城市建設(shè)中瞬變電磁法對老窯采空區(qū)的探測

李開朗

(河南省煤田地質(zhì)局物探測量隊,鄭州 450009)

國土資源部在2017年09月07日印發(fā)《關(guān)于加強城市地質(zhì)工作的指導(dǎo)意見》,明確提出要統(tǒng)籌城市地上地下建設(shè),并指出“……分類推進城市地質(zhì)調(diào)查,綜合評價資源環(huán)境承載能力和空間開發(fā)適宜性”。對城市廢棄的工礦區(qū)土地的再次開發(fā)利用,不僅可以緩解城市土地緊張狀況,更是改善城市生態(tài)環(huán)境的良方秘藥[1]。針對此類土地的具體特征,通過物探的方法來調(diào)查地下地質(zhì)條件、采空區(qū)面積等問題,為下一步巖土工程勘察及綜合治理提供可靠依據(jù)。為此,作者在本文中詳細介紹了瞬變電磁法(TEM)在城市內(nèi)施工的具體工作流程及注意事項,并對探測采空區(qū)實例進行了分析。

1 方法簡介

1.1 采空區(qū)物理特征

地下礦產(chǎn)在開采后留下采空區(qū),在重力的作用下,采空區(qū)上方巖層失去支撐產(chǎn)生不同程度的破壞和位移。廢棄老窯的采空區(qū)的空隙隨著時間增加慢慢被水或泥質(zhì)流體填充,導(dǎo)致其電阻率值明顯低于其周圍圍巖,在反演的電阻率剖面上表現(xiàn)為明顯的低阻異常區(qū)域[2-3]。

1.2 TEM勘探原理

瞬變電磁法的物理基礎(chǔ)是電磁感應(yīng)原理。在大地上鋪設(shè)輸入階躍電流的回線,向地下發(fā)送一次脈沖磁場的間歇期間,觀測由地下地質(zhì)體受激勵引起的渦流產(chǎn)生的隨時間變化的感應(yīng)二次場。根據(jù)二次場衰減曲線的特征,就可以判斷地下地質(zhì)體的電性、性質(zhì)、規(guī)模和產(chǎn)狀等,由于瞬變電磁法儀器接收的信號是二次渦流場的電動勢(二次電位),對二次電位進行歸一化的處理,根據(jù)歸一化后二次電位值的變化,間接解決如陷落柱、采空區(qū)、斷層等地質(zhì)問題[4-5]。

2 解決難點

對于在城市使用加拿大鳳凰公司生產(chǎn)的V8儀器進行TEM施工過程中遇到的問題,作者的解決方案如下。

2.1 外框的布設(shè)問題

瞬變電磁利用鋪設(shè)的外框進行一次場的發(fā)射。一般來說,對于固定噪音水平的儀器,當(dāng)發(fā)射框的大小和電流決定后,其最晚可測的時間也可以確定下來,即選取合適的外框長度能保證和地下地質(zhì)體有效耦合。但在城市進行TEM施工中,考慮到大型建筑物的影響,往往難以按照預(yù)期的最佳外框進行鋪設(shè)。通過在谷歌地圖上對勘探區(qū)障礙物的判別,往往選取道路作為外框的鋪設(shè)選擇。而對于不同長度外框測量出來的結(jié)果,使用軟件TEM Pro進行歸一化,便于后續(xù)資料的反演。

2.2 電磁干擾的問題

城市人文干擾對感應(yīng)類電磁法造成嚴(yán)重影響。通過等間距密集的方式,在發(fā)射框不發(fā)射情況下,儀器空采獲取本地區(qū)噪聲水平。研究分析噪聲的時間-振幅曲線及分布范圍,確定干擾源。儀器上通過工頻干擾濾波器進行壓制;具體施工中通過提高電流、增加疊加次數(shù)、增加觀測次數(shù)。施工中也發(fā)現(xiàn)清晨所采的數(shù)據(jù)質(zhì)量明顯更好一些,即可以調(diào)整觀測時間,避開用電高峰期[6]。

3 實例應(yīng)用

勘探位置在新密城區(qū),有煤礦開采歷史,所采煤層主要為石炭系太原組煤層,埋深情況不明,但是也不排除多層采煤。本次主要任務(wù)是查清采空區(qū)范圍及深度。根據(jù)現(xiàn)場實際情況,沿道路布設(shè)了400 m×400 m及470 m×470 m的兩個外框,覆蓋整個測區(qū)。

圖1為該區(qū)1000線電阻率反演斷面圖,該測線位于勘探區(qū)最西部,南北向布設(shè),縱軸為海拔高程,紅色細虛線為地表高程線,圖中顏色由藍色到紅色表示電阻率值由低到高的變化。結(jié)合已知資料,近地表因瞬變電磁法存在一定盲區(qū),未能在圖中顯示出來。圖中由下往上,測線控制范圍內(nèi)高阻區(qū)層位單一、穩(wěn)定;中阻區(qū)下部層位穩(wěn)定;中阻區(qū)上部紅色粗虛線標(biāo)注的明顯低阻異常,結(jié)合已知資料,推測為采空影響區(qū)。經(jīng)鉆探驗證,推斷解釋的地層與鉆探結(jié)果基本一致,達到本次勘探目的,為下一步治理工作提供可靠依據(jù)。

圖1 1000線電阻率反演斷面圖 Fig.1 Resistivity inversion section of line 1000

4 結(jié)束語

城市土地資源的稀缺使老舊礦區(qū)廢棄土地重新引起社會的重視。通過參與到廢棄工礦土地再利用項目,物探工作能圓滿完成勘察的任務(wù),取得良好的效果。