煤礦采空區(qū)探測(cè)中活性炭測(cè)氡法與瞬變電磁對(duì)比淺析
——以陽煤四礦為例

喬 雷

（河南省煤田地質(zhì)局資源環(huán)境調(diào)查中心，鄭州 450053）

陽泉煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司四礦是在小煤窯基礎(chǔ)上，經(jīng)過恢復(fù)、改建、擴(kuò)建形成的國有大型礦井。2002年該礦破產(chǎn)關(guān)閉，次年，為安置職工、維護(hù)穩(wěn)定，礦山所屬集團(tuán)公司決定將四礦原有的殘存大巷煤柱進(jìn)行回采。礦區(qū)及周邊煤炭開采活動(dòng)歷史悠久，小窯分布密集，數(shù)量多達(dá)17個(gè)，其部分采空區(qū)與小窯破壞區(qū)相互交叉重疊，常引起地表巖層移動(dòng)、土地塌陷、地表水源枯竭、山體滑坡、村莊等建筑物損壞?，F(xiàn)今該礦一半改建成小區(qū)，考慮到居民安全，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行探測(cè)。

采空區(qū)的物探方法有活性炭測(cè)氡法、瞬變電磁法等?；钚蕴繙y(cè)氡法不受地形、氣候、被探測(cè)對(duì)象埋藏深度等條件制約，操作簡(jiǎn)便、快捷、成本低，但其只能形成空區(qū)地表掃面，對(duì)地下空區(qū)的賦存形態(tài)無法確定。瞬變法磁法能夠如實(shí)反映地下地質(zhì)體典型特征異常，但是工作難度較大，且受地形、地電、勘探對(duì)象埋藏深度等條件限制。鉆探工程能夠準(zhǔn)確地確定采空區(qū)位置及其積水、聚氣情況，但成本高，可對(duì)物探可疑區(qū)進(jìn)行驗(yàn)證。

本文將活性炭測(cè)氡法和瞬變電磁法相結(jié)合，少量鉆探工程作疑區(qū)來驗(yàn)證煤礦未知采空區(qū)的分布范圍，對(duì)地下賦存形態(tài)進(jìn)行探測(cè)。

1 探測(cè)區(qū)概況

此區(qū)是東部太行山和北部五臺(tái)山的隆起，形成了東北高、西南低，北西走向，往南西傾斜的一個(gè)大規(guī)模的單斜構(gòu)造，次一級(jí)的構(gòu)造以波狀起伏的短軸褶皺構(gòu)造為主，層間的小斷裂構(gòu)造次之。其井田南部軸向近EW向四礦向斜和井田北部軸向近NW向長桿梁向斜，貫穿井田南北沿NNE向呈雁行排列展布的撓曲斷裂帶對(duì)井田內(nèi)煤層的形態(tài)也有重要影響。井田總體構(gòu)造形態(tài)主要受兩大向斜控制。由于構(gòu)造作用，煤巖層中還廣泛發(fā)育了許多落差不超過6 m的層間斷裂。它們雖不影響采區(qū)及工作面的布置，但對(duì)于工作面回采影響很大。井田內(nèi)基巖地層出露較好。自下而上分別為石炭系中統(tǒng)本溪組（C2b）、上統(tǒng)太原組（C3t），二疊系下統(tǒng)山西組（P1s）、下石盒子組（P1x），上統(tǒng)上石盒子組（P2s），第四系中上更新統(tǒng)（Q2+3）、全新統(tǒng)（Q4）。黃土厚度較薄，分布范圍較廣。

2 煤礦采空區(qū)地球物理特性

采空積水區(qū)電阻率會(huì)出現(xiàn)較為劇烈變化，與圍巖電性特征區(qū)別明顯，其激電數(shù)據(jù)極化率明顯高于正常幅值。以上兩種電性特征相互印證可降低物探多解性，使推斷的采空積水區(qū)更可靠。

表1 四礦地層物理特性

根據(jù)表1判斷，調(diào)查區(qū)內(nèi)完整地層測(cè)深電阻率曲線應(yīng)該表現(xiàn)為HA型：ρ1＞ρ2＜ρ3＜ρ4。

3 原理與方法

3.1 活性炭測(cè)氡法的基本原理

活性炭具有吸附作用，其比表面積高達(dá)700～1 600 m2/g。由于同為極性，活性炭對(duì)氡具有較強(qiáng)的吸附能力，當(dāng)氡被吸附時(shí)，由于濃度差作用，氡源源不斷匯集過來，直至活性炭達(dá)到吸附極限。自然界中，氡及其子體有很強(qiáng)的向上運(yùn)移能力。而它們?cè)诓煌刭|(zhì)體中的分布具有差異和規(guī)律，因此可以勘測(cè)地質(zhì)情況。

3.2 活性炭測(cè)氡法探測(cè)煤礦采空區(qū)的理論依據(jù)

煤層開采會(huì)引起該地區(qū)引力重新分布，采空區(qū)周圍極易形成局部應(yīng)力集中區(qū)，造成四周巖體的冒落、破壞，出現(xiàn)裂隙，同時(shí)氡氣的運(yùn)行與富集也會(huì)受影響：采空區(qū)導(dǎo)致地面存在裂隙，造成氡氣上集，在地表形成氡異常區(qū)；由于采空區(qū)上含水層遭破壞，地下水漏失等原因，地表裂隙更大，氡異常區(qū)更明顯。

由于采空區(qū)和其影響區(qū)氡氣異常幅值大小和分布規(guī)律不同，可確定煤礦地下采空區(qū)以及采空影響區(qū)的位置與范圍。

3.3 活性炭測(cè)量

3.3.1 活性炭測(cè)量方法

本次氡監(jiān)測(cè)采用在線連續(xù)監(jiān)測(cè)，在其他條件相同時(shí)，單位重量活性炭吸附的氡與被吸附地點(diǎn)氡的濃度成正比。因此，通過測(cè)量氡的γ子體放出的γ射線，進(jìn)行氡濃度及氡析出率的測(cè)量，從而測(cè)量氡的濃度和氡的析出率。

使用的儀器包括探頭、操作臺(tái)、鉛室、活性炭吸附采樣瓶及活性炭吸附捕集器等?；钚蕴咳悠鞯男阅芗叭雍袃?nèi)活性炭的收集效率、外界干攏而造成的譜峰的漂移、探測(cè)器的探測(cè)效率等均會(huì)影響監(jiān)測(cè)穩(wěn)定度和精度。

3.3.2 基線、測(cè)線和測(cè)網(wǎng)

（1）基線?；€布設(shè)應(yīng)盡量與探測(cè)對(duì)象的走向平行，當(dāng)探測(cè)對(duì)象多而分散時(shí)，應(yīng)以主要探測(cè)對(duì)象為準(zhǔn)布設(shè)。本次測(cè)量應(yīng)使用全站儀測(cè)定，長度、方位允許誤差分別為±1%、±0.5°。在基線上應(yīng)設(shè)有三個(gè)以上半永久性標(biāo)志。

（2）測(cè)線。測(cè)線長度、線距允許誤差為±5%、±10%。

（3）測(cè)網(wǎng)。根據(jù)測(cè)區(qū)特征，選擇合理的測(cè)網(wǎng)，本次工作設(shè)計(jì)活性炭1:1萬測(cè)量（網(wǎng)度100×20）。

3.3.3 測(cè)量條件

（1）探坑。在野外測(cè)點(diǎn)上挖50 cm深的坑，坑底直徑為18 cm的圓形平面，土壤發(fā)育地段應(yīng)穿過腐植層。

（2）活性炭吸附器的埋置時(shí)間。活性炭吸附器的埋置時(shí)間為5～7 d，應(yīng)經(jīng)過試驗(yàn)確定，同一地區(qū)必須相同。

4 質(zhì)量評(píng)價(jià)

及時(shí)對(duì)原始記錄、表冊(cè)進(jìn)行整理、編目和編號(hào)，編制原始資料索引，進(jìn)行平面圖展點(diǎn)，建立三級(jí)質(zhì)量管理體系，即工作組、項(xiàng)目組和中心級(jí)檢查組，合理安排質(zhì)量檢查工作，質(zhì)量檢查采用“兩同兩不同”的方法進(jìn)行檢查。全區(qū)觀測(cè)精度用均方誤差ε衡量，計(jì)算公式為：

式中，δi為第i點(diǎn)經(jīng)各項(xiàng)改正的原始觀測(cè)與檢查觀測(cè)之差；η為檢查點(diǎn)數(shù)；ε為總均方誤差。

經(jīng)計(jì)算，全區(qū)均方相對(duì)誤差為3.2%，小于規(guī)范±4%的要求，確認(rèn)資料可靠。

5 資料解釋

5.1 典型測(cè)氡剖面分析

5.1.1 11線典型測(cè)氡剖面圖

圖2 陽煤11線北線測(cè)氡剖面

測(cè)線11北線南北向布置，全線長4 460 m，點(diǎn)距20 m，共155個(gè)測(cè)點(diǎn)。圖2為測(cè)線11活性炭測(cè)氡剖面圖，可見異常值明顯。其中2 080～2 500號(hào)點(diǎn)、3 600～3 700號(hào)點(diǎn)、5 140～5 440號(hào)點(diǎn)測(cè)氡值均在1 200個(gè)（每4 min）以下波動(dòng)，且波動(dòng)較小，應(yīng)為正常區(qū)域；而1 000～2 060號(hào)點(diǎn)、2 520～3 580號(hào)點(diǎn)、3 720～5 120號(hào)點(diǎn)測(cè)氡值均在1 200個(gè)（每4 min）以上波動(dòng)，且波動(dòng)較大，應(yīng)為異常區(qū)域，且波動(dòng)較大，極高值為2 880號(hào)點(diǎn)的3 668個(gè)（每4 min）和極高值為3 020號(hào)點(diǎn)的3 800個(gè)（每4 min），分析是由地下采空區(qū)引起。

5.1.2 34線測(cè)氡剖面圖

測(cè)線34北線南北向布置，全線長1 540 m，點(diǎn)距20 m，共47個(gè)測(cè)點(diǎn)。圖3為測(cè)線34活性炭測(cè)氡剖面圖，可見異常值明顯。其中1 720～1 900號(hào)點(diǎn)、2 100～2 380號(hào)點(diǎn)測(cè)氡值均在1 200個(gè)（每4 min）以下波動(dòng)，且波動(dòng)較小，應(yīng)為正常區(qū)域;而1 020～1 700號(hào)點(diǎn)、1 920～2 080號(hào)點(diǎn)、2 400～2 540號(hào)點(diǎn)測(cè)氡值均在1 200個(gè)（每4 min）以上波動(dòng)，且波動(dòng)較大，應(yīng)為異常區(qū)域，極高值為1 680號(hào)點(diǎn)的10 967個(gè)（每4 min）和極高值為2 020號(hào)點(diǎn)的10 295個(gè)（每4 min），分析是由地下采空區(qū)引起。

圖3 陽煤34線北線測(cè)氡剖面

5.2 異常的解釋推斷

根據(jù)地質(zhì)資料，建立反演模型，約束反演深度（或標(biāo)高），使煤層的實(shí)際標(biāo)高與剖面反演數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)。各視電阻率剖面、平面圖中煤層標(biāo)高位置均依據(jù)礦方提供的各煤層底板等高線劃定，單純的電法數(shù)據(jù)依據(jù)目前的解釋水平還很難對(duì)各煤層進(jìn)行區(qū)分。但是，為了區(qū)分各煤層采空、積水現(xiàn)狀，只有借助現(xiàn)有地質(zhì)資料（煤層底板等高線）聯(lián)合分析，才能給出可供參考的解釋成果。

本測(cè)區(qū)礦方資料揭露的采空區(qū)及采空積水區(qū)作為已知區(qū)，通過分析已知區(qū)的采空區(qū)電性特征及采空積水區(qū)電性特征，確定異常閾值。

圖4 4 500（3測(cè)區(qū)）線視電阻率剖面圖

從縱向看圖4可知，從淺到深其視電阻率基本呈現(xiàn)由低—中低—中高—高阻的電性特征。上部視電阻率表現(xiàn)為低阻的部分是地表覆蓋層；煤系地層由于泥巖層的發(fā)育造成該地層視電阻率表現(xiàn)為中低阻或中阻形態(tài)；煤系地層下部地層為灰?guī)r，分別表現(xiàn)為中高阻和高阻形態(tài)。這與完好地層的視電阻率剖面圖形態(tài)不一致，推測(cè)是煤層遭到開采后上部地層垮塌，裂隙發(fā)育較好，使煤系地層上覆地層本應(yīng)表現(xiàn)為中阻的地層視電阻率下降。圖中5 900點(diǎn)位置電阻率變化劇烈，推測(cè)是數(shù)據(jù)畸變引起，不作為地質(zhì)異常判定依據(jù)。3#、12#煤層和15#煤層位置視電阻率值較正常地層視電阻率值低，推測(cè)該測(cè)線3#、12#煤層和15#煤層均已開采。

6 電法探測(cè)取得的主要成果及其與活性炭測(cè)氡法的對(duì)比

6.1 電法探測(cè)取得的主要成果

6.1.1 3#煤層采空區(qū)及采空積水區(qū)分布

推測(cè)圈定測(cè)區(qū)范圍內(nèi)采空區(qū)2處，全部覆蓋本礦區(qū)的1和2測(cè)區(qū)范圍，3#CK01面積為14 295.0 m2，3#CK02面積為14 329.0 m2，3#CK03面積為91 586.4 m2。

推測(cè)圈定采空積水區(qū)0處，電法探測(cè)區(qū)內(nèi)3#煤層采空區(qū)范圍內(nèi)無采空積水區(qū)。

6.1.2 12#煤層采空區(qū)及采空積水區(qū)分布

推測(cè)圈定測(cè)區(qū)范圍內(nèi)采空區(qū)3處，全部覆蓋本礦區(qū)的1、2及3測(cè)區(qū)范圍，12#CK01面積為14 295.0 m2，12#CK02面積為14 329.0 m2，12#CK03面積為91 586.4 m2。推測(cè)圈定采空積水區(qū)0處，電法探測(cè)區(qū)內(nèi)12#煤層采空區(qū)范圍內(nèi)無采空積水區(qū)。

6.1.3 15#煤層采空區(qū)及采空積水區(qū)分布

推測(cè)圈定測(cè)區(qū)范圍內(nèi)采空區(qū)3處，全部覆蓋本礦區(qū)的1和2測(cè)區(qū)范圍、3測(cè)區(qū)的西部大部分區(qū)域，15#CK01面 積 為 14 295.0 m2，15#CK02面 積 為 14 329.0 m2，15#CK03面積為59 484.9 m2。推測(cè)圈定采空積水區(qū)0處，電法探測(cè)區(qū)內(nèi)15#煤層采空區(qū)范圍內(nèi)無采空積水區(qū)。

電法探測(cè)推測(cè)的本次采空積水區(qū)積水面積，因控制網(wǎng)度較稀疏、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確程度受控制網(wǎng)度影響，輔助其他驗(yàn)證、控制方法供參考使用。在資料處理過程中，采取了濾波、正演、反演等技術(shù)手段，進(jìn)行了大量的數(shù)據(jù)處理，在資料分析過程中參考了區(qū)內(nèi)相關(guān)的鉆探、地質(zhì)等資料，提高了成果的可靠程度。

6.2 活性炭測(cè)氡法與電法成果對(duì)比

推測(cè)了區(qū)內(nèi)3#、12#和15#煤層采空區(qū)分布情況，圈定了測(cè)區(qū)內(nèi)采空區(qū)范圍及采空積水區(qū)范圍。合計(jì)圈定煤層采空區(qū)9處和采空積水區(qū)0處。

推測(cè)采空區(qū)及采空積水區(qū)范圍情況基本同礦區(qū)地質(zhì)資料吻合，同活性炭放射性測(cè)量結(jié)果吻合程度較高，為礦山地質(zhì)環(huán)境治理提供了可靠的前期資料。

活性炭測(cè)氡只能測(cè)量采空區(qū)地表形成的氡異常，可以有效地圈定采空區(qū)范圍，效果顯著。但是，活性炭本身也有許多不足之處，如活性炭測(cè)量埋置時(shí)間比較長（5～7 d），容易受氣象條件影響，容易受埋置的土壤條件影響，不能區(qū)分采空區(qū)層位、深度等。本次共完成了A1～A9一共9個(gè)活性炭區(qū)域的測(cè)試工作，結(jié)合地面調(diào)查初步解釋四礦采空區(qū)面積6.31 km2。

7 結(jié)論

由以上勘測(cè)結(jié)果可知，活性炭測(cè)氡法不受地形、氣候、被探測(cè)對(duì)象埋藏深度等條件制約，操作簡(jiǎn)便、快捷、成本低。瞬變法磁法能夠如實(shí)反映地下地質(zhì)體典型特征異常，彌補(bǔ)了活性炭勘測(cè)法只能形成空區(qū)地表掃面，對(duì)地下空區(qū)的賦存形態(tài)無法確定的缺陷。