高密度電法在耐火黏土采空區(qū)勘探中的應(yīng)用

史江濤

(山西工程技術(shù)學(xué)院 地質(zhì)與環(huán)境工程系,山西 陽泉 045000)

0 引言

近年來,黏土采空區(qū)塌陷誘發(fā)的工程質(zhì)量問題時有發(fā)生,造成了巨大的財產(chǎn)損失,危及生命安全。研究如何解決勘察采空區(qū)的問題,具有重大的意義。就目前的采空區(qū)探測技術(shù)而言,在發(fā)達國家以地球物理探測為主,國內(nèi)有關(guān)“高密度電法在采空區(qū)勘探應(yīng)用”已見于較多文獻報道,該項技術(shù)在采空區(qū)適用性比較強[1]。

本文以擬建的山西工程技術(shù)學(xué)院21#、22#兩棟公寓樓為例,其下部是耐火黏土采空區(qū),通過高密度電法勘探,并用RES2DINV反演軟件對數(shù)據(jù)進行處理,結(jié)合鉆孔資料,對數(shù)據(jù)進行解釋并勾劃出耐火黏土采空區(qū)的分布范圍[2],為下一步對采空區(qū)進行處置,保證擬建筑物的安全提供基礎(chǔ)性資料。同時,為使用高密度電法勘探的科研工作者在耐火黏土采空區(qū)的探測、解釋等方面提供思路。

1 測區(qū)及工程概況

陽泉位于山西東部,處于中緯地帶,四季分明,春秋短,夏冬長。夏季盛行東南風(fēng),春旱少雨;冬季盛行西北風(fēng),冬寒少雪,寒冷干燥。本區(qū)冬季溫差較大,季節(jié)變化較為明顯,具有典型的大陸季風(fēng)氣候特征。

擬建的山西工程技術(shù)學(xué)院21#、22#兩棟公寓樓,位于學(xué)院內(nèi)西北部,東南側(cè)是8#學(xué)生公寓樓,南側(cè)為學(xué)院路呂泉路;平頂層(3層)與南側(cè)地面平臺相連;西北側(cè)為梯田空地;南側(cè)為水塔公園,兩棟公寓樓呈東西向一字排列,占地面積6 510 m2,總建筑面積15 000 m2(其中學(xué)生公寓13 128 m2)。擬建場地具有“黃土梁”地貌單元特征,地形呈臺階狀,東高西低,地面標高介于744.77～751.61 m,物探測線場地整體呈東南高西北低的形態(tài),南側(cè)部分場地較為平整,整體而言,測區(qū)地表條件適宜開展物探工作。21#、22#公寓樓地貌衛(wèi)星影像圖見圖1.

圖1 擬建山西工程技術(shù)學(xué)院21#、22#公寓地貌衛(wèi)星影像圖Fig.1 Satellite image of No.21 apartment and No.22 apartments in Shanxi Institute of Engineering and Technology

2 測區(qū)地層及地球物理特征

2.1 地層巖性

依據(jù)《山西工程技術(shù)學(xué)院學(xué)生公寓樓巖土工程勘察報告》和已有相關(guān)地質(zhì)資料,劃分該場地地層由上至下分為10層,見表1.

表1 山西工程技術(shù)學(xué)院地層巖性特征Table 1 Characteristics of stratum lithology of Shanxi Institute of Engineering and Technology

根據(jù)巖土勘察報告可知,ZK5鉆孔在距地表23.3～25.4 m位置發(fā)現(xiàn)為空洞,ZK4鉆孔和ZK8鉆孔分別在距地表24.0 m和25.3～27.0 m漏漿。另根據(jù)2004年《陽泉大學(xué)建設(shè)用地地質(zhì)災(zāi)害勘察報告》資料顯示,擬建公寓樓場地位于采空區(qū)區(qū)域,結(jié)合現(xiàn)場鉆探漏漿及出現(xiàn)空洞現(xiàn)象,判定該場地局部存在采空區(qū)。

2.2 地球物理條件

電法勘探是以目標地層與各圍巖層的物理性質(zhì)差異為基礎(chǔ)及解釋依據(jù),根據(jù)地層一般物理性質(zhì)特征,當?shù)貙油暾麜r,巖層視電阻率呈現(xiàn)均勻而連續(xù)的特征。當?shù)貙哟嬖诓煽諘r,測線下方相應(yīng)空間部位會形成電性異常,其特征是:有填充的采空區(qū)域形成相對中低阻異常,而沒有填充的采空區(qū)域會形成相對高阻異常。場地第四系堆積物與下覆基巖存在明顯的波阻抗及電阻率差異,為開展高密度電法勘探提供了前提條件[3]。本區(qū)物探工作勘查對象為耐火黏土采空區(qū),根據(jù)工勘資料顯示耐火黏土埋深在18～28 m.

3 工作原理及布置

3.1 工作原理

高密度電法勘探,其實質(zhì)是直流電阻率測深剖面綜合測量。將所有電極沿測線方向等間距布置好,由主機控制多路電極轉(zhuǎn)換器。工作時,隨著供電電極距AB逐漸加大,電流場作用的范圍加深,因此,所測得相應(yīng)視電阻率值的變化就反映了該點下方沿垂直方向上的電性變化情況。對于不同地質(zhì)體,電流場分布會呈現(xiàn)不同,因此,在一定條件下,視電阻率的變化,能反映地層巖性和結(jié)構(gòu)的變化[4]。

3.2 工作裝置、儀器及參數(shù)

此次測量采用的是重慶精凡生產(chǎn)的EDGMD-1高密度電阻率測量系統(tǒng),詳見表2.

表2 高密度測量系統(tǒng)儀器參數(shù)Table 2 Parameters of the instrument with high density measurement system

根據(jù)目的、任務(wù)及地形的特殊性,勘探線布置盡量考慮縱向、橫向布置測線,盡量不漏掉各個方向的采空及巷道,盡量與工勘剖面重合布置。因此,從實際工作條件出發(fā),布設(shè)了8組勘探線,1—5組勘探線,由南向北從小到大編設(shè),線距20～50 m,每條測線長度180 m,測點編號由西向東從小到大編設(shè),點距為3 m;6—8組測線由西向東編設(shè),線距20～30 m,每條測線長度180 m,測點編號由南向北從小到大編設(shè),見圖2.

圖2 勘探線布置示意圖Fig.2 Layout of the exploration lines

4 資料處理和分析解釋

4.1 資料處理

本次采用RES2DINV高密度電阻率數(shù)據(jù)二維反演軟件對數(shù)據(jù)進行處理,經(jīng)過地形改正、突變點剔除、平滑處理和反演等步驟,完成資料處理[5]。

4.2 分析解釋

探測資料的分析解釋,是以各測線的視電阻率擬斷面圖為基礎(chǔ),同時考慮了實際地質(zhì)情況及各種干擾因素進行綜合分析解釋[6]。

G1測線的剖面位于測區(qū)南部,見圖3,東西走向,表層出露素填土及粉質(zhì)黏土。視電阻率擬斷面圖的緩慢起伏變化,反映了基巖的起伏變化。從圖中可以看出,測線正下方基巖電性分布均勻,反應(yīng)下伏基巖層狀分布均勻,無特殊地質(zhì)構(gòu)造及采空擾動。

圖3 G1測線視電阻率擬斷面圖Fig.3 Apparent resistivity pseudo-section of line G1

G2測線的剖面位于測區(qū)中南部,見圖4,東西走向,表層出露素填土及粉質(zhì)黏土。在樁號110～120 m,埋深28 m左右,有一高阻閉合圈,且上覆為低阻的風(fēng)化程度較高的砂巖、泥巖。結(jié)合ZK8鉆孔在此位置漏漿,推斷此處為耐火黏土采空異常。

圖4 G2測線視電阻率擬斷面圖Fig.4 Apparent resistivity pseudo-section of line G2

G3測線的剖面位于測區(qū)中部,見圖5,東西走向,在樁號50～60 m,埋深28 m左右,有一高阻閉合圈;樁號132～141 m,埋深28 m左右,有一高阻閉合圈;在樁號147～165 m,埋深18 m左右,有一高阻閉合圈。結(jié)合巖土工程勘察報告,推斷此處為耐火黏土采空異常。

圖5 G3測線視電阻率擬斷面圖Fig.5 Apparent resistivity pseudo-section of line G3

G4測線的剖面位于測區(qū)中部,見圖6,東西走向,分析采空區(qū)測線視電阻率擬斷面圖特征,在樁號110～120 m,埋深20 m左右,有一高阻閉合圈,且上覆為低阻的風(fēng)化程度較高的砂巖、泥巖。推斷此處為耐火黏土采空異常。

圖6 G4測線視電阻率擬斷面圖Fig.6 Apparent resistivity pseudo-section of line G4

G5測線的剖面位于測區(qū)北部,見圖7,東西走向,在樁號118～124 m,埋深28 m左右,有一高阻閉合圈。結(jié)合鉆孔資料,推斷此處為耐火黏土采空異常。

圖7 G5測線視電阻率擬斷面圖Fig.7 Apparent resistivity pseudo-section of line G5

G6測線的剖面位于測區(qū)中東部,見圖8,南北走向,過鉆孔ZK5和ZK10鉆孔,根據(jù)鉆孔資料,ZK5鉆孔深度在23.3～25.4 m揭露空洞,異常樁號81～84 m.結(jié)合高密度電阻率擬斷面圖可知采空空洞為高阻閉合圈的特征;在樁號93～110 m,是一高阻閉合圈,推斷此處為耐火黏土采空異常。

圖8 G6測線視電阻率擬斷面圖Fig.8 Apparent resistivity pseudo-section of line G6

G7測線的剖面位于測區(qū)東部,見圖9,南北走向,樁號在89～100 m,埋深22 m左右,有一高阻閉合圈。與ZK4鉆孔揭露采空區(qū)位置一致,推斷為耐火黏土采空異常。

圖9 G7測線視電阻率擬斷面圖Fig.9 Apparent resistivity pseudo-section of line G7

G8測線的剖面位于測區(qū)東部,見圖10,南北走向,樁號在45～54 m,72～81 m處,埋深20 m左右,有高阻閉合圈。結(jié)合巖土工程勘察資料,推斷為耐火黏土采空異常。

圖10 G8測線視電阻率擬斷面圖Fig.10 Apparent resistivity pseudo-section of line G8

4.3 綜合分析

綜合各測線異常特征,將每條測線異常位置統(tǒng)計匯總,見表3.

表3 高密度電法耐火黏土采空(破壞)異常位置匯總表Table 3 Summary of abnormal location of gob (failure) of high density electrical refractory clay

相同標高相鄰測線的異常區(qū)劃定為一個區(qū)域[7],見圖11.在平面圖上將相鄰區(qū)域連接,形成分析平面圖,根據(jù)高密度電法勘測共發(fā)現(xiàn)一層采空(破壞)區(qū),耐火黏土采空(破壞)區(qū)異常深度在18～28 m,異常面積約2 072 m2.

圖11 高密度電法推斷耐火黏土采空區(qū)分析平面圖Fig.11 Analysis plan of the goaf of refractory clay inferred by high density electrical method

5 結(jié)語

1)擬建山西工程技術(shù)學(xué)院21#、22#公寓,采用了高密度電法的物探手段,經(jīng)過數(shù)據(jù)采集、處理、分析、解釋,并結(jié)合收集的地質(zhì)和鉆孔資料,分析得出測區(qū)深度范圍內(nèi)有耐火黏土采空區(qū)的存在,并圈定了范圍。耐火黏土采空區(qū)異常主要分布在擬建21#宿舍樓的中部、北部及擬建22#宿舍樓的東北及東南角。

2)高密度電法勘探具有探測速度快、精度高、成本低的優(yōu)點,是值得在類似耐火黏土勘探中廣泛使用的一種方法[8]。

3)高密度電法勘探有其局限性,由于存在體積效應(yīng),推斷的采空位置、深度與實際可能存在偏差,使用時應(yīng)予以注意[9]。

綜上所述,在耐火黏土采空區(qū)勘探時,應(yīng)先根據(jù)高密度電法勘探測線視電阻率擬斷面圖,結(jié)合已有鉆探資料,推測出采空區(qū)分析平面圖,清楚采空區(qū)的范圍及深度,為下一步的治理提供基礎(chǔ)。