古交南巖村地下采空區(qū)活性炭測(cè)加速焊技術(shù)研究

古交南巖村地下采空區(qū)活性炭測(cè)加速焊技術(shù)研究

山西省是一個(gè)煤礦大省，從事采礦和煤炭開(kāi)采和利用煤炭事務(wù)，不僅給山西省帶來(lái)了重大的經(jīng)濟(jì)效益，而且給環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞，嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展。特別是在采礦形成的大面積采空區(qū)，導(dǎo)致地面沉降、房屋裂縫和倒塌，直接影響當(dāng)?shù)鼐用竦娜粘Ｉ睿彩墙ㄔO(shè)與和諧社會(huì)的難題。因此，對(duì)采空區(qū)的研究越來(lái)越重要。活性炭測(cè)氡法是氡氣測(cè)量方法中一種靜態(tài)、累積測(cè)氡方法,具有靈敏度高、精度高、抗干擾強(qiáng)、探測(cè)深度大等優(yōu)點(diǎn)。該方法除了用于鈾礦勘探外,還可以用于解決非鈾礦具有微弱氡異常的地質(zhì)問(wèn)題,如尋找地質(zhì)構(gòu)造破碎帶、地下基巖水、煤礦采空區(qū)、隱伏斷層和火區(qū)等。在古交市南巖村,歷時(shí)近2個(gè)月,完成了地面氡氣、瞬變電磁工作。具體的工作是:在古交南巖地區(qū)進(jìn)行活性炭探測(cè)采空區(qū)的實(shí)驗(yàn);對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得出南巖村的地面建筑物受損與煤礦的不合理開(kāi)采有關(guān);對(duì)現(xiàn)階段在活性炭測(cè)氡法的數(shù)據(jù)處理過(guò)程中存在的問(wèn)題提出建議,為以后的工作做好鋪墊。1工作原則1.1氡的地球化學(xué)特性氡是一種無(wú)色、無(wú)味、無(wú)嗅的放射性惰性氣體,一般不參加化學(xué)反應(yīng),密度為9.727×10-3g/cm3,其沸點(diǎn)為-65℃,溶點(diǎn)為-71℃。氡為非極性單原子分子,具有很強(qiáng)的擴(kuò)散能力,能被固體物質(zhì)所吸附。所有固體物質(zhì)吸附氡的程度不同,尤以活性炭、煤、橡膠、蠟最為突出。222Rn、220Rn、219Rn是氡的放射性同位素,分別為鈾系、釷系、錒系的氣態(tài)核素。氡的衰變過(guò)程如圖1所示。在自然界中,氡及其子體憑借著自身機(jī)制,有著很強(qiáng)的向上運(yùn)移能力。由于氡的母體及其子體的地球化學(xué)特性不同,在自然界不同的地質(zhì)體中的分布也各有差異,并有一定的規(guī)律。利用這一特性,可分析地質(zhì)體的分布情況。1.2活性炭測(cè)氡法活性炭測(cè)氡法是一種靜態(tài)、累積測(cè)氡方法,其原理是將活性炭吸附器埋于地下一段時(shí)間,取出吸附器,并將吸附器放入儀器(活性炭測(cè)氡儀),測(cè)量其氡的衰變子體放射出γ射線的強(qiáng)度,從而了解氡氣濃度的高低。氡是鐳衰變的中間產(chǎn)物,其子體214Pb、210Bi是γ射線的輻射體?；钚蕴繙y(cè)氡儀是通過(guò)探測(cè)土壤中氡子體的γ射線的強(qiáng)弱,來(lái)了解氡的存在情況。當(dāng)γ射線射入探測(cè)器中的Nal(T1)閃爍體,使其產(chǎn)生光電信號(hào),通過(guò)光電倍增管變成微弱電信號(hào),經(jīng)前置放大器,主放大器和脈沖整形電路,形成單片計(jì)算機(jī)可接受的脈沖。單位時(shí)間內(nèi)脈沖數(shù)目的多少反映了γ射線的強(qiáng)弱,通過(guò)測(cè)量不同地點(diǎn)γ射線得到氡異常數(shù)據(jù),為分析工區(qū)地下地質(zhì)情況奠定了基礎(chǔ)。1.3脈沖放大電路放射性勘探儀是進(jìn)行放射性測(cè)量不可缺少的設(shè)備,種類(lèi)很多,本次工作使用的是由太原理工大學(xué)自行研制的TYHC-1活性炭測(cè)氡儀。TYHC-1活性炭測(cè)氡儀由Nal(T1)閃爍計(jì)數(shù)器、前置放大器、線性脈沖放大器、甄別器、脈沖計(jì)數(shù)器等電路組成。儀器的電路框圖如圖2所示。當(dāng)收集了氡子體的活性炭瓶被放入Nal(T1)閃爍體后,活性炭瓶中氡及其子體輻射出的γ射線使閃爍體內(nèi)的空氣電離,在高壓電場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)。該脈沖信號(hào)經(jīng)前置放大器和線性脈沖放大器放大后由甄別器剔除噪聲,再通過(guò)脈沖計(jì)數(shù)器(AT89C51單片機(jī))將其記錄下來(lái)輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)。吸附器的埋深對(duì)氡的濃度影響較大,圖3是在覆蓋層分別為土壤和砂礫層地區(qū)的試驗(yàn)結(jié)果,土壤覆蓋層的最佳埋深為40cm左右,砂礫層覆蓋的最佳埋深為100cm左右。2活性炭吸附器的射線強(qiáng)度的測(cè)量活性炭測(cè)氡的工作過(guò)程中,活性炭吸附氡的量受溫度、濕度、活性炭裝量、測(cè)氡儀器、埋置深度和埋置時(shí)間等因素的影響?；钚蕴繙y(cè)氡數(shù)據(jù)的預(yù)處理包括6個(gè)方面:標(biāo)準(zhǔn)化處理、歸一化處理、儀器校正、實(shí)測(cè)γ射線強(qiáng)度的修正(時(shí)間校正)、淺部因素校正和均滑處理。由于在同一地區(qū),利用同一儀器進(jìn)行測(cè)量并且以同樣的標(biāo)準(zhǔn)處理數(shù)據(jù)時(shí),標(biāo)準(zhǔn)化處理、歸一化處理、儀器校正、淺部因素校正和均滑處理對(duì)活性炭測(cè)氡數(shù)據(jù)的影響不大,所以在此不做討論。筆者主要針對(duì)數(shù)據(jù)的時(shí)間校正進(jìn)行討論。由于埋設(shè)的活性炭吸附器的數(shù)量較大,不可能把所有測(cè)點(diǎn)上的吸附器同時(shí)埋入測(cè)孔中,也不可能在埋設(shè)一定時(shí)間后同時(shí)從測(cè)孔中取出,或取出后立即同時(shí)測(cè)量所有吸附器的γ射線強(qiáng)度,因此必須對(duì)埋設(shè)時(shí)間不同和測(cè)量時(shí)間不同的活性炭吸附器的實(shí)測(cè)γ射線強(qiáng)度值按標(biāo)準(zhǔn)條件修正或劃一,這樣才能將各測(cè)點(diǎn)的測(cè)值進(jìn)行相互比較。對(duì)活性炭吸附器的實(shí)測(cè)γ射線強(qiáng)度值(以“脈沖數(shù)/分”表示)應(yīng)進(jìn)行2項(xiàng)修正。第一項(xiàng)是氡子體的平衡修正,目的是將達(dá)不到平衡值的氡子體的γ射線強(qiáng)度修正到平衡值。之所以進(jìn)行該項(xiàng)修正,是因?yàn)榛钚蕴课狡髟跍y(cè)孔中的埋設(shè)時(shí)間一般在5～8d,在這段時(shí)間內(nèi)氡及其子體之間還達(dá)不到完全平衡狀態(tài)(要達(dá)到完全平衡需30余天)。第二項(xiàng)修正是氡子體的衰變(或衰減)修正。該項(xiàng)修正的目的是將各活性炭吸附器的實(shí)測(cè)γ射線強(qiáng)度值修正到“零時(shí)間”的值。所謂“零時(shí)間”是指活性炭吸附器從測(cè)孔中取出時(shí)立即密封的時(shí)間。該項(xiàng)修正之所以必要,是因?yàn)榛钚蕴课狡鲝臏y(cè)孔中取出密封后,活性炭不再吸附新的氡,原來(lái)被吸附的氡及其子體繼續(xù)衰變,其γ射線強(qiáng)度隨時(shí)間延續(xù)將不斷降低,此外,每個(gè)吸附器由從測(cè)孔中取出密封至測(cè)量其γ射線強(qiáng)度為止都有一段時(shí)間,因此必須把不同時(shí)間測(cè)量的每個(gè)活性炭吸附器的γ射線強(qiáng)度值都修正到零時(shí)間的值。實(shí)測(cè)γ射線強(qiáng)度的平衡修正是根據(jù)實(shí)際記錄的埋設(shè)時(shí)間來(lái)進(jìn)行的,最小時(shí)間修正間隔為2h。該修正系數(shù)以FA表示,實(shí)測(cè)γ射線強(qiáng)度的衰變修正系數(shù)按零時(shí)間至測(cè)量時(shí)的時(shí)間間隔進(jìn)行修正,最小時(shí)間修正間隔為1h。這2種測(cè)量系數(shù)均可以通過(guò)查表來(lái)獲得。每個(gè)測(cè)點(diǎn)的活性炭吸附器的γ射線強(qiáng)度(經(jīng)過(guò)修正的)按N0=NT/(FA·FD)計(jì)算。式中,N0是經(jīng)過(guò)平衡和衰變修正的γ射線強(qiáng)度;NT是減去本底(儀器本底)的凈計(jì)數(shù);FA是γ射線強(qiáng)度的平衡修正系數(shù);FD是γ射線強(qiáng)度的衰減修正系數(shù)。以工作區(qū)中6測(cè)線為例,試驗(yàn)共測(cè)量3次,以12h為測(cè)氡時(shí)間間隔重復(fù)測(cè)量,結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出:第一次測(cè)氡數(shù)據(jù)的最大值約為950,第二次約為920,第三次約為800,前2次(即相隔12h)之差約為30,而第一次和第三次(相隔24h)約差150,可見(jiàn)測(cè)量間隔越長(zhǎng),對(duì)氡值影響越大。而經(jīng)過(guò)時(shí)間校正后的各測(cè)氡數(shù)據(jù)的最大值大約為1620,即校正后的測(cè)氡數(shù)據(jù)最大值不受時(shí)間的影響,校正前后各剖面圖的形態(tài)變化不大。經(jīng)過(guò)時(shí)間校正后,測(cè)氡數(shù)據(jù)基本上消除了測(cè)氡時(shí)間間隔的影響,有利于進(jìn)行大面積測(cè)氡數(shù)據(jù)的分析和解釋,為大面積活性炭測(cè)氡工作的進(jìn)行提供了有效的前提。3使用示例3.1地層組成與組成工區(qū)位于山鑫礦西北部,屬中低山區(qū),溝谷發(fā)育,地形呈西北高東南低。區(qū)內(nèi)地層由老到新有奧陶系中統(tǒng)峰峰組;石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組;二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組,上統(tǒng)上石盒子組;上新統(tǒng);第四系中、上更新統(tǒng)。含煤地層為二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)太原組,含煤11層。3.2氡測(cè)定結(jié)果分析為探明地下采空區(qū)的確切位置及其影響范圍,根據(jù)煤礦提供的采掘工程平面圖,結(jié)合實(shí)際情況布設(shè)測(cè)線。結(jié)合瞬變電磁法和地質(zhì)等資料,分析測(cè)氡結(jié)果,確定出采空區(qū)的范圍。以21測(cè)線為例分析。21試驗(yàn)線東西向布置,全線長(zhǎng)95m,點(diǎn)距5m,共20個(gè)測(cè)點(diǎn)。由活性炭測(cè)氡剖面圖(圖5)可知,12～20號(hào)測(cè)點(diǎn)氡值均較大,且波動(dòng)大,分析是由地下采空區(qū)引起。由視電阻率剖面圖(圖6)知:12～21號(hào)點(diǎn)電阻率值較高,綜合分析,劃定12號(hào)點(diǎn)為采空區(qū)邊界。4數(shù)據(jù)處理方法(1)在經(jīng)過(guò)時(shí)間校正以后,可以知道在經(jīng)過(guò)時(shí)間校正后的測(cè)氡數(shù)據(jù)不受測(cè)氡時(shí)間間隔的影響,這在大面積活性