基于AGI探測的地下隱伏溶洞空間分布規(guī)律研究

程 巖 李長洪

(1.中國建筑科學(xué)研究院；2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

基于AGI探測的地下隱伏溶洞空間分布規(guī)律研究

程 巖1李長洪2

(1.中國建筑科學(xué)研究院；2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

采用高密度電阻率測量系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場電阻率探測，根據(jù)AGI探測數(shù)據(jù)并結(jié)合工程地質(zhì)及水文地質(zhì)特征分析高阻區(qū)域與低阻區(qū)域的性質(zhì)，得出以下結(jié)論：①高阻體主要是由于溶洞、溶隙以及巖土體坍塌引起，高阻體主要分布于大理巖地層中；②低阻體中一部分是大理巖地層中的溶洞與地表水導(dǎo)通，使得溶洞充水引起，另一部分是由位于馬架山和靈山組富含水地層中的巖溶水和溶隙水所致。通過分析，可以了解溶洞空區(qū)與溶洞充水區(qū)的空間分布情況，并指出它們之間的相對(duì)獨(dú)立關(guān)系的及各自形成塌陷和突水等地質(zhì)災(zāi)害的條件。實(shí)地探測結(jié)果可為進(jìn)一步深入研究復(fù)雜空區(qū)的穩(wěn)定性提供可靠依據(jù)，對(duì)于進(jìn)行礦區(qū)開采引起地表穩(wěn)定性分析亦具有一定的參考價(jià)值。

AGI 地表塌陷 空區(qū)穩(wěn)定性 高阻區(qū) 低阻區(qū)

近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，很多地區(qū)建筑物的選址常常不可避免的穿越礦區(qū)采空區(qū)地表。礦區(qū)采空區(qū)地表已經(jīng)產(chǎn)生的塌陷變形以及將來可能出現(xiàn)的塌陷或殘余變形，對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全和地表建筑物的穩(wěn)定性造成了威脅[1]。

1 工程概況

以開采金銅礦為主的某礦區(qū)位于湖北省大冶市西3.5 km處，包括雞冠咀與桃花咀2座礦床。礦區(qū)南側(cè)瀕臨石家灣，北到大冶湖中心河，東側(cè)是青山河，總面積約1.52 km2。礦區(qū)距離武沙鐵路及主干公路3 km，西可直達(dá)武漢，東可直通上海，礦區(qū)內(nèi)現(xiàn)已鋪設(shè)公路，交通便捷。礦區(qū)巖溶主要發(fā)育于礦體頂板上1～13 m的范圍內(nèi)，16#、18#、23#勘探線局部巖溶直接構(gòu)成礦體上盤。礦區(qū)礦床屬于隱伏型巖溶充水礦床，上覆第四系土體厚度一般小于10 m，礦區(qū)地面標(biāo)高約+20 m。礦區(qū)溶洞分布主要集中于16#～19#，23#線區(qū)域，其中主礦體賦存于大理巖中且大理巖巖溶率較高，強(qiáng)巖溶帶標(biāo)高為+0.53～-128.14 m。由于地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，近地表處局部巖溶也發(fā)育，加之以往大規(guī)模開采、充填能力不足以及管理不到位等原因，導(dǎo)致在井下殘留部分暫時(shí)未充填的采空區(qū)，曾經(jīng)發(fā)生了2次較大的沖擊地壓及多次小的沖擊地壓活動(dòng)。巖溶作用不僅破壞了巖體的完整性，降低了巖體的強(qiáng)度，而且使巖體的富水性更加不均一，洞穴充填物是引起地下礦體發(fā)生突水涌泥災(zāi)害的主要原因。

2 采空區(qū)AGI高密度探測

2.1 AGI高密度探測工作流程[2-3]

(1)設(shè)計(jì)測量點(diǎn)數(shù)、范圍、方式，根據(jù)探測過程圖判斷測量方式的可行性，同時(shí)調(diào)節(jié)相應(yīng)的參數(shù)，調(diào)節(jié)選用的探測范圍和方式。

(2)完成設(shè)計(jì)測量方式后，保存該文件，同時(shí)利用PC機(jī)將該文件傳輸給AGI，以便根據(jù)該方案進(jìn)行實(shí)地測量。

(3)根據(jù)設(shè)計(jì)范圍布點(diǎn)，首先采用米尺測量出實(shí)地范圍，按照設(shè)計(jì)的間隔置入鋼釬；然后將探測電極夾在鋼釬上，將電極逐個(gè)串聯(lián)在一條剖線上。為了減少接地電阻對(duì)探測結(jié)果精度的影響，必要時(shí)對(duì)鋼釬位置澆注少量的水，以保證接地電阻較小。

(4)將主機(jī)連接在測量剖線的電極上，隨后開機(jī)選擇已設(shè)計(jì)的命令方式測量。

2.2 礦區(qū)AGI探測線布置

根據(jù)該礦區(qū)的具體地質(zhì)、地形條件和現(xiàn)場地下開采情況，預(yù)計(jì)在現(xiàn)場布設(shè)探測剖線共20條，采用AGI高密度電阻率成像系統(tǒng)進(jìn)行探測，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)探測深度為30～70 m。系統(tǒng)測試工作選擇沿勘探線方向布置測線，每條測線分別采用偶極(322-D)、施倫貝格(22-S)、wenner(22-W)3種方法采集數(shù)據(jù)，每條測線水平投影長135～360 m；電極數(shù)為60個(gè)，若長度不足則采用滾動(dòng)測量方式，極距水平投影長4～6 m。礦區(qū)AGI測試布置情況見圖1。圖1中，16#～24#勘探線間的測線間距為25 m，利用AGI高密度電阻率成像系統(tǒng)現(xiàn)場探測總共布設(shè)電極約 1 042 個(gè)。

3 數(shù)據(jù)處理及剖面圖形分析

現(xiàn)場每條剖線均將上述3種方法的測量數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理導(dǎo)入到二維分析軟件中，利用軟件的自動(dòng)成圖功能得到地層的電性圖。由地質(zhì)體的電阻率分布特征可知：①無充水空區(qū)、溶洞通常呈高電阻狀態(tài)，而完整圍巖及地表覆蓋層電阻率較低；②當(dāng)含水率較高或者空區(qū)中有存水時(shí)，無論圍巖、覆蓋層還是采空區(qū)，電阻率均會(huì)顯著下降；③礦區(qū)多雨，并且溶洞比較發(fā)育，地表及地下水均較豐富，因此低阻區(qū)分布顯著，采空區(qū)電阻率明顯高于圍巖。文中僅對(duì)對(duì)22#測線進(jìn)行分析，該測線地表對(duì)應(yīng)的異常體位置如圖2所示。322-D、22-S、22-W等3種方法對(duì)該測線的探測結(jié)果如圖3所示，該測線地質(zhì)剖面見圖4。

圖1 礦區(qū)AGI測線布置

圖2 22#測線在地表對(duì)應(yīng)異常體位置

由圖2～圖4可知,22#線對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi)的電阻率為5.9～512 Ω·m，沿測線方向地表往下約6 m的范圍內(nèi)分布第四系土層，該土層含水率較高，電阻率較低；在沿該條測線方向距離起始點(diǎn)108 m處且深度為34 m的位置分布一個(gè)高阻區(qū)，電阻率為168～512 Ω·m；在沿測線方向252 m和288 m的位置，深度約17 m的范圍內(nèi)分布一個(gè)低阻區(qū)，電阻率為5.9～17.9 Ω·m。

結(jié)合地質(zhì)資料以及前后測線、剖線結(jié)果分析可知，22#線主要位于大冶群第七巖性段第三亞段(T1dy7-3)、白堊系下統(tǒng)馬架山組(K1m)和白堊系下統(tǒng)靈鄉(xiāng)組(K1l)地層范圍內(nèi)。大冶群的第七巖性段第三亞段(T1dy7-3)的地層巖性以大理巖為主，另外還有少量含白云質(zhì)大理巖分布，灰白-淺灰色，細(xì)中粒變晶結(jié)構(gòu)，厚層為塊狀構(gòu)造，該段是溶洞的主要發(fā)育區(qū)域，地層均為有頂無底或有底無頂，與上覆地層呈不整合接觸關(guān)系。三疊系及各類巖漿巖之上被白堊系下統(tǒng)馬架山組(K1m)覆蓋，且為不整合接觸關(guān)系，白堊系下統(tǒng)馬架山組(K1m)的主要特點(diǎn)是分布范圍廣、厚度大、巖性多樣復(fù)雜。該組由以火山沉積角礫巖為主，角礫凝灰?guī)r、雜砂巖、碎屑凝灰?guī)r、凝灰泥質(zhì)粉砂巖，粉砂質(zhì)泥土巖為輔的巖性組成。“脈動(dòng)”式噴發(fā)相所形成的噴發(fā)相與間歇相巖石交錯(cuò)構(gòu)成了白堊系下統(tǒng)靈鄉(xiāng)組(K1l)，中基性熔巖-安玄巖為噴發(fā)相巖石的巖性，間歇相為陸源碎屑巖-紫紅色細(xì)砂巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)黏土巖、砂質(zhì)巖等，與下伏地層呈噴發(fā)不整合接觸關(guān)系。

圖3 基于3種方法的22#測線二維反演斷面

圖4 22#測線地質(zhì)剖面

圖3中的高阻異常體位于大冶群第七巖性段第三亞段(T1dy7-3)地層之中，因此可以判定為溶洞、溶隙發(fā)育區(qū)引起的高阻異常體。該圖中252 m和288 m處存在的低阻體主要位于白堊系下統(tǒng)靈鄉(xiāng)組(K1l)地層中，推斷該低阻異常體為巖溶地層含水層。通過該圖還可以看出，高阻異常體和低阻異常相互獨(dú)立存在，說明地層中巖體滲透性較差或是地層之間的不整合界面具有一定的隔水作用。

對(duì)其他測線采用同樣的方法進(jìn)行探測和反演，也可得出高阻區(qū)和低阻區(qū)的位置，結(jié)合溶洞鉆孔地質(zhì)資料可以看出近地表存在大量的高阻異常體和低阻異常體。其中高阻異常體主要是由溶洞、溶隙以及巖土體坍塌引起的，高阻異常體主要分布于大理巖地層中；低阻異常體中一部分是由大理巖地層中的溶洞與地表水導(dǎo)通，使得溶洞充水引起，還有一部分是由位于馬架山和靈山組富含水地層中的巖溶水和溶隙水所致。

物探結(jié)果表明，高阻異常體和低阻異常體相對(duì)獨(dú)立，根據(jù)現(xiàn)有地質(zhì)資料分析，形成如此鮮明的分界特征主要原因在于大理巖地層中的溶洞相對(duì)封閉，大理巖地層與上覆馬架山和靈山組地層存在不整合界面。雖然上覆馬架山和靈山組地層是富含水層，存在溶巖水或溶隙水，表現(xiàn)為低阻異常體，但是上覆地層巖體也是隔水層，加之2種地層中存在不整合界面，因此高阻異常體與低阻異常體之間沒有水力聯(lián)系。隨著井下開采作業(yè)擾動(dòng)巖體，有可能加大巖體位移，改變巖體滲流速度。

通過文中方法對(duì)礦區(qū)異常區(qū)域進(jìn)行圈定并與現(xiàn)有的溶洞鉆孔地質(zhì)資料對(duì)照分析可知，通過文中方法圈定的容易發(fā)生溶洞坍塌和地表塌陷的區(qū)域與已探明的溶洞所在位置及不整合界面基本吻合。

4 結(jié) 論

(1)采用AGI高密度電阻率測量系統(tǒng)對(duì)地下不明埋藏物、溶洞、采空區(qū)和地下水等電阻率場的分布特征進(jìn)行探測，結(jié)合對(duì)應(yīng)地質(zhì)剖面將探測信息與地層信息進(jìn)行耦合分析，驗(yàn)證了空區(qū)或溶洞存在的真實(shí)性，根據(jù)探測結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場工程地質(zhì)及水文地質(zhì)資料進(jìn)行分析，認(rèn)為高阻區(qū)主要是由空區(qū)、溶洞或溶隙發(fā)育區(qū)以及地表塌陷后巖土松散介質(zhì)孔隙率增加引起的，低阻區(qū)是由溶洞充水所致圈定出容易發(fā)生溶洞坍塌和地表塌陷的區(qū)域所引起的。

(2)AGI高密度電法測量系統(tǒng)能夠較為準(zhǔn)確地探測出復(fù)雜空區(qū)的實(shí)際空間分布情況，所采集的數(shù)據(jù)可利用專業(yè)軟件反演出空區(qū)二維圖像，提高了空區(qū)探測數(shù)據(jù)的可靠性，為采空區(qū)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供了可靠的依據(jù)。

[1] 江玉樂，康萬福，張 楠，等. 高密度電法在巖溶勘察中的應(yīng)用[J]. 成都理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，34(4)：452-455.

[2] 郭清石.高密度電法對(duì)溶洞勘探的數(shù)值模擬研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2013.

[3] 張永偉.高密度電法對(duì)地下空洞的探測數(shù)值模擬研究[D].南昌：華東交通大學(xué)，2014.

Research on the Space Distribution Law of Underground Concealed Karst Cave Based on AGI Detection Principle

Cheng Yan1Li Changhong2

(1.China Academy of Building Research;2.School of Civil and Environment Engineering,University of Science and Technology)

The high density resistivity measurement system is used to conduct filed resistivity detection, according to the AGI detection data and engineering geological and hydrogeological characteristics, the nature of high resistance area and low resistance area are analyzed. The analysis results show that: ①the high resistance body is caused by karst cave, dissolve gap and collapse of rock and soil mass,and it is mainly distributes in the marble formation; ②part of the low resistance body is caused by karst water filling caused by marble karst cave and surface water in the stratum conduction, the other part of the low resistance body is caused by the karst water and solution crack water located in the water bearing ground of trestle mountain and Lingshan group formation. By above analysis, the spatial distribution of the cave empty area and the water filling area of karst cave is understood,the relatively independent relationship of the cave empty area and the water filling area of karst cave is pointed out, besides that,the formation conditions of geological disaster and water bursting are also specified. The field detection results can provide reliable basis for further researching on the stability of the complex empty, it also has certain reference value for analyzing the stability of mining surface.

AGI, Surface subsidence, Cavity stability, High resistance area, Low resistance area

2015-04-09)

程 巖(1983—)，男，工程師，博士，100013 北京市朝陽區(qū)北三環(huán)東路30號(hào)。