的理论依据

煤层开采会引起该地区引力重新分布，采空区周围极易形成局部应力集中区，造成四周岩体的冒落、破坏，出现裂隙，同时氡气的运行与富集也会受影响：采空区导致地面存在裂隙，造成氡气上集，在地表形成氡异常区；由于采空区上含水层遭破坏，地下水漏失等原因，地表裂隙更大，氡异常区更明显。

由于采空区和其影响区氡气异常幅值大小和分布规律不同，可确定煤矿地下采空区以及采空影响区的位置与范围。

3.3 活性炭测量

3.3.1 活性炭测量方法

本次氡监测采用在线连续监测，在其他条件相同时，单位重量活性炭吸附的氡与被吸附地点氡的浓度成正比。因此，通过测量氡的γ子体放出的γ射线，进行氡浓度及氡析出率的测量，从而测量氡的浓度和氡的析出率。

使用的仪器包括探头、操作台、铅室、活性炭吸附采样瓶及活性炭吸附捕集器等。活性炭取样器的性能及取样盒内活性炭的收集效率、外界干拢而造成的谱峰的漂移、探测器的探测效率等均会影响监测稳定度和精度。

3.3.2 基线、测线和测网

（1）基线。基线布设应尽量与探测对象的走向平行，当探测对象多而分散时，应以主要探测对象为准布设。本次测量应使用全站仪测定，长度、方位允许误差分别为±1%、±0.5°。在基线上应设有三个以上半永久性标志。

（2）测线。测线长度、线距允许误差为±5%、±10%。

（3）测网。根据测区特征，选择合理的测网，本次工作设计活性炭1:1万测量（网度100×20）。

3.3.3 测量条件

（1）探坑。在野外测点上挖50 cm深的坑，坑底直径为18 cm的圆形平面，土壤发育地段应穿过腐植层。

（2）活性炭吸附器的埋置时间。活性炭吸附器的埋置时间为5～7 d，应经过试验确定，同一地区必须相同。

4 质量评价

及时对原始记录、表册进行整理、编目和编号，编制原始资料索引，进行平面图展点，建立三级质量管理体系，即工作组、项目组和中心级检查组，合理安排质量检查工作，质量检查采用“两同两不同”的方法进行检查。全区观测精度用均方误差ε衡量，计算公式为：

式中，δi为第i点经各项改正的原始观测与检查观测之差；η为检查点数；ε为总均方误差。

经计算，全区均方相对误差为3.2%，小于规范±4%的要求，确认资料可靠。

5 资料解释

5.1 典型测氡剖面分析

5.1.1 11线典型测氡剖面图

图2 阳煤11线北线测氡剖面

测线11北线南北向布置，全线长4 460 m，点距20 m，共155个测点。图2为测线11活性炭测氡剖面图，可见异常值明显。其中2 080～2 500号点、3 600～3 700号点、5 140～5 440号点测氡值均在1 200个（每4 min）以下波动，且波动较小，应为正常区域；而1 000～2 060号点、2 520～3 580号点、3 720～5 120号点测氡值均在1 200个（每4 min）以上波动，且波动较大，应为异常区域，且波动较大，极高值为2 880号点的3 668个（每4 min）和极高值为3 020号点的3 800个（每4 min），分析是由地下采空区引起。

5.1.2 34线测氡剖面图

测线34北线南北向布置，全线长1 540 m，点距20 m，共47个测点。图3为测线34活性炭测氡剖面图，可见异常值明显。其中1 720～1 900号点、2 100～2 380号点测氡值均在1 200个（每4 min）以下波动，且波动较小，应为正常区域;而1 020～1 700号点、1 920～2 080号点、2 400～2 540号点测氡值均在1 200个（每4 min）以上波动，且波动较大，应为异常区域，极高值为1 680号点的10 967个（每4 min）和极高值为2 020号点的10 295个（每4 min），分析是由地下采空区引起。

图3 阳煤34线北线测氡剖面

5.2 异常的解释推断

根据地质资料，建立反演模型，约束反演深度（或标高），使煤层的实际标高与剖面反演数据相对应。各视电阻率剖面、平面图中煤层标高位置均依据矿方提供的各煤层底板等高线划定，单纯的电法数据依据目前的解释水平还很难对各煤层进行区分。但是，为了区分各煤层采空、积水现状，只有借助现有地质资料（煤层底板等高线）联合分析，才能给出可供参考的解释成果。

本测区矿方资料揭露的采空区及采空积水区作为已知区，通过分析已知区的采空区电性特征及采空积水区电性特征，确定异常阈值。

图4 4 500（3测区）线视电阻率剖面图

从纵向看图4可知，从浅到深其视电阻率基本呈现由低—中低—中高—高阻的电性特征。上部视电阻率表现为低阻的部分是地表覆盖层；煤系地层由于泥岩层的发育造成该地层视电阻率表现为中低阻或中阻形态；煤系地层下部地层为灰岩，分别表现为中高阻和高阻形态。这与完好地层的视电阻率剖面图形态不一致，推测是煤层遭到开采后上部地层垮塌，裂隙发育较好，使煤系地层上覆地层本应表现为中阻的地层视电阻率下降。图中5 900点位置电阻率变化剧烈，推测是数据畸变引起，不作为地质异常判定依据。3#、12#煤层和15#煤层位置视电阻率值较正常地层视电阻率值低，推测该测线3#、12#煤层和15#煤层均已开采。

6 电法探测取得的主要成果及其与活性炭测氡法的对比

6.1 电法探测取得的主要成果

6.1.1 3#煤层采空区及采空积水区分布

推测圈定测区范围内采空区2处，全部覆盖本矿区的1和2测区范围，3#CK01面积为14 295.0 m2，3#CK02面积为14 329.0 m2，3#CK03面积为91 586.4 m2。

推测圈定采空积水区0处，电法探测区内3#煤层采空区范围内无采空积水区。

6.1.2 12#煤层采空区及采空积水区分布

推测圈定测区范围内采空区3处，全部覆盖本矿区的1、2及3测区范围，12#CK01面积为14 295.0 m2，12#CK02面积为14 329.0 m2，12#CK03面积为91 586.4 m2。推测圈定采空积水区0处，电法探测区内12#煤层采空区范围内无采空积水区。

6.1.3 15#煤层采空区及采空积水区分布

推测圈定测区范围内采空区3处，全部覆盖本矿区的1和2测区范围、3测区的西部大部分区域，15#CK01面 积 为 14 295.0 m2，15#CK02面 积 为 14 329.0 m2，15#CK03面积为59 484.9 m2。推测圈定采空积水区0处，电法探测区内15#煤层采空区范围内无采空积水区。

电法探测推测的本次采空积水区积水面积，因控制网度较稀疏、数据准确程度受控制网度影响，辅助其他验证、控制方法供参考使用。在资料处理过程中，采取了滤波、正演、反演等技术手段，进行了大量的数据处理，在资料分析过程中参考了区内相关的钻探、地质等资料，提高了成果的可靠程度。

6.2 活性炭测氡法与电法成果对比

推测了区内3#、12#和15#煤层采空区分布情况，圈定了测区内采空区范围及采空积水区范围。合计圈定煤层采空区9处和采空积水区0处。

推测采空区及采空积水区范围情况基本同矿区地质资料吻合，同活性炭放射性测量结果吻合程度较高，为矿山地质环境治理提供了可靠的前期资料。

活性炭测氡只能测量采空区地表形成的氡异常，可以有效地圈定采空区范围，效果显著。但是，活性炭本身也有许多不足之处，如活性炭测量埋置时间比较长（5～7 d），容易受气象条件影响，容易受埋置的土壤条件影响，不能区分采空区层位、深度等。本次共完成了A1～A9一共9个活性炭区域的测试工作，结合地面调查初步解释四矿采空区面积6.31 km2。

7 结论

由以上勘测结果可知，活性炭测氡法不受地形、气候、被探测对象埋藏深度等条件制约，操作简便、快捷、成本低。瞬变法磁法能够如实反映地下地质体典型特征异常，弥补了活性炭勘测法只能形成空区地表扫面，对地下空区的赋存形态无法确定的缺陷。