活性炭測氡和瞬變電磁法在煤礦采空區探測中的應用

王棟良

（中國煤炭地質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，會因發生電子與核之間的相對位移而產生瞬時偶極。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，會發生高濃度向低濃度運移的現象，該作用成為濃度差作用。在此作用之下，活性炭將持續吸附氡于自身表面，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。

本文針對活性炭對煤礦采空區氡氣濃度測試進行探討。因采空區形成區域地質應力分布狀態會隨著采空區的形成而發生不可逆轉的改變，地質體在應力作用下發生塑性或彈性變形。由于空間改變，采空區所分布氣體的運移與集聚環境也隨之改變，氡氣的分布狀態也隨之改變，會發生不同程度的運移和聚集。主要表現為氡元素向采空區運移，在采空區呈富集狀態，在地表形成一個與采空區形態相應的氡高值異常區。因此，可以通過測量地表氡元素的濃度來圈定煤礦采空區的位置及范圍。

技術路線：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據進行保存處理，根據每條測線的氡的濃度圈定地下采空區位置。

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體受激勵引起的渦流產生的隨時間變化的感應二次場。感應二次場的形成與地質體的導電性及地質體的電阻率密切相關，電阻率越低，低電阻地質體規模越大，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體的不同而呈現出不同特點，可判斷地質體的電性、性質、產狀、規模等，可進一步分析探討如斷層、陷落柱、采空區等地質構造問題。

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，所觀測原始數據可通過計算轉換為視電阻率、視深度等參數。進而可根據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，可根據圖示結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，則該區域導電性產生變化，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。

3 實例分析

3.1 勘探區概況

山西某勘探區第四系發育?；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，井田內構造簡單，為近南北走向，傾向西的單斜構造。地層傾角一般為9°～12°，井田內巖漿巖不發育。

3.2 數據處理與解釋

3.2.1 活性炭測氡數據處理與解釋

測氡法解決實際問題以野外探測工作為基礎獲得大量實測數據，為后續室內分析奠定基礎。由于放射性漲落誤差、隨機誤差及系統誤差，要充分考慮外界客觀因素對數據提取的影響。在野外工作結束后，在室內對原始數據分析處理，充分利用計算機把盡可能多的信息進行歸納，對原始數據進行多角度、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。整個活性炭測氡數據處理主要包含3 方面：數據質量評價、γ 強度的修正、數據處理及繪制圖件?；钚蕴繙y氡測量的數據室內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?；钚蕴繙y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上。首先，剖面上活性炭測氡資料的解釋依據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。采空區在氡濃度曲線上解釋原則是氡濃度呈現高值，采空區越大，氡值的變化幅度越大，在氡濃度平面等值線圖中表現為氡值高值。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發育地段。

3.2.2 瞬變電磁數據處理解釋

瞬變電磁數據處理流程是多測道曲線濾波、轉化視電阻率、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。圖3 是勘探區內第5 測道和第25 測道感應電壓比值平面等值線圖，根據采空區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存在區域，認為在240 線東段附近存在一個高值的采空區。

3.2.3 綜合解釋

單一物探方法圈定的采空區的準確性較差。采用活性炭測氡和瞬變電磁對可結合進行綜合解釋。如圖1 與圖3，通過綜合對比分析圈定的采空區，綜合分析認為勘探區240 線左右活性炭測氡異常區和瞬變電磁解釋的異常區是重合的，那么可認為該區域存在一個不規則采空區。

圖1 氡濃度平面等值圖

圖2 內視電阻率擬斷面圖解釋

圖3 勘探區感應電壓比值等值線圖

4 結語

通過實際運用活性炭測氡法和瞬變電磁法相結合的方法對山西某礦區進行地面采空區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可采用活性炭測氡法和瞬變電磁法結合法，具有良好成效。