孫耀鋒

測氡法在探測陷落柱方面的應(yīng)用

孫耀鋒

煤炭是我國目前主要能源之一，在煤礦生產(chǎn)和建設(shè)中，由于陷落柱的存在，井下一旦被導(dǎo)通，便會給煤礦生產(chǎn)造成不堪設(shè)想的嚴(yán)重后果。測氡法是一種新的物探方法，該方法抗干擾能力強(qiáng)，施工簡單。本文通過在某測區(qū)的應(yīng)用研究，闡述了該方法的有效性和實(shí)用性。

測氡法簡介

（1）氡的基本特征

在自然界中存在三大天然放射性系列，即：錒鈾系（235U）、釷系（232Th）和鈾系（238U）。它們的半衰期均很長（7.04×108～1.4×1010年），在現(xiàn)實(shí)世界中我們均發(fā)現(xiàn)了它們的蹤跡。

物質(zhì)世界的放射性核素會不斷發(fā)生衰變，所謂衰變就是自身變成另一種核素，同時(shí)會放出射線。一般，大家都把發(fā)生衰變的核素叫作母體，新生的核素叫作子體。新生的子體核素會繼續(xù)進(jìn)行衰變，一直進(jìn)行下去，直到最終的衰變產(chǎn)物沒有放射性才不再衰變。

從其衰變過程中了解到： 氡既是唯一呈氣態(tài)的惰性氣體，又是鈾系的子體，也是人們感興趣的子體，因?yàn)樗茱@示出地層深部各種變化的信息，并從地下深部遷移至地面。

氡氣的運(yùn)移理論：氡氣可以從地下深部遷移到地面，這就為我們探尋地下深部的地質(zhì)信息提供了新的手段。自1980年至今， 我們通過實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識到氡這種物質(zhì)，在地層中向上運(yùn)動的力量比我們知道的物質(zhì)通過擴(kuò)散向上運(yùn)動的力量大的多，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于向下運(yùn)動的力量。很顯然，這與我們以前的認(rèn)識完全不同，說明氡向上移動肯定不是由于擴(kuò)散引起的，通過實(shí)驗(yàn)，我們對氡的認(rèn)識更加深一步。1997年山西有一大學(xué)教授通過實(shí)驗(yàn)研究，提出：“團(tuán)簇運(yùn)移理論”，給出了在特定條件下，氡及其子體借助其自身固有的因素向上運(yùn)移的真正原因，徹底弄清楚了氡向上運(yùn)動的原因。

（2）陷落柱引起氡異常

巖溶在上覆地層重力或地質(zhì)構(gòu)造力作用下，發(fā)生坍塌，上部的煤系地層也隨之陷落，形成陷落柱。從陷落柱的成因可以看出，陷落柱體內(nèi)的巖石比兩側(cè)的正常巖石，破碎嚴(yán)重，并且裂隙發(fā)育，連通性大大增加，這些情況都為氡氣從下向上運(yùn)動提供了便利條件，最終會造成陷落柱體內(nèi)的氡氣濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于陷落柱體外的濃度。

另外，巖溶陷落柱一般都是上邊小，下邊大，像一個(gè)“倒扣的杯子”，并且陷落柱體內(nèi)與周圍的正常巖石存在一定的壓力差異，再加上氡氣本身所具有的自下往上的運(yùn)動能力，所以，在地表位置，陷落柱體內(nèi)與體外，會形成明顯的氡氣濃度差別。當(dāng)陷落柱柱體富水時(shí)，會極大的增加陷落柱內(nèi)及其周圍的巖石風(fēng)氧化程度，進(jìn)一步增大巖石之間的裂隙，將極大的提高巖石氡的射氣系數(shù)。所以無論陷落柱是否富水，在地表位置其體內(nèi)外一定會出現(xiàn)明顯的氡氣濃度差別，這就為我們在地表面采用氡氣測量提供了可能。根據(jù)氡異常的峰值狀態(tài)便可確定陷落柱的位置和范圍。

測區(qū)概況

（1）地層

新生界地層覆蓋在實(shí)驗(yàn)區(qū)井田地表，通過搜集資料了解到，實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)發(fā)育的地層自上至下依次為第四系、上統(tǒng)上石盒子組、下石盒子組、二疊系下統(tǒng)山西組、上統(tǒng)太原組、石炭系中統(tǒng)本溪組及奧陶系中統(tǒng)馬家溝組與峰峰組。

（2）煤層

實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)主要含煤地層有二疊系下統(tǒng)山西組、石炭系上統(tǒng)太原組，其次為石炭系中統(tǒng)本溪組。從上向下分別詳細(xì)描述如下：二疊系下統(tǒng)山西組：本層段下部一共有l(wèi)號、2號、2下三層煤，其中分布比較穩(wěn)定，且是煤礦主要可采的是2號煤；石炭系上統(tǒng)太原組為本實(shí)驗(yàn)區(qū)主要含煤地層之一。本層下段共有9號、8號兩個(gè)煤層。全區(qū)穩(wěn)定的主采煤層，并且厚度最大的是9號煤，，8號煤層局部可采的極不穩(wěn)定煤層。本層中段共有6層相對較薄的煤層和4個(gè)灰?guī)r層。4個(gè)灰?guī)r層從上往下，分別是野青、伏青、中青、大青，它們在整個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)都有分布。6個(gè)薄煤層分別是3上、3號、4號、5號、6下、7號煤層。其中5號煤層和7號煤層具有一定的開采價(jià)值，屬于局部可采的煤層，其他的煤層不具有開采價(jià)值；本層上段為太原組次要含煤層段，其中3號煤層和3上煤層，雖然層位穩(wěn)定，但由于厚度太小，不具有開采價(jià)值；實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)次要含煤地層是石炭系中統(tǒng)本溪組。石灰?guī)r夾煤層構(gòu)成了本組上部，并命名為本溪灰?guī)r，整個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)均有分布。

工作方法

本次實(shí)驗(yàn)測量的是氡經(jīng)過衰變的子體鐳A（RaA）放射發(fā)出的γ射線的強(qiáng)度，選用的方法是活性炭測氡法。該方法具有操作簡便、快捷、成本低等特點(diǎn)。

我們使用的儀器是山西太原理工大學(xué)自行研發(fā)的TYHC-1活性炭測氡儀。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天后再從土坑中挖出來，立馬將吸附器放置于TYHC-1活性炭測氡儀電離室中，觀測出氡及其子體輻射出的γ射線的強(qiáng)度，最后得到測氡數(shù)據(jù)，按照數(shù)據(jù)處理流程，對氡值進(jìn)行各種處理，最后成圖解釋。

資料分析與解釋

在已知運(yùn)輸巷上布設(shè)了5條測線，各條測線的分析情況如圖1所示。

圖1

圖2

圖3

圖4

圖5

我們從1號線測氡曲線（圖1）了解到：第1個(gè)測點(diǎn)的氡值相對較高，大約770個(gè)計(jì)數(shù)/3min左右，分析認(rèn)為這是個(gè)單點(diǎn)異常點(diǎn)，據(jù)已知資料分析認(rèn)為是由于巷道引起的；第4個(gè)測點(diǎn)的氡值超過了750個(gè)計(jì)數(shù)/3min，綜合分析認(rèn)為這是陷落柱的一個(gè)邊界；從第4個(gè)測點(diǎn)到第12個(gè)測點(diǎn)的氡值相對較高，分析認(rèn)為是由于陷落柱造成的，從第13個(gè)測點(diǎn)到第16個(gè)測點(diǎn)的氡值低于700個(gè)計(jì)數(shù)/3min，且波動相對較小，分析認(rèn)為是正常區(qū)的反應(yīng)，綜合分析第4個(gè)測點(diǎn)、第12個(gè)測點(diǎn)為陷落柱邊界。

我們從2號線測氡曲線（圖2）了解到：第3個(gè)測點(diǎn)和第4個(gè)測點(diǎn)氡值超過800個(gè)計(jì)數(shù)/3min， 第16個(gè)測點(diǎn)氡值超過700個(gè)計(jì)數(shù)/3min，分析認(rèn)為這3個(gè)測點(diǎn)為單點(diǎn)異常點(diǎn)，結(jié)合地質(zhì)資料綜合分析認(rèn)為是巷道造成的；第5個(gè)測點(diǎn)和第11個(gè)測點(diǎn)氡值超過700個(gè)計(jì)數(shù)/3min，且從第5個(gè)測點(diǎn)至第11個(gè)測點(diǎn)的氡值均相對較高，結(jié)合地質(zhì)資料綜合分析認(rèn)為，第5號測點(diǎn)至第11號測點(diǎn)的氡值異常是由陷落柱引起的。

我們從3號線測氡曲線（圖3）了解到：第3個(gè)測點(diǎn)、第4個(gè)測點(diǎn)、第5個(gè)測點(diǎn)、第11個(gè)測點(diǎn)、第14個(gè)測點(diǎn)的氡值均超過了750個(gè)計(jì)數(shù)/3min，綜合已知資料，分析認(rèn)為這些氡值異常是由巷道造成的；第6個(gè)測點(diǎn)的氡值超過了850個(gè)計(jì)數(shù)/3min，且第 6個(gè)測點(diǎn)到第9個(gè)測點(diǎn)的氡值均較高，起伏相對較大，綜合分析認(rèn)為這些異常為陷落柱引起的，且第6個(gè)測點(diǎn)、第9個(gè)測點(diǎn)是陷落柱的兩個(gè)邊界；第10、12、13、15測點(diǎn)的氡值相對較低，分析認(rèn)為這些地方為正常區(qū)。

我們從4號線測氡曲線（圖4）了解到：第5個(gè)測點(diǎn)、第8個(gè)測點(diǎn)、第10個(gè)測點(diǎn)的氡值都超過了750個(gè)計(jì)數(shù)/3min， 并且從第5個(gè)測點(diǎn)開始，到第10個(gè)測點(diǎn)這一位置的氡值波動相對較大，綜合分析認(rèn)為，這些地段的異常是由陷落柱造成的。并且第5個(gè)測點(diǎn)、第10個(gè)測點(diǎn)分別為陷落柱的兩個(gè)邊界；從第1個(gè)測點(diǎn)開始，到第4個(gè)測點(diǎn)位置的氡值相對較低，并且比較規(guī)整，波動相對較小，綜合分析認(rèn)為這些位置為正常區(qū)。

我們從5號線測氡曲線（圖6）可以了解到： 第2個(gè)測點(diǎn)的氡值超過了750個(gè)計(jì)數(shù)/3min，結(jié)合地質(zhì)資料分析，這個(gè)位置的氡異常是由于斷層造成的；第3個(gè)測點(diǎn)到第9個(gè)測點(diǎn)、第11個(gè)測點(diǎn)到第14個(gè)測點(diǎn)的氡值相對較低且比較整齊，分析認(rèn)為是正常區(qū)域，第10個(gè)測點(diǎn)的氡值超過了700個(gè)計(jì)數(shù)/3min，綜合已知地質(zhì)資料，分析認(rèn)為第10個(gè)測點(diǎn)是陷落柱的一個(gè)邊界； 第15個(gè)測點(diǎn)、第19個(gè)測點(diǎn)的氡值均超過了700個(gè)計(jì)數(shù)/3min，并且從第15個(gè)測點(diǎn)到第19個(gè)測點(diǎn)位置的氡值波動相對較大，綜合分析認(rèn)為第15個(gè)測點(diǎn)到第19個(gè)測點(diǎn)位置的氡異常是由于陷落柱引起的； 第23個(gè)測點(diǎn)的氡值超過850個(gè)計(jì)數(shù)/3min，根據(jù)地質(zhì)資料分析認(rèn)為此位置為陷落柱邊界；第20個(gè)測點(diǎn)到第22個(gè)測點(diǎn)的氡值波動較小，綜合分析認(rèn)為這些位置為正常區(qū)。

結(jié)語

通過對測區(qū)的資料進(jìn)行分析、解釋，可知在陷落柱位置，氡值有明顯變化，說明測氡法在探測陷落柱方面是可行的，該方法具有抗干擾能力強(qiáng)，施工簡單，受地形影響小等優(yōu)點(diǎn)，為我們探測陷落柱提供了一種新的手段。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.23.001