活性炭测氡和瞬变电磁法在煤矿采空区探测中的应用

王栋良

（中国煤炭地质总局地球物理勘探研究院，河北涿州072750）

1 活性炭测氡法原理

非极性吸附剂种类繁多，其中最具代表性的活性炭与氡气分子相互接近时，会因发生电子与核之间的相对位移而产生瞬时偶极。氡气为单原子惰性气体，在活性炭存在的情况下因瞬间偶极而不断重复使分子之间始终存在色散力，氡气分子色散力的主要形成原因既是活性炭对氡的吸附作用[1]。当活性炭将氡吸附到表面时，分布于活性炭周围的氡气浓度会随之下降形成浓度差，会发生高浓度向低浓度运移的现象，该作用成为浓度差作用。在此作用之下，活性炭将持续吸附氡于自身表面，直至吸附量达最大值，直至所吸附氡浓度将与周围的氡浓度达到平衡状态。

本文针对活性炭对煤矿采空区氡气浓度测试进行探讨。因采空区形成区域地质应力分布状态会随着采空区的形成而发生不可逆转的改变，地质体在应力作用下发生塑性或弹性变形。由于空间改变，采空区所分布气体的运移与集聚环境也随之改变，氡气的分布状态也随之改变，会发生不同程度的运移和聚集。主要表现为氡元素向采空区运移，在采空区呈富集状态，在地表形成一个与采空区形态相应的氡高值异常区。因此，可以通过测量地表氡元素的浓度来圈定煤矿采空区的位置及范围。

技术路线：将活性炭吸附器埋入地下40cm 的深坑中，待4～6d 后取出，由活性炭测量仪器测量并对数据进行保存处理，根据每条测线的氡的浓度圈定地下采空区位置。

2 瞬变电磁法原理

瞬变电磁法主要利用不接地回线向地下发送一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，利用另一回线或探头接收由地下地质体受激励引起的涡流产生的随时间变化的感应二次场。感应二次场的形成与地质体的导电性及地质体的电阻率密切相关，电阻率越低，低电阻地质体规模越大，感应二次场越高，二次场衰减越慢。二次场衰减过程中会因地质体的不同而呈现出不同特点，可判断地质体的电性、性质、产状、规模等，可进一步分析探讨如断层、陷落柱、采空区等地质构造问题。

瞬变电磁法中各测点各个测道的瞬时感应电压的观测极为重要，所观测原始数据可通过计算转换为视电阻率、视深度等参数。进而可根据计算成果绘制瞬变电磁多测道电压剖面图、视电阻率拟断面图等，可根据图示结果确定地下采空的边界位置及深度。

煤系地层主要以层状分布，在致密完整的情况下，岩层横向上导电性相对均一。如在顺地层水平方向上局部地段被开采时，则该区域导电性产生变化，可以通过对比水平方向上岩层电阻率变化分析来圈定采空区。

3 实例分析

3.1 勘探区概况

山西某勘探区第四系发育。基岩仅在沟谷中出露，自东向西依次出露奥陶系峰峰组、石炭系本溪组、太原组、二叠系山西组、下石盒子组、上石盒子组、石千峰组和三叠系刘家沟组。主采煤层为太原组13#煤层，井田内构造简单，为近南北走向，倾向西的单斜构造。地层倾角一般为9°～12°，井田内岩浆岩不发育。

3.2 数据处理与解释

3.2.1 活性炭测氡数据处理与解释

测氡法解决实际问题以野外探测工作为基础获得大量实测数据，为后续室内分析奠定基础。由于放射性涨落误差、随机误差及系统误差，要充分考虑外界客观因素对数据提取的影响。在野外工作结束后，在室内对原始数据分析处理，充分利用计算机把尽可能多的信息进行归纳，对原始数据进行多角度、多方法处理，形成各种图件，使之能真正反映出氡气浓度的变化情况，便于客观、正确地对实际情况进行解释。整个活性炭测氡数据处理主要包含3 方面：数据质量评价、γ 强度的修正、数据处理及绘制图件。活性炭测氡测量的数据室内处理主要有标准化处理和滤波处理，绘制相应的剖面图和平面图（见图1）。该滤波处理基本去除了单点畸变异常。活性炭测氡资料解释是建立在资料处理后的测线氡浓度曲线图、氡浓度平面等值线图的基础上。首先，剖面上活性炭测氡资料的解释依据各条测线氡浓度曲线，氡浓度曲线表示氡值沿测点的变化，均匀平缓变化说明存在采空异常体的可能性较小。采空区在氡浓度曲线上解释原则是氡浓度呈现高值，采空区越大，氡值的变化幅度越大，在氡浓度平面等值线图中表现为氡值高值。在活性炭测氡的氡浓度平面等值线图中氡浓度高的地段是可能的采空区发育地段。

3.2.2 瞬变电磁数据处理解释

瞬变电磁数据处理流程是多测道曲线滤波、转化视电阻率、绘制感应电压平面等值线图。对于瞬变电磁解释主要通过多测道曲线、瞬变电磁视电阻率拟断面图和感应电压比值等值线平面图。图2 是200 线和246 线视电阻率拟断面图，200 线在13#煤层附近电阻率发生剧烈变化，246 线在13#煤层电阻率变化平缓，推断在200 线附近存在异常区。图3 是勘探区内第5 测道和第25 测道感应电压比值平面等值线图，根据采空区在感应电压解释原则，感应电压比值高的地方可能是采空区存在区域，认为在240 线东段附近存在一个高值的采空区。

3.2.3 综合解释

单一物探方法圈定的采空区的准确性较差。采用活性炭测氡和瞬变电磁对可结合进行综合解释。如图1 与图3，通过综合对比分析圈定的采空区，综合分析认为勘探区240 线左右活性炭测氡异常区和瞬变电磁解释的异常区是重合的，那么可认为该区域存在一个不规则采空区。

图1 氡浓度平面等值图

图2 内视电阻率拟断面图解释

图3 勘探区感应电压比值等值线图

4 结语

通过实际运用活性炭测氡法和瞬变电磁法相结合的方法对山西某矿区进行地面采空区实地探测和资料处理解释，有效探明了该煤矿地下采空的位置。表明探测煤矿采空区可采用活性炭测氡法和瞬变电磁法结合法，具有良好成效。