測(cè)氡法探測(cè)采空區(qū)的應(yīng)用范文

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《煤礦開采雜志》2014年第三期

1奇異性分析

在低放射區(qū)域，場(chǎng)的局部變化性對(duì)于識(shí)別異常場(chǎng)具有重要意義。對(duì)于元素含量進(jìn)行差值時(shí)應(yīng)盡量保持局部奇異性。常規(guī)方法并不能有效識(shí)別少數(shù)奇異數(shù)據(jù)所反映的局部異常。奇異性分析法以單個(gè)測(cè)點(diǎn)作為計(jì)算對(duì)象，其結(jié)果具有明顯的局部靈敏性。作為對(duì)含量－面積法使用的補(bǔ)充，文中引入奇異性分析法［10］。奇異性分析法的提出同樣基于分形理論。具有自相似性的地質(zhì)過(guò)程，在改變度量尺度時(shí)，場(chǎng)依然保持相似形。其可以由以下指數(shù)函數(shù)來(lái)表達(dá)C(r)∝ra(2)式中，C(r)表示基于尺度r的鄰域內(nèi)量或場(chǎng);a為奇異性指數(shù)。此處，C(r)可以表示元素的平均面含量。如以元素平均密度ρ(r)代替C(r)，則式(2)改寫為ρ(r)∝ra－2(3)不同的地質(zhì)作用具有不同的自相似性，對(duì)應(yīng)不同的奇異性指數(shù)。當(dāng)a=2時(shí)，ρ(r)為常數(shù)，此時(shí)表示元素平均密度為常數(shù)，與度量尺度無(wú)關(guān)，對(duì)應(yīng)沒(méi)有奇異性的區(qū)域，為背景場(chǎng)。當(dāng)a≠2時(shí)，為異常場(chǎng)。數(shù)據(jù)處理中，應(yīng)用窗口法［11］。從測(cè)區(qū)原始氡值分布圖上任意點(diǎn)開始，選定窗口形態(tài)(圓形或正方形)，半徑r依次遞增，對(duì)外進(jìn)行窗口滑動(dòng)，對(duì)每個(gè)窗口中氡值計(jì)算平均值ρ(r)。然后對(duì)ρ(r)－r取雙對(duì)數(shù)，用最小二乘法對(duì)lgr－lgρ(r)進(jìn)行線性關(guān)系擬合，所得直線斜率即為對(duì)(a－2)的估計(jì)。從而由其結(jié)果是否為零得出該點(diǎn)所在場(chǎng)。

2實(shí)例分析

以山西某公司場(chǎng)地采空區(qū)地面氡值為例進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。圖1為探測(cè)區(qū)實(shí)測(cè)氡值分布直方圖及正態(tài)分布圖。由圖可得出，測(cè)區(qū)氡值數(shù)據(jù)屬于偏態(tài)分布，數(shù)據(jù)重心明顯左偏。傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)方法使用受到局限，應(yīng)用含量－面積法對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2.1含量－面積法采用該方法對(duì)測(cè)區(qū)實(shí)測(cè)氡值進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，如表1所示。應(yīng)用最小二乘法對(duì)lgr－lgN(r)進(jìn)行線性關(guān)系最優(yōu)化擬合，見圖2。圖2中，最終擬合得①，②，③3條直線，3條直線斜率不同，即分維數(shù)不同，反映了具有不同自相似性的地質(zhì)作用場(chǎng)。擬合度R2≥0.8754，表示lgr與lgN(r)具有良好的相關(guān)性，表明測(cè)氡法探測(cè)采空區(qū)所得氡值分形特征明顯。本次應(yīng)用分形理論進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終擬合時(shí)得到2個(gè)交點(diǎn)。直線①與②的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的r值即為圈定該區(qū)采空區(qū)的氡值異常下限，而直線②與③不同的分維數(shù)反映了采空區(qū)中伴隨有另一不同的地質(zhì)作用，即煤礦采空的基礎(chǔ)上伴隨有陷落柱。對(duì)于陷落柱，相較柱外采空區(qū)，其柱體內(nèi)較大程度的巖石碎裂，使碎巖間具有良好的連通性，更有利于氡氣的釋放和向上遷移，因此其地表附近氡濃度較其他區(qū)域高。同時(shí)，對(duì)于柱體未塌至基巖頂部的陷落柱(即封閉型柱體)，地表附近氡值異常表現(xiàn)為幅值較高的單峰狀異常，氡值等值線圖上大體表現(xiàn)為封閉的等值圓圈簇，且極大值對(duì)應(yīng)柱體中部。計(jì)算其交點(diǎn)對(duì)應(yīng)r值，可得采空區(qū)氡值異常下限為502個(gè)計(jì)數(shù)/(3min)，確定采空區(qū)中陷落柱的氡值異常下限為813個(gè)計(jì)數(shù)/(3min)，由此確定采空區(qū)范圍，見圖3(探測(cè)區(qū)為18－26測(cè)線，1－63測(cè)點(diǎn)區(qū)域)。與該區(qū)域利用地震勘探、瞬變電磁法等綜合物探方法所得采空區(qū)范圍(圖中線條圈定區(qū)域)相比，基本吻合(采空區(qū)域之間的連通性將在下節(jié)進(jìn)行論述)。從而驗(yàn)證了含量－面積法運(yùn)用于低放射區(qū)氡值數(shù)據(jù)處理的可行性。而基于傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)方法確定的異常下限為814～918個(gè)計(jì)數(shù)/(3min)，很明顯，其劃定的采空區(qū)范圍只是探測(cè)區(qū)的相對(duì)高放射區(qū)域。在低放射區(qū)域，煤礦采空區(qū)氡值的高異常區(qū)域一般只發(fā)生于局部，如伴隨有陷落柱的區(qū)域。而這一結(jié)果又與由含量－面積法所確定的地質(zhì)構(gòu)造或陷落柱區(qū)域相吻合。

2.2奇異性分析對(duì)比其他物探方法所劃定的采空區(qū)范圍，為了對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)應(yīng)用含量－面積法所圈定的采空區(qū)域之間的連通性做進(jìn)一步檢驗(yàn)，利用奇異性分析法的局部靈敏性，對(duì)該采空區(qū)遺漏區(qū)測(cè)點(diǎn)做奇異性分析。為了提高所測(cè)數(shù)據(jù)的使用率，從而保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，選取測(cè)線22為檢驗(yàn)線(檢測(cè)點(diǎn)依次選取測(cè)點(diǎn)5號(hào)、8號(hào)、11號(hào)…，45號(hào)測(cè)點(diǎn)附近檢驗(yàn)點(diǎn)加密)。在此，ρ(r)表示基于尺度r的鄰域內(nèi)氡含量的平均值，計(jì)算窗口采用正方形，以檢測(cè)點(diǎn)為中心，半邊長(zhǎng)r分別為15m，25m，35m，45m。(圖3中測(cè)點(diǎn)點(diǎn)號(hào)、線號(hào)間距均為10m)。其計(jì)算結(jié)果見表2。當(dāng)奇異性指數(shù)a=2時(shí)，ρ(r)變化不大，約等于常數(shù)，對(duì)應(yīng)區(qū)域?yàn)楸尘皥?chǎng)。當(dāng)a≠2時(shí)，則對(duì)應(yīng)異常場(chǎng)。與含量－面積法所得結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表3。

分析對(duì)照結(jié)果，檢測(cè)結(jié)果基本吻合。除個(gè)別試驗(yàn)點(diǎn)之外，擬合相關(guān)系數(shù)R≥0.8631，可見，lgr與lgρ(r)指數(shù)關(guān)系成立，奇異性指數(shù)估計(jì)可靠。試驗(yàn)點(diǎn)22－23，22－38，ρ(r)≠常數(shù)，首先排除其存在于背景場(chǎng)的可能。另外，氡的運(yùn)移受裂隙控制，碎巖的裂隙程度直接影響了地表積聚氡氣濃度的大小。對(duì)于采空區(qū)內(nèi)個(gè)別巖石碎裂程度相對(duì)較低的地方，反映在氡值等值線圖上時(shí)則會(huì)表現(xiàn)為局部低值。圖3中，試驗(yàn)點(diǎn)22－23，22－38均位于采空區(qū)內(nèi)背景場(chǎng)與異常場(chǎng)交界處，巖石碎裂程度較其他地方復(fù)雜，氡向上遷移受到影響，地表所測(cè)氡值較真實(shí)值誤差較大，而奇異性分析擬合過(guò)程對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度要求較高，故擬合相關(guān)指數(shù)較低。特別是試驗(yàn)點(diǎn)22－44，22－45經(jīng)奇異性分析均為異常場(chǎng)，從而表明，圖3中由含量－面積法所確定的采空區(qū)域是連通的。該結(jié)論與探測(cè)區(qū)其他綜合物探所測(cè)的采空區(qū)范圍吻合，從而證明了奇異性分析法的局部靈敏性在處理氡值數(shù)據(jù)時(shí)具有明顯優(yōu)勢(shì)。

3結(jié)論

(1)傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)方法在早期處理高放射性區(qū)域異常數(shù)據(jù)時(shí)是一種較有效的方法，而在低放射性區(qū)域，其應(yīng)用則具有一定的局限性。(2)應(yīng)用含量－面積法圈定氡值異常區(qū)域，相較傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)方法，能有效強(qiáng)化弱異常信息，簡(jiǎn)單行，但仍存在局部遺漏。而奇異性分析法對(duì)異常數(shù)值反映敏感，但數(shù)據(jù)處理過(guò)程較為繁瑣。結(jié)合二者優(yōu)勢(shì)，首先運(yùn)用含量－面積法對(duì)整體實(shí)驗(yàn)區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、采空區(qū)劃定，然后對(duì)邊界部分進(jìn)行奇異性分析。結(jié)果表明，試驗(yàn)結(jié)果較為理想。(3)在低放射區(qū)探測(cè)地下采空區(qū)的過(guò)程中，采用測(cè)氡法是可行的，其所得采空區(qū)范圍與對(duì)該區(qū)進(jìn)行的其他物探方法綜合解譯成果基本相符。

作者：徐萍張新軍劉鴻福李峰梁桂玲單位：太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院新奧氣化采煤有限公司