测氡技术在铁路采空区勘察中的应用研究

牛永效，许广春，李国和，王 银

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

采空区勘察一直是铁路工程勘察的技术难点，国内外相关学者在采空区勘察技术研究方面做了大量的研究工作，取得了十分显著的成果。但近年来，随着铁路工程建设事业的快速发展，遇到的采空区类型众多、地质条件复杂、埋深越来越大，而且中深部采空区大多数都是由机械化开采形成，车辆、高压输电线等人文干扰因素比较多，对地震、电磁类方法造成了很大的干扰，这就需要研究新的勘探方法，弥补地震、电磁类勘探方法的不足，提高采空区勘察质量和效率。

测氡技术具有不受地形和人文因素干扰等优点，对于地震、电磁类方法是一种很好的补充，在断裂带［1-3］、滑坡［4］、地下水勘察中取得了较好的效果［5］，但在铁路工程采空区勘察中应用还比较少，这主要是因为铁路为长距离的线状工程，采空区类型众多，不同类型采空区的氡气异常特征有所不同，判释标准不确定，同时地表覆盖层对氡气异常影响显著，覆盖层氡气浓度背景场确定方法缺乏，造成采空区的氡气异常解释困难。

为了进一步探讨测氡技术在铁路工程采空区勘察中的适用性，通过现场试验，详细研究了采空区的异常特征及覆盖层对采空区氡气浓度异常的影响，建立了不同类型采空区的氡气异常判释标准，在某铁路采空区勘察中进行了具体应用，取得了较好效果。

1 测氡技术原理和仪器

氡是放射性元素衰变时产生的一种放射性惰性气体，广泛存在于空气和土壤中，氡气的化学性质稳定，一般不参与化学反应，活动性强，具有很强的迁移能力，是一种容易产生、收集和测量的气体。氡气由地下深部迁移到地表附近，探测浅部覆盖层一定深度内存在的氡及其子体衰变时放射出不同能量的射线强度来推算氡的浓度，可以了解地下深部的构造［6-8］。

采空区形成后，改变了地下地质体的应力分布状态，促使地质体发生变形，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具有一定的控制作用。采空区顶板塌陷冒落后，采空区周围形成一个低应力区，围岩中的氡气不断向采空区中聚集;相对于周围完整岩体，采空区的冒落带及裂隙带是相对松散带，是储存氡气的理想场所。氡气通过裂隙带从地下深处向地表迁移，从而在地表覆盖层形成氡异常。通过测量地表覆盖层中的氡气分布，就可以确定采空区的异常分布。

本次试验所用设备为RAD7测氡仪，RAD7测氡仪主要是利用氡衰变后第一代子体的带电特性，采用外加高压电场的方式，收集衰变子体产生的α粒子，得到α脉冲计数，α脉冲计数可反映氡的含量［8］。

RAD7型测氡仪为有源式，采用半导体α探测器，采样室为0.7 L，固态的平面α探测器位于半球中心。工作时采样室加压2 000～2 500 V电场，采样室内氡子体在电场作用下进入探测器，在Snif模式下测量218Po产生的α粒子，在Normal模式下测量218Po和214Bi产生的α粒子来确定氡浓度［9-10］。

实验区选择在某在建铁路所穿越的已知采空区，该采空区埋深较大，为机械化开采，采空区附近为一村庄，地表为风化覆盖层，高压线、车辆等人文干扰因素较多，测线均穿越采空区边界，点距10 m。

2 氡气采集技术参数

2.1 采集时间

218钋是222氡的一个子体，其积累达到平衡时需30 min，积累10 min时，其累积量达约90%，积累15 min时，累积量达约96%，218钋已基本达到平衡［11］，因此，现场氡气采集时间确定为15 min。

2.2 密封时间

不同密封时间段采空区的氡气异常有所不同(图1)，点号4～7之间为已知采空区的范围，当密封4～6 d时，氡气异常效果比较明显。

图1 不同密封时间氡浓度值

3 氡气异常特征研究

3.1 采空区氡气异常特征

图2为不同类型采空区的氡气异常现场试验结果。图2(a)为大型塌陷采空区的氡气异常剖面，其中，测点11～38为采空区的影响范围，测点15～21为塌陷区范围，地表可见明显的裂缝。从图2(a)可以看出，大型塌陷采空区的氡气异常特征为双峰值带，双峰值带间低值带对应于采空区的塌陷区。

图2(b)为该矿区某一由偷采形成的小型塌陷采空区的氡气异常剖面，其中测点5～8为小型采空区的影响区，从图中可以看出，和大型采空区的氡气异常特征明显不同，小型采空区为单峰值带特征。

图2(c)为某已知未充分塌陷采空区的氡气异常分布图，其中测点8～18为已知采空区范围。从图中可以看出，未充分塌陷采空区的氡气异常特征为多峰锯齿状特征。

图2 采空区氡气异常现场试验结果

3.2 覆盖层氡气浓度分布

从氡气的迁移规律可知，氡气的浓度分布主要受深部构造和地表覆盖层的影响，也就是说即使地下没有采空区，如果地表覆盖层不同，所测得的氡气浓度也有所不同，因此，需要研究覆盖层氡气浓度的分布规律，减少覆盖层对采空区氡气浓度异常的影响。图3为现场测试结果，该测线地下无采空区，其中1～12号测点为农田，氡气浓度在200～300 Bq/m3，13～18号测点为卵石滩地，氡气浓度在0～100 Bq/m3，19～28号测点为山沟底小路，氡气浓度在100～200 Bq/m3。从上面的试验结果可以看出，同一地质条件的覆盖层氡气浓度分布比较稳定，不同覆盖层的氡气浓度则有所不同，这与中国原子能科学研究院的模拟结果一致［12］。因此，野外勘察时，应结合覆盖层的地质条件确定氡气背景场值。

图3 覆盖层氡气浓度分布

4 应用实例

某一在建铁路穿越大面积的采空区，为了保证施工及后期运营的安全，需要查明采空区的分布范围。该采空区埋深较大，为机械化开采，采空区附近为一村庄，地形起伏不平，地表为风化覆盖层，高压线、车辆振动等人为干扰因素较多，地震、电磁法受到一定程度的影响。经过综合比较，选用测氡法对采空区进行勘察，点距5 m，测氡结果如图4所示。

从图4可以看出，点4～37间为典型的双峰值带特征，是大型塌陷采空区的影响区，其中测点15～33间为双峰值带间的低值带，对应于采空区的塌陷区。后经验证，测氡法所划定的采空区异常范围与采空区分布范围基本一致。

5 结论

(1)通过现场试验及工程应用，表明测氡是一种有效的采空区勘察技术，且不受地形条件、车辆振动及高压线等人文干扰因素的影响，是地震、大地电磁法的一种很好的补充勘察方法。

图4 采空区测氡剖面

(2)采空区有明显的氡气异常，但不同类型的采空区氡气异常特征有所不同，可根据氡气异常特征对采空区类型进行定性评价。

(3)不同地质条件的覆盖层氡气浓度分布有所不同，现场勘察时，应根据覆盖层地质条件的不同，确定合理的覆盖层氡气浓度背景值。

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