文档介绍：第5期山西焦煤科技 2008年5月
测氡和瞬变电磁法在煤矿采空区探测中的应用
黄群(山西省煤炭地质水文勘查研究院)
摘要因采煤沉陷引起地表建筑物产生裂缝而引发的纠纷,通过测氡和瞬变电磁法两种物探方法先探测出煤矿地下采煤造成的采空区边界位置、深度,再根据地下采煤引起的地表变形理论,选用与本区开采技术条件相近的角量参数进行地表变形影响范围计算,从而确定地下采煤对地面建筑物的影响范围及数量,划分煤矿责任范围,是行之有效的方法。通过多年工作实践,利用活性炭测氡和瞬变电磁相结合的物探方法探测采空区边界位置准确,瞬变电磁法兼确定采空区深度,可达到相互弥补、验证、减少多解性之目的,取得良好的地质效果。
关键词活性炭测氡;瞬变电磁;采空区边界及深度
山西是全国主要产煤大省,受多年煤炭开采的影响,全省目前引发了许多地质灾害,其中采煤沉陷就是其中之一,据统计山西省采空区面积已有5 000多km2,使部分村民房屋出现不同程度的裂缝,影响到村民的正常生产与生活,引起当地各级政府的重视。为查明房屋裂缝与煤矿地下采煤的关系,采用地面测氡法、瞬变电磁方法探测煤矿地下采煤造成采空区的边界位置及深度。
1 测氡和瞬变电磁法原理
地面氡气测量法
氡气浓度与岩性存在一定的关系,如放射性物质含量较高的岩浆岩,其氡值较高,而沉积岩的氡值较低。可是当有采空区存在时,放射性氡气通过采空区的储气、集气、通道三个作用,向采空区运移、集聚,在地表形成一个与采空区形态相对应的氡气异常区。因此,可以通过测量地表氡元素的浓度(实际测量的是氡衰变所释放的α射线强度)来准确圈定煤矿采空区的位置和范围,是运用测氡方法探测煤矿采空区的地球物理前提[1]。
氡气测量的基本原理:氡是铀(238)系的唯一呈气态的放射性惰性气体,它可以由地下深部迁移至地表,并可显示出地层深部的地质信息。煤系地层是在还原条件下形成的,由于U238核素的物理化学性质,在煤系地层中U238核素的含量大大的高于其它地层。当地下存在采空区时,由于采空区改变了地下地质体的应力状态,促使地质体发生形变,从而改变了地下气体的运移与集聚环境,对氡气的运移与富集起到了一定的控制作用。通过储气、集气和通道三种作用,氡核素向采空区运移,因此可在采空区形成浓度很高的氡。由于氡气具有很强的垂直向上运移能力,加之采空区顶部裂隙较发育,为氡的运移提供了很好的通道,可在地表形成一个与采空区形态相应的氡异常区。因此,通过测量地表附近氡的浓度,可确定采空区的位置与范围。
活性炭测氡法:活性炭为非极性吸附剂,氡为非极性单原子分子。当这两种物质的分子或原子相互接近时,由于电力转动和核振动,发生电子和核之间的相对位移而产生瞬时偶极。这种情况的不断重复使分子之间始终存在色散力,活性炭对氡的吸附正是色散力起主要作用。当氡运移到活性炭表面时,很快被吸附,造成其周围的氡浓度降低。在浓度差作用下,高浓度处的氡不断向活性炭运移,直至它吸附的氡量达最大值,并与周围的氡浓度达到平衡。其工作方法如下:
将高吸附活性炭埋入地下40 cm深的坑中,待5~7 d后取出,由活性炭测氡仪测量3 min记数,并对原始数据进行保存与处理。根据每1条剖面线上氡异常点的位置,来确定地下采空边界位置。
瞬变电磁法
探测的目标地质体为采空区,相对周围的煤层在电性上反映为高阻。