采空區(qū)物探方法新探

潘瑞林

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司, 北京 100025)

1 概述

近幾年,在鐵路工程勘察中愈來愈多地遇到在地面用物探方法探測(cè)采空區(qū)的問題：線路經(jīng)過區(qū)是否存在采空區(qū)、采空區(qū)的平面范圍、采空區(qū)的深度范圍、主要的采空區(qū)巷道等。加之工點(diǎn)還經(jīng)常存在各種干擾：交直流電、振動(dòng)等,致使采空區(qū)探測(cè)已成為了工程物探的難點(diǎn)問題之一。

目前,在地面探測(cè)采空區(qū)較有效、常用的物探方法主要有：高密度電阻率法、直流電法(包括,電測(cè)深法和電測(cè)剖面法)、地質(zhì)雷達(dá)法、地震反射法、瑞雷面波法。近來,我們遇到二個(gè)深度較大(50～200 m左右)和一個(gè)有嚴(yán)重交直流電干擾的采空區(qū)探測(cè)問題,分別采用了瞬變電磁法、高頻大地電磁法和微重力法,取得了較好的探測(cè)效果。詳細(xì)介紹了三個(gè)采空區(qū)探測(cè)工點(diǎn)的物探工作布置、數(shù)據(jù)采集及資料處理解釋,旨在引起我們對(duì)采空區(qū)物探方法的新思考。

2 瞬變電磁法探測(cè)磁鐵礦采空區(qū)

2.1 工點(diǎn)概況

工點(diǎn)位于河北邯鄲涉縣開發(fā)區(qū)東部,地形屬中低山區(qū),高程535～577 m,相對(duì)高差15 m。地表大部為耕地,南部存在大量礦渣。地表為第四系中上更新統(tǒng)沖洪積(Q3+2al+pl)黃土,沉積厚度一般為10～40 m,下伏地層為中奧陶系(Q2)灰?guī)r,其下為閃長(zhǎng)巖。磁鐵礦即賦存于灰?guī)r與閃長(zhǎng)巖的接觸帶及接觸帶頂?shù)装寤規(guī)r薄弱帶中,礦床成因類型為接觸交代型磁鐵礦床。礦體總體走向?yàn)楸睎|30°～50°,傾向南東,傾角10°～20°,含礦1～3層,單層平均厚度2～4 m,局部地段5～7 m,礦體埋深40～85 m,礦體在礦區(qū)內(nèi)呈非連續(xù)條帶狀或蜂窩狀分布。

電廠專用線在K0+200～+800段通過磁鐵礦采空區(qū),要求物探探測(cè)采空區(qū)的平面分布范圍、深度范圍。

2.2 工作布置及數(shù)據(jù)采集

共布置測(cè)線5條(線路中線1條,線路左、右側(cè)各2條),線間距20 m,點(diǎn)距10 m。使用美國(guó)zonge公司生產(chǎn)的GDP-32Ⅱ型多功能電法儀,采用瞬變電磁法中的nanotem采集方法,該方法關(guān)斷時(shí)間短、精度高,發(fā)射線圈為100 m×100 m,采用接收面積200 m2的磁探頭。采集時(shí)采取了如下措施以保證數(shù)據(jù)質(zhì)量：(1)人員車輛遠(yuǎn)離發(fā)射線、接收線圈；(2)發(fā)射線圈過路、過坑時(shí)拉直；(3)磁探頭利用水準(zhǔn)泡調(diào)試垂直,不放在下部松軟的物體上；(4)采用一定疊加次數(shù)并多次記錄數(shù)據(jù)塊；(5)采集時(shí)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督每個(gè)測(cè)點(diǎn)的質(zhì)量；(6)野外班報(bào)記錄清楚,對(duì)明顯地物和干擾源都有詳細(xì)描述；(7)室內(nèi)及時(shí)回放資料。該工點(diǎn)共完成355點(diǎn),檢查點(diǎn)18個(gè),所采集的信噪比較高,離差小,質(zhì)量可靠。

2.3 資料分析解釋

圖1是線路中測(cè)線的等視電阻率斷面圖。結(jié)合已有地質(zhì)資料,本工點(diǎn)解釋原則為：視電阻率低于100 Ωm解釋為第四系黃土地層,視電阻率200～400 Ωm為奧陶系灰?guī)r地層；采空區(qū)為相對(duì)高阻區(qū),視電阻率250～600 Ωm。據(jù)此,解釋推測(cè)了采空區(qū)。本工區(qū)進(jìn)行物探的同時(shí),布置了6個(gè)鉆孔勘探,物探解釋采空區(qū)區(qū)段3孔驗(yàn)證了存在采空區(qū)(充填紅色的鉆孔),2孔未鉆到采空區(qū)(充填青色的鉆孔,未鉆到采空區(qū)的原因是孔鉆深度偏淺和鉆孔位置稍偏離采空區(qū)),表明物探效果較好。物探查明了采空區(qū)的平面和深度分布范圍。

圖1 線路中測(cè)線等視電阻率斷面圖及采空區(qū)解釋

3 高頻大地電磁法探測(cè)煤炭采空區(qū)

3.1 工點(diǎn)概況

工點(diǎn)位于吉林琿春市郊三道嶺,為丘陵緩坡地形,地表主要為耕地。表層為第四系坡、殘積粉質(zhì)黏土,厚1.0～10.0 m,下伏第三系琿春組泥巖、砂巖夾煤層,巖層產(chǎn)狀較平緩。調(diào)查資料顯示國(guó)營(yíng)礦采煤深度約80.0～200.0 m。線路DK351+900～DK358+000段由采空區(qū)北東側(cè)邊緣地帶通過,需用物探查明采空區(qū)平面邊界。

3.2 工作布置及數(shù)據(jù)采集

根據(jù)初步調(diào)查資料,垂直線路布置橫測(cè)線21條,橫測(cè)線間距100～500 m,每條橫測(cè)線長(zhǎng)260～1 050 m,測(cè)線總長(zhǎng)11 660 m。采用高頻大地電磁法,測(cè)點(diǎn)距25 m。使用美國(guó)GEOMETRICS公司的EH-4高頻大地電磁測(cè)量系統(tǒng),該系統(tǒng)頻率響應(yīng)范圍為10～100 000 Hz。數(shù)據(jù)采集采用電極平距20 m,森林羅盤儀定位以保證X、Y方向的電場(chǎng)和磁場(chǎng)電極垂直。

3.3 資料分析解釋

圖2和圖3分別是22-22′測(cè)線和14-14′測(cè)線的等視電阻率斷面。

結(jié)合已有地質(zhì)資料,本工點(diǎn)解釋原則為：地表視電阻率低于60 Ωm解釋為第四系坡、殘積粉質(zhì)黏土地層；其下視電阻率15～150 Ωm為第三系琿春組泥巖、

圖2 22-22′測(cè)線等視電阻率斷面圖及采空區(qū)解釋

圖3 14-14′測(cè)線等視電阻率斷面圖及采空區(qū)解釋

砂巖夾煤層,其中視電阻率15～50 Ωm主要為泥巖夾煤層反映；采空區(qū)為泥巖夾煤層連續(xù)性間斷、并是相對(duì)高阻的異常區(qū),視電阻率大于60 Ωm。據(jù)此,推斷解釋了采空區(qū)的平面邊界：線路左右300 m范圍內(nèi)無明顯采空區(qū),采空區(qū)僅局部分布于線路右300 m以外的區(qū)域,采空區(qū)深度范圍約100～150 m。物探完成后,該段沿線路布置了鉆探,其中最深鉆孔為123.4 m,均發(fā)現(xiàn)采空區(qū)。驗(yàn)證了物探結(jié)果,物探效果較好。

4 微重力法探測(cè)煤炭采空區(qū)

4.1 工點(diǎn)概況

工點(diǎn)位于山西屯留縣,地表為黃土、粉質(zhì)黏土,下為砂巖、泥巖夾煤層,附近有電廠,交直流電干擾嚴(yán)重,調(diào)查初步圈定了采空區(qū)邊界范圍,但資料依據(jù)不充分,仍需使用物探探測(cè),進(jìn)一步驗(yàn)證采空區(qū)邊界范圍。

圖4 重力測(cè)量成果

4.2 工作布置及數(shù)據(jù)采集

沿線路中線布置1條微重力測(cè)線,測(cè)線長(zhǎng)3.78 km,測(cè)點(diǎn)距20 m。采用美國(guó)LCR-D型高精度重力儀觀測(cè)(靈敏度0.4微伽,讀數(shù)精度5微伽)。為了有效地控制重力儀的零點(diǎn)漂移,根據(jù)工點(diǎn)交通、地形地貌及儀器性能情況,本工點(diǎn)采用相對(duì)重力測(cè)量,工點(diǎn)設(shè)重力基點(diǎn)1個(gè),每天開工前及收工時(shí)均在基點(diǎn)對(duì)儀器進(jìn)行檢查觀測(cè)。測(cè)點(diǎn)重力觀測(cè)由基點(diǎn)開始,采用單次逐點(diǎn)觀測(cè)法起閉于基點(diǎn),每個(gè)單元閉合時(shí)間均不大于8 h。為保證數(shù)據(jù)可靠,每天起始基點(diǎn)進(jìn)行基-輔-基觀測(cè),基點(diǎn)每組3次讀數(shù),輔基每組2次讀數(shù),最大與最小讀數(shù)之差小于0.005格；測(cè)點(diǎn)觀測(cè)每組2次讀數(shù),兩次讀數(shù)之差不大于0.005格,否則重新讀數(shù)。平均數(shù)采用四舍五入法記錄。

4.3 資料整理與分析解釋

觀測(cè)點(diǎn)布格重力異常值按(1)式計(jì)算

g布=Δg測(cè)+Δg布改+Δg地改-γ0

(1)

式中,g布為觀測(cè)點(diǎn)布格重力異常值；Δg測(cè)為觀測(cè)點(diǎn)絕對(duì)重力值(統(tǒng)一使用工區(qū)中心點(diǎn)的固體潮理論值進(jìn)行固體潮改正)；Δg布改為測(cè)點(diǎn)處的布格改正值；Δg地改為地形改正值；γ0為正常重力值,使用國(guó)際大地測(cè)量協(xié)會(huì)(IAG)推薦的1980年公式。各項(xiàng)計(jì)算公式分別為

Δg布改=(0.308 6(1+0.000 7cos2Ф)-0.72×10-7h-0.041 9ρ+0.020 95/R×ρ×h)h；

γ0=978 032.7(1+0.005 302 4sin2Ф

-0.000 005 8sin22Ф)；

Δg地改地形改正值分近區(qū)地改(0～20 m)和中區(qū)地改(20～200 m)兩部分,地改值利用臺(tái)階(陡坎地形)或錐形柱體(復(fù)雜地形)地改計(jì)算公式計(jì)算。前式中,Ф為測(cè)點(diǎn)的緯度值；h為測(cè)點(diǎn)海拔高程；ρ為中間層密度(2.1 g/cm3)；R為園域地形改正半徑。

圖4是本工點(diǎn)的重力測(cè)量成果。從成果圖可見,測(cè)點(diǎn)號(hào)21～110間布格重力異常值存在明顯低值異常,推斷解釋該段存在采空區(qū),長(zhǎng)度約1.78 km。該探測(cè)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了采空區(qū)邊界范圍,據(jù)此線路方案進(jìn)行了調(diào)整,線路繞避了該段采空區(qū)。

5 結(jié)束語(yǔ)

探測(cè)實(shí)例說明瞬變電磁法、高頻大地電磁法和微重力法探測(cè)采空區(qū)可以取得較好效果。瞬變電磁法和高頻大地電磁法可探測(cè)采空區(qū)平面和深度范圍,也可探測(cè)主要采空區(qū)巷道。微重力法雖只能圈定采空區(qū)平面范圍,但受交直流電干擾和振動(dòng)干擾等較小,輕便快速,有較好的應(yīng)用前景。今后,探測(cè)深度較大的采空區(qū)時(shí),上述三種物探方法值得重點(diǎn)采用。

[1] DZ/T0171—1997 大比例尺重力調(diào)查技術(shù)規(guī)定[S]

[2] TB10013—2004 鐵路工程物理勘探規(guī)程[S]

[3] TB10027—2001 鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程[S]