煤礦采空區探測中活性炭測氡法與瞬變電磁對比淺析
——以陽煤四礦為例

喬 雷

（河南省煤田地質局資源環境調查中心，鄭州 450053）

陽泉煤業（集團）有限責任公司四礦是在小煤窯基礎上，經過恢復、改建、擴建形成的國有大型礦井。2002年該礦破產關閉，次年，為安置職工、維護穩定，礦山所屬集團公司決定將四礦原有的殘存大巷煤柱進行回采。礦區及周邊煤炭開采活動歷史悠久，小窯分布密集，數量多達17個，其部分采空區與小窯破壞區相互交叉重疊，常引起地表巖層移動、土地塌陷、地表水源枯竭、山體滑坡、村莊等建筑物損壞。現今該礦一半改建成小區，考慮到居民安全，對采空區進行探測。

采空區的物探方法有活性炭測氡法、瞬變電磁法等。活性炭測氡法不受地形、氣候、被探測對象埋藏深度等條件制約，操作簡便、快捷、成本低，但其只能形成空區地表掃面，對地下空區的賦存形態無法確定。瞬變法磁法能夠如實反映地下地質體典型特征異常，但是工作難度較大，且受地形、地電、勘探對象埋藏深度等條件限制。鉆探工程能夠準確地確定采空區位置及其積水、聚氣情況，但成本高，可對物探可疑區進行驗證。

本文將活性炭測氡法和瞬變電磁法相結合，少量鉆探工程作疑區來驗證煤礦未知采空區的分布范圍，對地下賦存形態進行探測。

1 探測區概況

此區是東部太行山和北部五臺山的隆起，形成了東北高、西南低，北西走向，往南西傾斜的一個大規模的單斜構造，次一級的構造以波狀起伏的短軸褶皺構造為主，層間的小斷裂構造次之。其井田南部軸向近EW向四礦向斜和井田北部軸向近NW向長桿梁向斜，貫穿井田南北沿NNE向呈雁行排列展布的撓曲斷裂帶對井田內煤層的形態也有重要影響。井田總體構造形態主要受兩大向斜控制。由于構造作用，煤巖層中還廣泛發育了許多落差不超過6 m的層間斷裂。它們雖不影響采區及工作面的布置，但對于工作面回采影響很大。井田內基巖地層出露較好。自下而上分別為石炭系中統本溪組（C2b）、上統太原組（C3t），二疊系下統山西組（P1s）、下石盒子組（P1x），上統上石盒子組（P2s），第四系中上更新統（Q2+3）、全新統（Q4）。黃土厚度較薄，分布范圍較廣。

2 煤礦采空區地球物理特性

采空積水區電阻率會出現較為劇烈變化，與圍巖電性特征區別明顯，其激電數據極化率明顯高于正常幅值。以上兩種電性特征相互印證可降低物探多解性，使推斷的采空積水區更可靠。

表1 四礦地層物理特性

根據表1判斷，調查區內完整地層測深電阻率曲線應該表現為HA型：ρ1＞ρ2＜ρ3＜ρ4。

3 原理與方法

3.1 活性炭測氡法的基本原理

活性炭具有吸附作用，其比表面積高達700～1 600 m2/g。由于同為極性，活性炭對氡具有較強的吸附能力，當氡被吸附時，由于濃度差作用，氡源源不斷匯集過來，直至活性炭達到吸附極限。自然界中，氡及其子體有很強的向上運移能力。而它們在不同地質體中的分布具有差異和規律，因此可以勘測地質情況。

3.2 活性炭測氡法探測煤礦采空區的理論依據

煤層開采會引起該地區引力重新分布，采空區周圍極易形成局部應力集中區，造成四周巖體的冒落、破壞，出現裂隙，同時氡氣的運行與富集也會受影響：采空區導致地面存在裂隙，造成氡氣上集，在地表形成氡異常區；由于采空區上含水層遭破壞，地下水漏失等原因，地表裂隙更大，氡異常區更明顯。

由于采空區和其影響區氡氣異常幅值大小和分布規律不同，可確定煤礦地下采空區以及采空影響區的位置與范圍。

3.3 活性炭測量

3.3.1 活性炭測量方法

本次氡監測采用在線連續監測，在其他條件相同時，單位重量活性炭吸附的氡與被吸附地點氡的濃度成正比。因此，通過測量氡的γ子體放出的γ射線，進行氡濃度及氡析出率的測量，從而測量氡的濃度和氡的析出率。

使用的儀器包括探頭、操作臺、鉛室、活性炭吸附采樣瓶及活性炭吸附捕集器等。活性炭取樣器的性能及取樣盒內活性炭的收集效率、外界干攏而造成的譜峰的漂移、探測器的探測效率等均會影響監測穩定度和精度。

3.3.2 基線、測線和測網

（1）基線。基線布設應盡量與探測對象的走向平行，當探測對象多而分散時，應以主要探測對象為準布設。本次測量應使用全站儀測定，長度、方位允許誤差分別為±1%、±0.5°。在基線上應設有三個以上半永久性標志。

（2）測線。測線長度、線距允許誤差為±5%、±10%。

（3）測網。根據測區特征，選擇合理的測網，本次工作設計活性炭1:1萬測量（網度100×20）。

3.3.3 測量條件

（1）探坑。在野外測點上挖50 cm深的坑，坑底直徑為18 cm的圓形平面，土壤發育地段應穿過腐植層。

（2）活性炭吸附器的埋置時間。活性炭吸附器的埋置時間為5～7 d，應經過試驗確定，同一地區必須相同。

4 質量評價

及時對原始記錄、表冊進行整理、編目和編號，編制原始資料索引，進行平面圖展點，建立三級質量管理體系，即工作組、項目組和中心級檢查組，合理安排質量檢查工作，質量檢查采用“兩同兩不同”的方法進行檢查。全區觀測精度用均方誤差ε衡量，計算公式為：

式中，δi為第i點經各項改正的原始觀測與檢查觀測之差；η為檢查點數；ε為總均方誤差。

經計算，全區均方相對誤差為3.2%，小于規范±4%的要求，確認資料可靠。

5 資料解釋

5.1 典型測氡剖面分析

5.1.1 11線典型測氡剖面圖

圖2 陽煤11線北線測氡剖面

測線11北線南北向布置，全線長4 460 m，點距20 m，共155個測點。圖2為測線11活性炭測氡剖面圖，可見異常值明顯。其中2 080～2 500號點、3 600～3 700號點、5 140～5 440號點測氡值均在1 200個（每4 min）以下波動，且波動較小，應為正常區域；而1 000～2 060號點、2 520～3 580號點、3 720～5 120號點測氡值均在1 200個（每4 min）以上波動，且波動較大，應為異常區域，且波動較大，極高值為2 880號點的3 668個（每4 min）和極高值為3 020號點的3 800個（每4 min），分析是由地下采空區引起。

5.1.2 34線測氡剖面圖

測線34北線南北向布置，全線長1 540 m，點距20 m，共47個測點。圖3為測線34活性炭測氡剖面圖，可見異常值明顯。其中1 720～1 900號點、2 100～2 380號點測氡值均在1 200個（每4 min）以下波動，且波動較小，應為正常區域;而1 020～1 700號點、1 920～2 080號點、2 400～2 540號點測氡值均在1 200個（每4 min）以上波動，且波動較大，應為異常區域，極高值為1 680號點的10 967個（每4 min）和極高值為2 020號點的10 295個（每4 min），分析是由地下采空區引起。

圖3 陽煤34線北線測氡剖面

5.2 異常的解釋推斷

根據地質資料，建立反演模型，約束反演深度（或標高），使煤層的實際標高與剖面反演數據相對應。各視電阻率剖面、平面圖中煤層標高位置均依據礦方提供的各煤層底板等高線劃定，單純的電法數據依據目前的解釋水平還很難對各煤層進行區分。但是，為了區分各煤層采空、積水現狀，只有借助現有地質資料（煤層底板等高線）聯合分析，才能給出可供參考的解釋成果。

本測區礦方資料揭露的采空區及采空積水區作為已知區，通過分析已知區的采空區電性特征及采空積水區電性特征，確定異常閾值。

圖4 4 500（3測區）線視電阻率剖面圖

從縱向看圖4可知，從淺到深其視電阻率基本呈現由低—中低—中高—高阻的電性特征。上部視電阻率表現為低阻的部分是地表覆蓋層；煤系地層由于泥巖層的發育造成該地層視電阻率表現為中低阻或中阻形態；煤系地層下部地層為灰巖，分別表現為中高阻和高阻形態。這與完好地層的視電阻率剖面圖形態不一致，推測是煤層遭到開采后上部地層垮塌，裂隙發育較好，使煤系地層上覆地層本應表現為中阻的地層視電阻率下降。圖中5 900點位置電阻率變化劇烈，推測是數據畸變引起，不作為地質異常判定依據。3#、12#煤層和15#煤層位置視電阻率值較正常地層視電阻率值低，推測該測線3#、12#煤層和15#煤層均已開采。

6 電法探測取得的主要成果及其與活性炭測氡法的對比

6.1 電法探測取得的主要成果

6.1.1 3#煤層采空區及采空積水區分布

推測圈定測區范圍內采空區2處，全部覆蓋本礦區的1和2測區范圍，3#CK01面積為14 295.0 m2，3#CK02面積為14 329.0 m2，3#CK03面積為91 586.4 m2。

推測圈定采空積水區0處，電法探測區內3#煤層采空區范圍內無采空積水區。

6.1.2 12#煤層采空區及采空積水區分布

推測圈定測區范圍內采空區3處，全部覆蓋本礦區的1、2及3測區范圍，12#CK01面積為14 295.0 m2，12#CK02面積為14 329.0 m2，12#CK03面積為91 586.4 m2。推測圈定采空積水區0處，電法探測區內12#煤層采空區范圍內無采空積水區。

6.1.3 15#煤層采空區及采空積水區分布

推測圈定測區范圍內采空區3處，全部覆蓋本礦區的1和2測區范圍、3測區的西部大部分區域，15#CK01面 積 為 14 295.0 m2，15#CK02面 積 為 14 329.0 m2，15#CK03面積為59 484.9 m2。推測圈定采空積水區0處，電法探測區內15#煤層采空區范圍內無采空積水區。

電法探測推測的本次采空積水區積水面積，因控制網度較稀疏、數據準確程度受控制網度影響，輔助其他驗證、控制方法供參考使用。在資料處理過程中，采取了濾波、正演、反演等技術手段，進行了大量的數據處理，在資料分析過程中參考了區內相關的鉆探、地質等資料，提高了成果的可靠程度。

6.2 活性炭測氡法與電法成果對比

推測了區內3#、12#和15#煤層采空區分布情況，圈定了測區內采空區范圍及采空積水區范圍。合計圈定煤層采空區9處和采空積水區0處。

推測采空區及采空積水區范圍情況基本同礦區地質資料吻合，同活性炭放射性測量結果吻合程度較高，為礦山地質環境治理提供了可靠的前期資料。

活性炭測氡只能測量采空區地表形成的氡異常，可以有效地圈定采空區范圍，效果顯著。但是，活性炭本身也有許多不足之處，如活性炭測量埋置時間比較長（5～7 d），容易受氣象條件影響，容易受埋置的土壤條件影響，不能區分采空區層位、深度等。本次共完成了A1～A9一共9個活性炭區域的測試工作，結合地面調查初步解釋四礦采空區面積6.31 km2。

7 結論

由以上勘測結果可知，活性炭測氡法不受地形、氣候、被探測對象埋藏深度等條件制約，操作簡便、快捷、成本低。瞬變法磁法能夠如實反映地下地質體典型特征異常，彌補了活性炭勘測法只能形成空區地表掃面，對地下空區的賦存形態無法確定的缺陷。