地震波CT法和瞬變電磁法在采空區(qū)探測中的對比分析

劉濟(jì)南

（山東省地質(zhì)測繪院，山東 濟(jì)南 250002）

1 概述

探測場地地下煤層分布廣泛,瓷土礦開采嚴(yán)重，煤礦開采歷史悠久，村辦煤礦和市煤礦分別在該區(qū)地下進(jìn)行過煤礦開采，村辦煤礦主要開采淺部煤層，且淺部煤層基本都已普采，開采深度大約在100m范圍以內(nèi)，煤層厚度均小于1m，停采時間最晚約為2000年左右；分析本地塊的礦產(chǎn)開采情況，確認(rèn)本次物探探測范圍內(nèi)主要為瓷土礦的采空區(qū)，深度小于70m。為了提高野外采取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，本區(qū)采用地震波CT法和瞬變電磁兩種探測方法相結(jié)合的方式進(jìn)行探測工作。

2 區(qū)域地質(zhì)概況

工作區(qū)區(qū)域?qū)偃A北地層大區(qū)之魯西地層分區(qū)，本區(qū)大部分出露第四系、古生界二疊系山西組和石盒子組、三疊系孫家溝組地層，地層由西至東有由新逐漸變老的規(guī)律，各地層由老至新分別為：山西組上段（PySu）、石盒子組萬山段（PSw）、石盒子組奎山段（PSk）、石盒子組孝婦河段（PSx）、孫家溝組（TsS）、大站組（QD）、臨沂組（QL）、沂河組（QY）。工作區(qū)區(qū)域上位于魯中隆塊泰山－沂山隆起區(qū)，構(gòu)造位置上處于沂沐斷裂帶西側(cè)的魯西隆起與魯西北坳陷過渡區(qū)，其東南部山區(qū)明顯抬升，區(qū)內(nèi)褶皺均向北傾伏，具體到本工作區(qū)，區(qū)西部有隱伏的北北東向或近南北向構(gòu)造。工作區(qū)內(nèi)并無構(gòu)造穿過，巖漿巖不發(fā)育。

3 工作區(qū)地球物體特征

3.1 瞬變電磁地球物理特征

據(jù)以往工作經(jīng)驗(yàn)及其他類似工作區(qū)資料處理解釋情況可知：一般情況下，地下空洞塌陷區(qū)、破碎帶電阻率值呈高阻，當(dāng)被地下水全充填時電阻率值呈低阻。根據(jù)所收集到的地質(zhì)資料和該地塊的鉆孔資料可知，本地區(qū)內(nèi)地下采空區(qū)屬于塌陷、半充水區(qū)，電阻率值表現(xiàn)為高阻特征。采空區(qū)與圍巖有較明顯的電性差異，這一特征是本次TEM工作的地球物理前提。

3.2 地震波CT地球物理特征

根據(jù)以往工作經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合該地區(qū)地震波CT的巖層物性參數(shù)表（附表1）分析得出，該區(qū)地層地震波縱波速度值差異明顯，砂巖波速值較大，泥巖和采空破碎區(qū)波速值較小。采空破碎區(qū)的波速值低于圍巖的波速值，存在地震波CT法勘查的物性前提。

表1 巖層物性參數(shù)表

4 工作區(qū)地球物體特征

4.1 瞬變電磁野外工作布置

根據(jù)實(shí)際地形情況、工作需要和試性探測的結(jié)果，本次TEM裝置采用大定源裝置，發(fā)射線框?yàn)?30m*100m，接收回線邊長為70cm的多匝線圈，有效面積為16m2。發(fā)射信號為階躍正反方波，供電脈沖為10ms，供電電流14A左右，疊加次數(shù)為16次。每個物理點(diǎn)重復(fù)測量3次，所得數(shù)據(jù)取平均值。

共布設(shè)測線5條，測線間距約15m，點(diǎn)距5m，由于地形條件限制，每條測線長度不同，測線總長度約500米，測點(diǎn)共約100個。

4.2 地震波CT工作布置

本次地震波CT工作在孔YZ5和孔3、孔YZ6和孔16、孔YZ7和孔3、孔YZ7和孔11間進(jìn)行布置，共進(jìn)行地震波CT測試4孔對，在工作過程中采用單點(diǎn)激發(fā)多點(diǎn)接收的工作模式。

5 資料處理與解釋

5.1 地震波CT的資料解釋與推斷

充分利用收集到的地質(zhì)資料和現(xiàn)場采集的地震波CT資料，在地球物理特征和試驗(yàn)成果的基礎(chǔ)上進(jìn)行資料的解釋,表現(xiàn)在成果圖上有如下特征:礦層采空后,上覆地層中裂隙廣為發(fā)育,地層變得松散失水,甚至坍塌,地層的縱波速度值會明顯變小，低于圍巖波速值。

綜合分析四條地震波CT剖面，發(fā)現(xiàn)在深度在35～48m之間，四條剖面均存在縱波波速值較低異常區(qū)?，F(xiàn)以YZ7-3剖面為例進(jìn)行解釋，該剖面位于鉆孔YZ7與鉆孔3之間，由圖1可以看出，整條剖面波速值變化較明顯，局部存在波速等值線變化異常區(qū)，推斷解釋為采空影響區(qū)或巖石破碎區(qū)域。根據(jù)鉆探揭露，鉆孔YZ7在深度44.5 -48.1 m處為空洞，由于空洞周圍地層破碎坍塌，在后期進(jìn)行地震波CT勘查時探管僅下至42m，空洞位置沒有探測到。由圖1可以看出，YZ7-3剖面在水平位置32～42m、深度39～45m處存在縱波波速值較低區(qū)域，推測為巖石破碎區(qū)域。剖面在水平位置0～3m、頂板40.5 m處存在縱波波速值較低區(qū)域，推測為采空影響區(qū)。

圖1 地震波CT法采空區(qū)推斷成果圖

綜合分析四條地震波CT剖面，推測在擬建14#、15#樓的東側(cè)存在采空區(qū)，其分布區(qū)域推測深度在35～48m之間，中間深，向南北兩側(cè)變淺。

5.2 瞬變電磁的資料處理與解釋

資料解釋工作中充分利用現(xiàn)有的地質(zhì)資料，并注意野外實(shí)地調(diào)查，及時分析已知資料，統(tǒng)計(jì)各電性參數(shù)，研究電阻率與電性層的對映關(guān)系。分析已知地質(zhì)資料與TEM資料的對應(yīng)關(guān)系，總結(jié)出本區(qū)總的解釋原則，圈定出高阻異常區(qū)。現(xiàn)以三條剖面為例進(jìn)行解析：

L1剖面：如圖2為場地東側(cè)溝底L1測線的視電阻率斷面圖，橫軸為點(diǎn)號，縱軸為視深度（單位米）。方向?yàn)槟媳毕?，點(diǎn)距5m。由圖看出，該斷面呈淺部低阻深部高阻的形態(tài)，異常1橫貫整條斷面、視深度50m左右，呈近條帶狀的高阻異常反應(yīng)，異常2在40-60m之間、視深度約80m左右，呈高阻異常反應(yīng)，根據(jù)L1測線附近的鉆孔YZ6、YZ2、YZ5資料，可以判定出該斷面中間部分的條帶狀異常為深度40m左右的采空空洞反應(yīng)，由于異常2也表現(xiàn)為高阻異常反應(yīng)，且與異常1的視電阻率的阻值大小相近，故推測異常2是采空的反應(yīng)。

L2剖面：圖2為場地東側(cè)溝底L2測線的視電阻率斷面圖，橫軸為點(diǎn)號，縱軸為視深度（單位米）。方向?yàn)槟媳毕?，點(diǎn)距5m。由圖看出，該斷面呈淺部低阻深部高阻的形態(tài)，整條斷面上視深度50m以下等值線變化密集，呈現(xiàn)高阻異常的反應(yīng)，根據(jù)L2測線上的鉆孔YZ6、YZ2、YZ5資料，可以判定出該斷面視深度50m以下的高阻異常為采空區(qū)的反應(yīng)。

綜合分析五條TEM剖面，結(jié)合鉆孔資料和地震CT探測結(jié)果，認(rèn)為在擬建14#、15#樓的東側(cè)存在采空區(qū)，其分布區(qū)域推測如圖2所示。

6 結(jié)論與建議

6.1 結(jié)論

6.1.1 對比分析地震波CT推測范圍（圖2）和瞬變電磁推測范圍（圖2），兩種物探方法圈定的采空范圍、深度基本一致，反演結(jié)果與鉆孔YZ7、YZ5、YZ6、YZ2的鉆探資料一致。推測采空區(qū)分布于擬建14#、15#樓的東側(cè)，深度在35m-50m之間。

圖2 瞬變電磁推測采空平面圖

6.1.2 在無明顯物性差異的前提下，瞬變電磁對淺層充水的低阻反映不靈敏，能分辨低阻巖體中的高阻采空異常；地震波CT法，探測精度較高，但工作方法受限，工作效率低。在采空區(qū)實(shí)際探測中,應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況,合理選用多種物探方法相互驗(yàn)證，才能有效提高勘查成果準(zhǔn)確性和可靠性。

6.2 建議

6.2.1 下一步的工程勘察和工程設(shè)計(jì)工作，對東側(cè)采空區(qū)應(yīng)引起重視，采取灌注漿或防滑樁等支護(hù)措施，保障建筑安全。

6.2.2 如支護(hù)措施完工后，為驗(yàn)證支護(hù)效果，可進(jìn)一步采用地震CT法等方法探查施工前后的變化。