綜合物探在煤層采空區(qū)探測中的應(yīng)用研究

徐旺興

(福建省龍巖市城市建設(shè)投資發(fā)展有限公司，福建 龍巖 364000)

隨著城市加速發(fā)展，人口膨脹的同時對公共交通網(wǎng)的需要也隨之提高，地下交通網(wǎng)絡(luò)的鋪設(shè)也在全面進行。其中，由于部分地區(qū)存在私人經(jīng)營的煤礦，地勘資料不足，從而對采空區(qū)位置不確定，而該地區(qū)位于喀斯特地貌下，地下水極易沖刷擴張采空區(qū)位置。針對不同成因形成的地下空洞和未知區(qū)域，以及嚴(yán)重影響地下交通網(wǎng)建設(shè)過程的重大異常采空區(qū)，單一物探方法對其尋找探查的難度大、準(zhǔn)確性不高、局限性較大，無法做到準(zhǔn)確探明其空間位置，將對安全生產(chǎn)造成隱患[1,2]。

為此本文利用綜合物探方法，解決地下采空區(qū)探查存在的問題和困難。利用目前常用的幾種物探方法，對目部地層進行綜合勘察，得到詳細(xì)的地下先驗信息進行分析對比，對后續(xù)實際施工進行指導(dǎo)，解決目部地層存在部分盲區(qū)的問題，驗證地球物理方法在探查地下采空區(qū)問題上的能力[3,4]。

本文選擇某地區(qū)喀斯特地貌地區(qū)，其地下工程需要穿越資料缺失的小型煤礦，采空區(qū)位置及大小不明確，存在一定的施工風(fēng)險，下文將結(jié)合綜合物探方法成果進行分析介紹。

1 工程概況

擬建地下工程區(qū)間兩側(cè)建筑物較為密集，主要為公路、居民樓、沿街商鋪及在建住宅等。經(jīng)過初期踏勘得知，該區(qū)域內(nèi)存在部分私人開挖的小型煤礦，存在采空區(qū)。查明采空區(qū)分布及特征對后續(xù)施工方案、施工質(zhì)量、進度、及周邊建筑物的保護至關(guān)重要。

本次物探主要是采用孔中電磁波法、跨孔電磁波CT、地質(zhì)雷達(dá)等綜合物探方法，查明場區(qū)采空區(qū)分布及規(guī)模等情況。

2 地質(zhì)概況

2.1 地形、地質(zhì)情況

區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造單元屬揚子準(zhǔn)地臺（一級構(gòu)造單元）、黔北臺?。ǘ墭?gòu)造單元）、遵義斷拱（三級構(gòu)造單元）、貴陽復(fù)雜構(gòu)造變形區(qū)（四級構(gòu)造單元），以南北向構(gòu)造為主。

場區(qū)內(nèi)大斷層主要有烏當(dāng)斷層、花溪斷層和六神觀斷層，這3 條大斷層規(guī)模大，與3 號線一期工程線路不相交，但距離線路距離不大；線路北部線路穿越若干小斷層。

本標(biāo)段主要涉及斷層為F1（花溪斷層），位于中曹司向斜西翼，為一逆斷層，東盤相對上升，長30km。斷層線微彎曲，近南北走向，傾向東，傾角30°～70°，地層斷距300～800。斷層面比較隱蔽，當(dāng)兩盤（特別是上盤）為厚層塊狀白云巖時，擠壓破碎帶才比較發(fā)育，最寬可達(dá)100m，有角礫巖、碎粒巖及伴生小斷層。大部分地段斷層面與近旁巖層產(chǎn)狀相近，并隨巖層產(chǎn)狀變化而變化，該斷層似具順層滑脫性質(zhì)。該斷層位于擬建區(qū)間約860m。

2.2 物探條件綜合分析

本區(qū)間場地上覆土層主要為第四系人工填土、紅黏土，局部為洞穴堆積，巖體結(jié)構(gòu)以層狀巖體為主，主要為三疊系強～中風(fēng)化白云巖。根據(jù)測區(qū)野外巖土體主要物理量測量結(jié)果，測區(qū)主要巖土層的地球物理參數(shù)如表1。

表1 電磁波參數(shù)表

3 綜合物探方法

3.1 跨孔電磁波CT 法

在所測兩鉆孔中分別布置發(fā)射天線與接收天線，固定發(fā)射天線，接收天線沿鉆孔移動，每隔1m 接收一次，接收天線移動距離與孔間距近似相等。接收天線每移動一次，可得到一組射線，記為一次掃描；之后，移動發(fā)射天線，接收天線進行另一次掃描，直至發(fā)射天線移至完鉆孔探測深度為止。通過兩個天線的移動，多次掃描，可得到若干條射線。每條射線記錄了電磁波的衰減值。在數(shù)據(jù)處理過程中，對掃描區(qū)域進行網(wǎng)格剖分，利用多條射線在同一網(wǎng)格中的交會點，經(jīng)過相關(guān)換算公式求得該網(wǎng)格的衰減系數(shù)。再對所有網(wǎng)格的衰減系數(shù)進行成圖，即可得出所測區(qū)域巖體的電磁波衰減關(guān)系圖，結(jié)合電磁波在不同介質(zhì)中傳播時電磁波的衰減系數(shù)參考范圍，結(jié)合鉆孔資料及場區(qū)地質(zhì)情況，便能精確推斷出測區(qū)內(nèi)的巖溶發(fā)育情況，具體原理如圖1 所示。

圖1 跨孔電磁波CT 示意圖

3.2 孔中電磁波法

單孔電磁波反射法原理：雷達(dá)發(fā)射天線和接收天線連接在一起放入鉆孔中，采用偶極子天線，以360°方向輻射和接收反射信號。數(shù)據(jù)解釋與地面雷達(dá)數(shù)據(jù)基本一樣，只是其信號是全空間的。從數(shù)據(jù)中無法得知反射體的方向，只能得到反射體的距離，是否呈面狀分布及平面體與鉆孔的夾角等信息，具體原理如圖2 所示。

圖2 孔中電磁波法示意圖

3.3 地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)法是一種用于確定地下介質(zhì)分布的廣譜電磁波技術(shù)，通過發(fā)射電線發(fā)射高頻電磁波，經(jīng)過地下電性差異界面或目標(biāo)體后反射后返回地面，由接收天線接收。高頻電磁波在介質(zhì)中傳播時，其路徑、電場強度與波形隨著通過的介質(zhì)的電性特性及幾何形態(tài)而變化，通過對時域波形的采集、處理和分析可確定地下分界面或結(jié)構(gòu)異常體的空間位置，具體原理如圖3 所示。

圖3 地質(zhì)雷達(dá)法示意圖

4 資料采集及解釋

4.1 資料采集

本次跨孔電磁波CT 法使用HX-JDT-02B 型井下無線電波透視儀，孔中電磁波法使用的儀器為瑞典瑪拉公司生產(chǎn)的RAMAC 系列雷達(dá)，使用100MHz 鉆孔雷達(dá)天線，地質(zhì)雷達(dá)法使用的儀器為加拿大Sensors & Software Inc 公司生產(chǎn)的收發(fā)分離式雷達(dá)，本次選用天線主頻：50MHz。本次測量區(qū)間為K53 至K54 號孔之間，里程YDK10+844.4～ YDK10+866.4，總長22 米。

4.2 成果綜合解釋

三種方法的探測結(jié)果如圖4-5 所示。

圖4 跨孔電磁波CT 成果圖圖4-2 地質(zhì)雷達(dá)成果圖

4.2.1 跨孔電磁波CT 法

成果圖上顯示在地下目標(biāo)埋深區(qū)域內(nèi)存在兩處異常區(qū)，初步判斷為填充型采空區(qū)或破碎帶。

4.2.2 孔中電磁波法K53 與K54 號孔成果圖上顯示在埋深13m 位置處均出現(xiàn)連續(xù)長異常區(qū)，初步判斷為連通型破碎帶發(fā)育區(qū)或采空區(qū)；22m 處存在較弱異常區(qū)，需結(jié)合其他方法進行分析。

4.2.3 地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)成圖上顯示存在兩處異常區(qū)，其中埋深20m 處存在強反射同相軸，初步推測為采空區(qū)；13m 處存在局部范圍內(nèi)同相軸錯段、同相軸能量缺失，判斷該區(qū)域為破碎帶。通過三種方法綜合分析對比，并結(jié)合實際鉆孔資料得到如下結(jié)論：

強風(fēng)化層界線標(biāo)高為：1111.63～1112.78。

采空區(qū)1：最大寬度約1.85 米 （YDK10 +849.2 ～+851.05），最大洞高約0.82 米（1102.52～1103.34），為粘土充填型采空區(qū)。周圍存在破碎帶，其最大寬度約24.92 米，頂標(biāo)高約1104.26，向下發(fā)育。

采空區(qū)2：最大寬度約3.92 米（YDK10 +864.43 ～+868.35 段），最大洞高約2.26米（1097.94～1100.2），為粘土充填型采空區(qū)。于K54 鉆孔標(biāo)高1097.94～1100.2 處揭露。周圍存在破碎帶，其最大寬度約6.89 米，最大高度3.95 米。

破碎帶1：最大寬度約24.92 米（YDK10 +844.4 ～+869.32 段），最大洞高約3.06米（1101.2～1104.26）。K53 鉆孔揭露該處巖芯呈碎塊狀，可見溶孔和溶蝕裂隙。

K54 鉆孔揭露該處巖芯呈碎塊狀，可見溶孔和溶蝕裂隙。

圖5 孔中電磁波法波形圖

破碎帶2：最大寬度約6.89 米（YDK10+862.93～+869.82 段），最大洞高約3.95 米（1197.62～1101.17）。k54鉆孔揭露該處巖芯呈碎塊狀，可見溶孔和溶蝕裂隙。

5 結(jié)論

5.1 通過綜合物探方法對地下采空區(qū)、異常區(qū)及影響施工的探測盲區(qū)進行了全方面探查，通過多種方法對比驗證，準(zhǔn)確地標(biāo)定出異常區(qū)域的空間位置，綜合推斷分析出異常體的成因，提供準(zhǔn)確的先驗信息，做好為后期施工服務(wù)的準(zhǔn)備工作。

5.2 施工后續(xù)開挖中驗證了本次綜合物探所探測到的異常區(qū)，表明綜合探測方法在未知區(qū)域地下采空區(qū)探查中具有良好的結(jié)果，特別針對喀斯特地貌地下水發(fā)育堅強，容易擴張采空區(qū)范圍的地區(qū)，具有良好的針對性和準(zhǔn)確性。

5.3 綜合多種物探方法的探測能提供更準(zhǔn)確的地下信息，改善過去由于先驗信息不足或者單一方法局限性產(chǎn)生的相關(guān)施工事故，具有廣闊的應(yīng)用前景。