活性炭吸附測氡法評估復(fù)雜地形

　　煤炭是全球分布最廣、儲量最豐富的化石燃料，被譽為工業(yè)糧食。中國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國。然而，隨著煤炭資源的不斷開采，許多產(chǎn)煤區(qū)形成了巨大的地下采空區(qū),這些礦區(qū)嚴(yán)重影響了礦山的生產(chǎn)安全和周邊安全。采空區(qū)范圍控制不準(zhǔn)確將產(chǎn)生極大的安全隱患，這次我們提出了一種結(jié)合可控源音頻大地電磁法和活性炭測氡法來檢測復(fù)雜地形煤礦采空區(qū)的方法。

　　活性炭法測定氡的原理

　　氡是鈾系的后代，是唯一的惰性氣體，也是人們感興趣的后代，因為它可以從地下深處遷移到地表，并能顯示深層地層的各種變化信息。氡是鐳衰變的中間產(chǎn)物，其后代214Pb和210Bi是γ射線的輻照體。

　　活性炭測氡儀通過檢測土壤中氡子體的γ射線強度來鑒定氡的存在。具體而言，γ射線照射探測器中的Na1(T1)閃爍體，產(chǎn)生光電信號，通過光電倍增管將其變成微弱的電信號。由前置放大器、主放大器和脈沖整形電路組成的單片機認(rèn)為可接受的脈沖。單位時間內(nèi)脈沖數(shù)的多少反映了γ射線的強度。通過在不同地點測量γ射線獲得氡異常數(shù)據(jù)，為分析工區(qū)地下地質(zhì)條件奠定基礎(chǔ)。

　　活性炭測氡法是一種靜態(tài)累積測氡法。具體原理是將活性炭吸附器埋入地下一段時間，然后將吸附器取出，放入儀器(活性炭測氡儀)中，測量衰變后代輻射的γ射線強度。氡氣。因此，可以確定氡氣濃度。氡輻射元素向采空區(qū)遷移并聚集，在地表形成與采空區(qū)形態(tài)相對應(yīng)的氡異常區(qū)。因此，可以通過測量地表氡元素濃度(即測量氡及其衰變子體釋放的射線強度)來推斷煤礦采空區(qū)的位置和范圍。

　　數(shù)據(jù)采集​​與處理

　　所用儀器為活性炭氡檢測儀。在現(xiàn)場調(diào)查中，將使用過的活性炭烘烤干燥。冷卻后，將活性炭按照適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)放入取樣器中，用硅膠塞規(guī)避地下水分的影響，然后將樣品密封備用。接下來，將裝滿的采樣器口朝下放置在測試坑中，如圖1所示。采樣器和集氣杯穩(wěn)定固定，上面蓋上塑料布，密封坑口。當(dāng)埋杯到預(yù)設(shè)時間(至少5天)時，取出采樣器，仔細(xì)填寫采樣時間和氣候。然后將采樣器放入經(jīng)過測試和校準(zhǔn)的活性炭氡氣檢測儀中，記錄每個采樣器的線數(shù)和點數(shù)。

　　圖1：活性炭吸附器示意圖。

　　在活性炭測氡中，活性炭吸附氡的量受溫度、濕度、活性炭吸附劑、測氡儀、埋藏深度、埋藏時間等因素的影響。對活性炭測氡數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化、歸一化、儀器標(biāo)定、γ射線實測強度校正、淺層因素標(biāo)定、均勻平滑等六個方面的預(yù)處理。

　　結(jié)合活性炭法測氡值等高線和下述解釋結(jié)果圖，發(fā)現(xiàn)氡異常呈塊狀，連續(xù)性較好，如圖2所示。勘探區(qū)中部和西北部氡值變化較大，氡濃度最大值為3962Bq/L，解釋為氡異常帶。此外，地表裂隙可能已經(jīng)在一定程度上與地下采空區(qū)連通，不具備儲氣功能，因此該剖面的小塊出現(xiàn)低值。綜合推測分析，異常帶與電磁法推斷的采空區(qū)范圍基本一致，推測采空區(qū)為氡異常帶。

　　圖2：活性炭測量的氡值等高線平面和采空區(qū)異常解釋(紅色線框)圖。

　　電磁法集探測深度大、分辨率高、能夠識別采空區(qū)積水狀態(tài)等優(yōu)點于一體。但是，它很容易受到靜電效應(yīng)和近場效應(yīng)的影響。發(fā)射端附近的導(dǎo)體可能會對發(fā)射源產(chǎn)生干擾，在地形地貌、工作環(huán)境復(fù)雜的地區(qū)極易影響測量精度。然而，用于氡測量的活性炭方法不受地形、地電或EMF的影響。然而，這種方法無法解釋采空區(qū)深度。因此，這兩種方法可以相互借鑒，彌補各自的不足。

　　本次調(diào)查工作將電磁法與活性炭測氡法相結(jié)合，形成綜合物探方法，對某礦區(qū)地下采空區(qū)情況進行了研究。首先，電磁法用于探測采空區(qū)的深度探測。發(fā)現(xiàn)1個低阻異常帶和1個高阻異常帶，推測后者為采空區(qū)異常帶，前者由采空區(qū)積水或大鵬地層水富集形成，推測為采空區(qū)積水異常帶。然后使用用于測氡的活性炭方法來推斷地下采空區(qū)的位置和范圍。結(jié)合電磁法勘探成果，推測該采空區(qū)為氡值異常帶。

　　最終將已知資料、野外地質(zhì)調(diào)查、電磁法、活性炭測氡法綜合解釋，完成勘探區(qū)采空區(qū)解釋，并通過鉆孔驗證，如圖3。結(jié)果表明，兩種勘探方法探測到的采空區(qū)范圍邊界并不完全重合。這意味著，如果采用一種勘探方法進行勘探，其結(jié)果并不意味著采空區(qū)已被完全發(fā)現(xiàn)。這也印證了每種地球物理勘探方法都有其優(yōu)缺點。綜合每種方法的優(yōu)點，避免其缺點，將使其檢測結(jié)果更具參考性。

　　圖3：采空區(qū)結(jié)果圖綜合解讀。

　　由于兩種方法檢測到的采空區(qū)面積并不完全重合，因此不能證明采空區(qū)范圍100%識別。從理論上講，使用的檢測方法越多，得到的結(jié)果就越準(zhǔn)確。但需要考慮到時間、經(jīng)濟、人工等費用的負(fù)擔(dān)，以及多種方法綜合檢測方案難以實施，而這兩種方法的檢測精度足以滿足大多數(shù)工程項目的需要。

　　活性炭吸附測氡法評估復(fù)雜地形，結(jié)果表明，電磁法與活性炭測氡法相結(jié)合的綜合地球物理找礦方法確實能夠經(jīng)濟、快速、準(zhǔn)確地完成找礦工作。這種綜合勘探方法也受到地形、地貌、地質(zhì)條件等多種因素的輕微影響。因此，在實際工程探索中具有重要的參考意義。

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