活性炭測(cè)氡法

1、活性炭測(cè)氡法一基本原理自然界存在三大天然放射性系列，即：鈾系（和U）、釷系（232Th）和238232錒鈾系（魯U(kuò)）。這些元素的半衰期均很長(zhǎng)（7.04x1081.4x1010年），所以厶O(píng)J它們均賦存在目前的巖石中。放射性核素放出射線(xiàn)，同時(shí)變成另一種核素的現(xiàn)象叫做衰變。通常，我們把原來(lái)的核素稱(chēng)為母體，新產(chǎn)生的核素稱(chēng)為子體。子體核素還會(huì)衰變，一直持續(xù)到衰變的產(chǎn)物不再具有放射性為止。鈾鐳衰變系的衰變過(guò)程及各代子體核素的放射性特征如表1。從其衰變過(guò)程中可以看出：氡既是鈾系的子體，又是唯一呈氣態(tài)的惰性氣體，也是人們感興趣的子體，因?yàn)樗梢杂傻叵律畈窟w移至地表，并可顯示出地層深部各種變化的信息。氡（22

2、2Rn）具有以下特性：1）氡是一種無(wú)色、無(wú)味、無(wú)嗅的放射性惰性氣體。其密度為9.73克/升，是目前已知的最重的氣體。當(dāng)溫度為-65C時(shí)，由氣體變?yōu)橐后w；在-71C時(shí)，又由液體變?yōu)楣腆w。2）氡是一種惰性氣體，一般不參加化學(xué)反應(yīng)，能溶于水、油等液體中，在液體中的溶解度隨液體溫度的升高而下降。表1鈾鐳衰變系核素名稱(chēng)符號(hào)輻射方式射線(xiàn)能量MeV半衰期t1/2衰變常數(shù)1/S鈾1238U(UI)4.181/24.47x109年4.883x10-18鈾X,234Th(UZ)卩,Y0.19324.1日3.328x10-7鈾X2234Pa(UZ2)卩,Y2.291.17分9.831x10-3鈾一234U(UII)

3、4.742.44x105年8.874x10-14釷230Th4.657.7x104年2.85x10-13鐳226Ra4.771602年1.384x10-11氡222Rn5.483.825日2.097X10-6鐳A218Po(Ra)a6.003.05分3.788X10-3鐳B214Pb(RaB)卩,Y1.0326.8分4.31X10-4鐳C214Bi(RaC)a,卩,Y3.2319.7分5.864X10-4鐳C214Po(RaC)a7.681.64X10-4秒4.234X103鐳C210Tl(RaC)卩1.961.32分8.75X10-3鐳D210Pb(Ra)卩,Y0.06122.3年9.98X

4、10-5鐳E210Bi(RaE)卩1.165.0日1.608X10-6鐳F210Po(RaF)a5.30138.4日5.8X10-8鐳G206Pb(Ra)穩(wěn)定穩(wěn)定半衰期：放射性強(qiáng)度減少到它最初期的二分之一所需的時(shí)間。衰變常數(shù)：在單位時(shí)間內(nèi)每一個(gè)原子核的衰變幾率。3）氡能被固體物質(zhì)所吸附。所有固體物質(zhì)都不同程度地吸附氡，其中尤以活性炭、煤、橡膠、蠟最為突出，其吸附能力隨溫度的增加而減弱。4）氡具有衰變性。氡是由鐳衰變來(lái)的，氡又繼續(xù)衰變并產(chǎn)生系列子體。氡氣可由地下深部遷移到地表附近，這為了解地下深部的地質(zhì)信息提供了新的途徑。煤礦采空區(qū)形成后，改變了地下地質(zhì)體的應(yīng)力分布狀態(tài)，促使地質(zhì)體發(fā)生變形，從而

5、改變了地下氣體的運(yùn)移與集聚環(huán)境，對(duì)氡氣的運(yùn)移與富集具有一定的控制作用。主要表現(xiàn)為三個(gè)方面：（1）儲(chǔ)氣作用：相對(duì)于周?chē)暾麕r體來(lái)說(shuō)，采空區(qū)冒落帶及裂隙帶是相對(duì)松散帶，其中巖石塊體之間空隙大，連通性好，是儲(chǔ)存氣體與地下水的理想場(chǎng)所。（2）集氣作用：如上所述，采空區(qū)煤層頂板塌陷冒落后，應(yīng)力集中向圍巖內(nèi)部遷移，在采空區(qū)周邊形成一個(gè)低應(yīng)力區(qū)，一般來(lái)說(shuō)，氣體與液體總是由壓力較高的部位向壓力較低的部位運(yùn)移。因此，采空區(qū)及其周邊派生變形區(qū)就成為地下抽吸氣體的容器，不斷把圍巖中的氣體抽到采空區(qū)中來(lái)，造成氡元素在采空區(qū)的聚集。同時(shí)，由于采空區(qū)及其周邊裂隙帶的存在，還可以其它方式促使放射性元素向采空區(qū)運(yùn)移、富集。（

6、3）通道作用：采空區(qū)冒落帶及其派生裂隙形成后，都是氣體自下向上運(yùn)移的良好通道。在地溫與地壓作用下，氡氣必然與其他氣體（co,co2,ch4,h2s等）一起自地下深處向地表遷移，在地表形成氡異常區(qū)。度與煤層傾角的函數(shù)，可由下述公式來(lái)計(jì)算：冒落帶高度：碼=莎裂隙帶高度：h_（23）H21式中：M為煤層高度a為煤層傾角K為頂板巖石碎脹系數(shù)，位于1.11.4之間對(duì)于煤層厚度為10m,煤層傾角為10緩傾斜厚煤層（山西省二疊系山西組主采煤層大多是這種情況），取K值為1.2,則冒落帶高度可達(dá)51m左右，裂隙帶高度可達(dá)150m左右，兩帶總高度可達(dá)200m左右，對(duì)于山西省許多地區(qū)來(lái)說(shuō)，這一高度已達(dá)到或接近地表，

7、足以引發(fā)淺、表層變形，對(duì)氡氣向上運(yùn)移起控制作用?？傊?，通過(guò)上述種種作用，氡射氣元素向采空區(qū)運(yùn)移，在采空區(qū)集聚，在地表形成一個(gè)與采空區(qū)形態(tài)相應(yīng)的氡異常區(qū)。因此，可以通過(guò)測(cè)量地表氡元素的濃度（實(shí)際是測(cè)量氡及其子體衰變所釋放的Y射線(xiàn)的強(qiáng)度）來(lái)準(zhǔn)確圈定煤礦采空區(qū)的位置和范圍。2野外施工方法將使用的活性炭烘烤干燥，冷卻后按適量標(biāo)準(zhǔn)裝入采樣器中，并用硅膠塞口防止地下濕氣的影響，然后密封待用。接著，如圖2將裝好的采樣器口朝下放入探坑中，平穩(wěn)固定好采樣器和探杯，蓋上塑料布并用土密圭寸住坑口。待埋杯時(shí)間達(dá)到預(yù)定時(shí)間后（至少5天），取出采樣器，認(rèn)真填寫(xiě)取樣時(shí)間和當(dāng)時(shí)氣候等狀況。將采樣器放入檢驗(yàn)和標(biāo)定好的活性炭測(cè)氡

8、儀，同時(shí)記錄每個(gè)采樣器的線(xiàn)號(hào)和點(diǎn)號(hào)。圖2活性炭吸附裝置圖2活性炭吸附裝置3質(zhì)量控制對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)主要可以分為室內(nèi)檢測(cè)和室外重復(fù)測(cè)量?jī)刹糠帧Ｊ覂?nèi)主要以系統(tǒng)檢查觀測(cè)來(lái)衡量，對(duì)于質(zhì)量檢查點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)應(yīng)符合放射性測(cè)量的統(tǒng)計(jì)漲落規(guī)律，即放射性衰變現(xiàn)象中，各個(gè)原子的衰變完全是獨(dú)立進(jìn)行的，哪個(gè)先衰變，哪個(gè)后衰變是帶有一種偶然性的。因此，單位時(shí)間內(nèi)衰變的原子數(shù)目是有多有少，有起有伏的，而且放射性測(cè)量數(shù)據(jù)服從泊松分布，滿(mǎn)足下列關(guān)系式：P(nP(n)=(n)ne-nn!(1.1)式中，P(n)為計(jì)數(shù)是n的出現(xiàn)的幾率。它和出現(xiàn)次數(shù)P(n)有下面關(guān)系:P(n)=P(n)工P(n)(1.2)nn12nn12c+bttc-c(1.3)(1.4)檢查點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量誤差的衡量公式:O=(n-n)2=(n-n)2P(n)=pnn=0式中，o是均方誤差。相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差計(jì)算公式：8=n-nbX100%cb式中，n放射源加本底時(shí)的計(jì)數(shù)率;Cnb本