活性炭國家專精特新“小巨人”企業(yè)活性炭產學研合作

　　活性炭吸附測氡法評估復雜地形

　　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國。然而，隨著煤炭資源的不斷開采，許多產煤區(qū)形成了巨大的地下采空區(qū),這些礦區(qū)嚴重影響了礦山的生產安全和周邊安全。采空區(qū)范圍控制不準確將產生極大的安全隱患，這次我們提出了一種結合可控源音頻大地電磁法和活性炭測氡法來檢測復雜地形煤礦采空區(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為可接受的脈沖。單位時間內脈沖數的多少反映了γ射線的強度。通過在不同地點測量γ射線獲得氡異常數據，為分析工區(qū)地下地質條件奠定基礎。

　　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。

　　數據采集​​與處理

　　所用儀器為活性炭氡檢測儀。在現(xiàn)場調查中，將使用過的活性炭烘烤干燥。冷卻后，將活性炭按照適當的標準放入取樣器中，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。當埋杯到預設時間(至少5天)時，取出采樣器，仔細填寫采樣時間和氣候。然后將采樣器放入經過測試和校準的活性炭氡氣檢測儀中，記錄每個采樣器的線數和點數。

　　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。對活性炭測氡數據進行標準化、歸一化、儀器標定、γ射線實測強度校正、淺層因素標定、均勻平滑等六個方面的預處理。

　　結合活性炭法測氡值等高線和下述解釋結果圖，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和近場效應的影響。發(fā)射端附近的導體可能會對發(fā)射源產生干擾，在地形地貌、工作環(huán)境復雜的地區(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。

　　本次調查工作將電磁法與活性炭測氡法相結合，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、野外地質調查、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，將使其檢測結果更具參考性。

　　圖3：采空區(qū)結果圖綜合解讀。

　　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，得到的結果就越準確。但需要考慮到時間、經濟、人工等費用的負擔，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工程項目的需要。

　　活性炭吸附測氡法評估復雜地形，結果表明，電磁法與活性炭測氡法相結合的綜合地球物理找礦方法確實能夠經濟、快速、準確地完成找礦工作。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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