利用綜合物探法勘查巖溶及采空區(qū)

黃明光　胡龍華

(江西省核工業(yè)地質(zhì)局二六三大隊(duì))

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利用綜合物探法勘查巖溶及采空區(qū)

黃明光胡龍華

(江西省核工業(yè)地質(zhì)局二六三大隊(duì))

摘要對(duì)淺層縱波反射、高密度直流電法、彈性波跨孔CT測量的基本原理和工作方法進(jìn)行了詳細(xì)分析。通過將該3類方法應(yīng)用于朱坑地區(qū)和南安高速測區(qū)，對(duì)勘查成果特別是具有代表性的典型剖面進(jìn)行解譯，并進(jìn)行了鉆探驗(yàn)證，總結(jié)了溶洞(采空區(qū))對(duì)應(yīng)各類異常的特征,詳細(xì)討論了3類方法的應(yīng)用效果，認(rèn)為三者進(jìn)行綜合應(yīng)用對(duì)于巖溶及采空區(qū)的勘查效果較好。

關(guān)鍵詞綜合物探法采空區(qū)淺層縱波反射高密度直流電法單行波跨孔CT測量

地下空洞、采空區(qū)、巖溶是一些老礦山已經(jīng)停止開采的老采空區(qū)以及地下工程建設(shè)時(shí)留下的管道空洞，大大影響了地表的穩(wěn)定，易引發(fā)巖溶及采空區(qū)塌陷。為此，本研究以朱坑地區(qū)、南安高速測區(qū)為例，利用綜合物探方法對(duì)巖溶及采空區(qū)進(jìn)行勘查，即首先通過高密度直流電法測量結(jié)合淺層縱波反射法分析判斷并劃分巖溶或采空區(qū)的發(fā)育地段，然后在巖溶或采空區(qū)的發(fā)育地段進(jìn)行彈性波跨孔CT測量，對(duì)巖溶或采空區(qū)的埋深、規(guī)模進(jìn)行定量分析。

1工作區(qū)地質(zhì)概況

2地球物理特征

朱坑地區(qū)第四系覆蓋層為低阻，干燥風(fēng)化砂層為特高阻，潮濕粉砂質(zhì)黏土層為低阻，溶洞在有水填充或黏土填充時(shí)表現(xiàn)為低阻，溶洞無填充時(shí)表現(xiàn)為高阻，灰?guī)r層為中高阻，含水砂礫石層為低阻，區(qū)內(nèi)不同地層與巖溶間存在較明顯的電性差異。溶洞位于地下水位以下，溶洞內(nèi)必然充填水。溶洞內(nèi)介質(zhì)為水，縱波波速1 200 m/s，密度1.0 g/m3。溶洞為黏土填充，則縱波波速1 100～1 300 m/s，密度1～2.2 g/m3，第四系縱波波速800～2 000 m/s，密度2.6 g/m3。

3工作方法原理

3.1淺層縱波反射

淺層地震反射波工作的前提是地下須存在波阻抗的差異界面[1-3]，該方法是在距震源較近的若干觀測點(diǎn)上測定地震波從震源到不同彈性的地層界面反射回到地面的旅行時(shí)間，測線不同位置法線反射時(shí)間的變化反映了地下地層的構(gòu)造形態(tài),從而達(dá)到劃分地質(zhì)層位或斷層、巖溶(采空區(qū))和坑道的目的。工作中采用的裝置道間距3 m，根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果采用不同的偏移距，本研究朱坑地區(qū)、南安測區(qū)分別為30，18 m，均為12道接收，3次覆蓋觀測系統(tǒng)，24磅大錘震源，疊加次數(shù)一般6次，采樣間隔0.125 ms，記錄長度512 ms，部分面波發(fā)育的松散地層增加了疊加次數(shù)。野外數(shù)據(jù)采集時(shí)開啟濾波，濾波檔為低切25 Hz，高切500 Hz。淺層地震工作觀測系統(tǒng)原理見圖1。

圖1　有偏移距多次覆蓋觀測系統(tǒng)

3.2高密度直流電法

高密度直流電法是一種以地下介質(zhì)導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)，通過觀測和研究與該類差異有關(guān)的人工電場分布規(guī)律，查明地下地質(zhì)構(gòu)造和尋找地下電性不均勻體(巖溶、風(fēng)化層、滑坡體等)的陣列式地球物理勘探方法。工作中采用的均為施倫貝爾裝置，點(diǎn)距6 m，60道測量，通過測繩和羅盤布設(shè)測點(diǎn)，紅布條和竹簽進(jìn)行定點(diǎn)標(biāo)識(shí)?？刂粕疃葦?shù)據(jù)16層(探測最大深度約60 m)。野外工作時(shí)1次布設(shè)60個(gè)電極，電極轉(zhuǎn)換開關(guān)按施倫貝爾方式進(jìn)行組合，控制儀器觀測每個(gè)數(shù)據(jù)的ΔU值、I值，經(jīng)自動(dòng)計(jì)算視電阻率，存儲(chǔ)于儀器內(nèi)。1個(gè)排列完成后，向前滾動(dòng)，重復(fù)上述測量，直至整個(gè)剖面測量完畢，將數(shù)據(jù)傳至計(jì)算機(jī)，使用專用軟件進(jìn)行資料處理和二維反演計(jì)算，根據(jù)視電阻率值繪制等值線擬斷面圖(色階圖)。高密度電法工作原理見圖2。

圖2　高密度電法工作原理

3.3彈性波跨孔CT測量

彈性波跨孔CT(井間)地震層析成像是一種利用地震波探測地下介質(zhì)地質(zhì)特征的高分辨率地震勘探技術(shù)。地震層析成像的主要目的是確定介質(zhì)內(nèi)部的精細(xì)結(jié)構(gòu)和局部不均勻性，可解決諸多地質(zhì)勘探和礦產(chǎn)資源開發(fā)中的難題。彈性波跨孔CT測量系統(tǒng)主要由儀器采集系統(tǒng)，接受系統(tǒng)和激發(fā)系統(tǒng)組成。在已知某種地震波旅行時(shí)間的情況下可通過地震層析成像技術(shù)反演求解地下介質(zhì)的速度場。地震波的旅行時(shí)間是對(duì)地下介質(zhì)慢度函數(shù)沿波的傳播射線路徑進(jìn)行線性積分，反演則是在已知地震波旅行時(shí)間矩陣的條件下反推出慢度函數(shù)?？缈讖椥圆–T成像工作原理見圖3，該觀測方法是一孔激發(fā)，另一孔12道接收，本研究根據(jù)孔深和探測任務(wù)將激發(fā)點(diǎn)距、接收道距均確定為1.0 m。

圖3　跨孔彈性波CT測量工作原理

4綜合物探法成果解譯

工作區(qū)地下溶洞(采空區(qū))主要依據(jù)反射波時(shí)間剖面的反射波組溶洞區(qū)異常特征以及高密度電法測深的視電阻率在溶洞區(qū)反映的異常特征進(jìn)行解譯推斷。物探解譯的巖溶發(fā)育區(qū)未必為單個(gè)溶洞(采空)區(qū)，可能為多個(gè)溶洞(采空)區(qū)以及因溶洞(采空)區(qū)引起的圍巖破碎帶、頂部基巖面坍塌等。

4.1朱坑地區(qū)巖溶勘查

3020#測線方位SW245°，全長714 m，168～180 m處為塌陷區(qū)。高密度視電阻率斷面圖(圖4)顯示，在180～204 m處見較明顯的低阻異常區(qū)，異常呈紡錘形向下延伸，而在168～180 m處出現(xiàn)了面積較大的塌陷，在樁號(hào)189 m處布設(shè)ZK04鉆孔，鉆探深度40 m，未見基巖，鉆探38.5 m后進(jìn)尺異常變快，3020#剖面視電阻率斷面圖(圖4)在樁號(hào)162、180～198 m處以及258、372、540 m處見5個(gè)低阻異常區(qū)。淺層地震測線長度609 m，在反射波同相軸上可見近地表砂礫巖層斷斷續(xù)續(xù)不連貫，部分區(qū)域錯(cuò)動(dòng)較大。反射波組在30～98 ms有較連續(xù)的同相軸，推測為灰?guī)r面的頂面反射所致，結(jié)合ZK03鉆孔數(shù)據(jù)反算覆蓋層的平均縱波速度約850 m/s，灰?guī)r面厚度13～50 m，在樁號(hào)168～234 m處，反射波組凌亂缺失，推測為巖溶塌陷所致，地表穩(wěn)定性差，為塌陷易發(fā)區(qū)域。結(jié)合高密度測量成果推測在樁號(hào)72、186、192、264、306、354、420、546、600 m處，深約33、49、42、37、33、35、39、52、35 m處存在巖溶(土洞)發(fā)育區(qū)。推測了2處塌陷易發(fā)區(qū)域，分別為樁號(hào)168～234 m地段和576～612 m地段。推測了2條構(gòu)造分別位于180、366 m處，傾向大號(hào)點(diǎn)方向(南西方向)。

圖4　3020#剖面高密度電法及淺層地震縱波反射測量成果解譯

3050#測線推測在樁號(hào)56、136、212、256、320、344、412 m處，深約32、66、64、59、65、 40、68 m處存在巖溶(土洞)發(fā)育區(qū)。推測了3個(gè)塌陷易發(fā)區(qū)域，分別為樁號(hào)180～216、248～264、312～396 m地段。推測了2條構(gòu)造分別位于208、392 m處，傾向大號(hào)點(diǎn)方向(南西方向)。具體推斷成果見圖5。

4.2彈性波跨孔CT測量

L03#剖面為ZK03、ZK06鉆孔間的測量剖面，中間地面為居民自建四層樓房，ZK06孔激發(fā)，ZK03孔接收。剖面上縱波速度分布較均勻，上部縱波波速一般1 500～3 000 m/s，反映剖面上部為土層(黏土、卵石、礫石、砂等)，底部為灰?guī)r的地質(zhì)特征。在剖面靠近ZK03孔一側(cè)下部-31～-35 m處高速區(qū)見閉合狀低速異常,推測為溶洞、巖石破碎的反映。在剖面靠近ZK06鉆孔一側(cè)下部-35.5 m處高速區(qū)見閉合狀低速異常,推測為溶洞,其右上部低速層說明該巖溶與上覆第四系連通,由于塌落形成了結(jié)構(gòu)松散的低速層。波速影像圖與鉆探成果完全吻合，說明彈性波跨孔CT測量在巖溶勘查方面具有良好的效果，具體解譯推斷成果見圖6。

4.3南安高速測區(qū)采礦坑道勘查

南安坑道綜合物探工作具體成果見表1。通過綜合物探工作推斷測區(qū)內(nèi)有3條主坑道，分別位于1#、2#洞口，工作區(qū)內(nèi)采礦坑道基本集中于工作區(qū)西南部。區(qū)內(nèi)布設(shè)的6個(gè)驗(yàn)證鉆孔中ZK01、ZK02、ZK04鉆孔見坑道，其余鉆孔受深度限制(設(shè)計(jì)鉆探深度35 m)未見坑道，但鉆探成果與物探推斷數(shù)據(jù)基本吻合。

南安工作區(qū)具有代表性的剖面為2100#剖面，該剖面方位351°，測線長222 m。高密度視電阻率斷面圖反演推斷地表為雜填土，淺部相對(duì)中高阻為砂礫巖，相對(duì)高阻為頁巖，中低阻為變余砂巖。淺震反射波20～ 30 ms間有較連續(xù)的同向軸，反射波組振幅較大，推測為基巖面所引起的反射縱波組，在測線CDP點(diǎn)68#～74#(樁號(hào)111～120 m)和CDP點(diǎn)26#～30#(樁號(hào)48～54 m)處見有異常區(qū)，異常區(qū)內(nèi)反射波組同向軸缺失，反射時(shí)間40 ms。2100#剖面推斷解譯成果見圖7。

在樁號(hào)114 m處布設(shè)驗(yàn)證鉆孔ZK02，在樁號(hào)51 m處布設(shè)驗(yàn)證鉆孔ZK04。ZK02孔鉆探表明，地表至-0.8 m為雜填土全風(fēng)化砂礫巖，-0.8～-15.8 m為全風(fēng)化頁巖，-15.8～-18.2 m為坑道被淤泥填充，-18.2 m以下為砂巖，鉆探數(shù)據(jù)與物探分析成果基本吻合。2個(gè)鉆孔的具體鉆探情況見圖8。

圖5　3050#剖面高密度電法及淺層地震多次疊加測量成果解譯

圖6　L03#剖面跨孔彈性波CT反演波速影像及綜合地質(zhì)解譯剖面

序號(hào)坑道位置測樁/m線號(hào)頂板埋深/m鉆孔備注1111～1171200#322150～154.51200#513114～1201400#4842491400#205186～1921500#52ZK056276～2821500#31ZK03778～811600#48ZK04見坑道8111～1141600#54978～902000#29ZK01見坑道10111～1202100#18ZK02見坑道1193～1022200#44ZK05與1500#線相交處12144～1502300#441354～602400#4214141～1482000#43ZK06

5結(jié)論

(1)淺層縱波反射坑道(溶洞)異常特征為基巖面反射同向軸振幅突然減弱甚至消失或出現(xiàn)雜亂現(xiàn)象，該類異常為基巖面附近存在溶洞的反映，基巖面反射同向軸下方出現(xiàn)繞射波、弧狀、雙曲線狀反射異現(xiàn)象、突然見能量較強(qiáng)的多次反射波或雜亂波形，該類異常為基巖內(nèi)部存在溶洞的反映。

圖7　2100#剖面綜合物探推斷解譯成果

圖8　南安采礦坑道勘查驗(yàn)證結(jié)果

(2)淺層縱波反射確定基巖面的主要依據(jù)是首層出現(xiàn)連續(xù)性較好、振幅較大的同向軸一致的反射波組，結(jié)合覆蓋層的波速、雙程旅行時(shí)間計(jì)算基巖面深度，利用鉆孔資料校正可較準(zhǔn)確地分析判斷基巖面的起伏特征。

(3)溶洞(采空區(qū))的判斷主要依據(jù)反射波組的缺失、繞射或出現(xiàn)反射波組雜亂等異常現(xiàn)象。溶洞(坑道)在高密度電法中的顯示特征：在有填充物的情況下通常為低阻異常區(qū)或低阻帶，無填充物反演后顯示為高阻體。

(4)高密度電法通過電性差異區(qū)分不同巖性，淺層縱波反射利用波阻抗的差異，結(jié)合物探異常所處的區(qū)域特征可對(duì)異常的可靠性進(jìn)行較準(zhǔn)確的判斷。彈性波跨孔CT測量能夠?qū)ζ拭孢M(jìn)行不間斷的測量，且能夠?qū)r溶(采空區(qū))的埋深和規(guī)模進(jìn)行定量反演計(jì)算，可更直觀地反映巖溶的具體賦存空間狀況。該3類物探方法的綜合使用，對(duì)于巖溶或采空區(qū)具有較好的勘查效果。

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(收稿日期2016-02-19)

Exploration of Karst and God Based on Comprehensive Geophysical Prospecting Method

Huang MingguangHu Longhua

(263 Brigade,Jiangxi Nuclear Industry Geological Bureau)

AbstractThe basical principle and working method of shallow longitudinal wave refection method, high density of direct current electric method and elastic wave cross hole CT measurements method are analyzed in detail. Based on the above analysis results,the above three methods are applied in Zhukeng area and Nanan high-speed measurement area, the prospecting achievements of the above three methods are studied in depth especially the representative of the typical sections,the karst cave (gob) corresponding to the characteristics of all kinds of anomalies are summarized by conducting drilling verification. The application results of the above three methods is discussed, the results show that the ideal prospecting effects can be obtained by the complication application of shallow longitudinal wave refection method, high density of direct current electric method and elastic wave cross hole CT measurements method.

KeywordsComprehensive geophysical prospecting method, Gob, Shallow longitudinal wave refection, High density of direct current electric method, Elastic wave cross hole CT measurements method

黃明光(1964—)，男，高級(jí)工程師，碩士，331307 江西省新干縣683信箱。

·實(shí)用技術(shù)·