郝喆,李喜林,王來貴

(1.遼寧有色勘察研究院，沈陽 110013；2.遼寧工程技術大學力學與工程學院，阜新 123000)

綜合物探技術在鐵路采空區(qū)探測中的應用

郝喆1,李喜林2,王來貴2

(1.遼寧有色勘察研究院，沈陽 110013；2.遼寧工程技術大學力學與工程學院，阜新 123000)

采空區(qū)探測是其評價、治理和質量監(jiān)控的基礎。隨著采空區(qū)探測精度要求的不斷提高、問題的復雜性和難度加大，單一物探方法已難以滿足新形勢的要求，根據(jù)地質體的密度、電性、彈性等多種物性，對采空區(qū)進行綜合探測，是采空區(qū)探測技術發(fā)展的必然要求。本文以包神鐵路下伏采空區(qū)探測工程為例，開展綜合物探技術在采空區(qū)探測中的應用研究：對采空區(qū)探測方法進行綜述；闡釋綜合物探方法的選擇原則；在瞬變電磁法初步探測基礎上，確定采用反射波法、共偏移距地震法、人工源面波法和天然源面波法相結合的綜合探測方法，開展現(xiàn)場采空區(qū)探測；通過物探解譯，給出采空區(qū)空間分布規(guī)律；通過鉆孔驗證和局部開挖，剖析綜合物探方法的可靠性和準確性。

綜合物探；采空區(qū)；反射波法；共偏移距法；人工源面波法；天然源面波法

2.College of Mechanics and Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000,China)

1 引言

采空區(qū)是礦產(chǎn)資源開采后的地下空間及其圍巖失穩(wěn)而產(chǎn)生位移、開裂、破碎垮落，直到上覆巖層整體下沉、彎曲所引起的地表變形和破壞的地區(qū)或范圍[1]。采空區(qū)大小不一、形態(tài)各異、層位復雜，特別是一些老空區(qū)，由于資料不全、丟失或不足，無法確定位置和邊界，給工程建設帶來了極大安全隱患[2]。目前采空區(qū)問題研究主要集中在4個方向：采空區(qū)探測技術、穩(wěn)定性評價技術、治理技術和質量監(jiān)控技術[3]。探測技術是穩(wěn)定性評價技術、治理技術和質量監(jiān)控技術的基礎，而物探方法作為經(jīng)濟快捷有效的探測手段，在采空區(qū)探測中日益得到應用和推廣。

隨著采空區(qū)探測研究的不斷深入，精度要求不斷提高，問題復雜性和難度不斷加大，單一物探方法已不能滿足新形勢的要求[4]，盡管有的方法優(yōu)點明顯，但單一方法往往對地質異常體很難定性，因此多種方法相結合的綜合物探技術成為采空區(qū)探測的客觀要求。綜合物探法根據(jù)地質體的密度、電性、彈性等多種物性對采空區(qū)進行多角度全方位探測，通過各種方法相互印證，具有全面、可靠、快速、信息豐富等特點。

本文以神華包神鐵路下伏采空區(qū)探測工程為依托，在前期瞬變電磁法初步探測的基礎上，綜合應用4種物探方法開展詳細探測，為采空區(qū)綜合物探工作提供原則、思路、方法和依據(jù)，建立起適合鐵路采空區(qū)的探測技術和穩(wěn)定性評價技術。通過剖析現(xiàn)場鐵路下伏煤層采空區(qū)的分布特征、發(fā)展過程與規(guī)律，對減少礦山災害的發(fā)生、保護生存環(huán)境具有重要現(xiàn)實意義。

2 工程概況

神華包神鐵路為內蒙古包頭至陜西神木縣大柳塔，運營里程172 km，正線延展長度263.789 km。鐵路沿線地形總體地貌特征為低山丘陵區(qū)。海拔標高在1 401.8～1 325.0 m，相對高差76.8 m。地形切割較為劇烈，溝谷極為發(fā)育，基巖裸露，植被稀疏[3]。

包神鐵路是內蒙及陜西優(yōu)質煤炭的運輸線，按國家I級專用鐵路設計，原設計年輸送能力1 000×104t。沿線廣泛分布有正在開采和已廢棄的煤窯、古煤窯、小窯采空區(qū)等，引起地表多處變形和采空區(qū)塌陷，影響鐵路路基穩(wěn)定，危害人民生命財產(chǎn)安全，引發(fā)后果嚴重。

為探明包神鐵路沿線采空區(qū)的分布狀態(tài)，2011年首先對沿線采空區(qū)開展瞬變電磁法物探調查，圈定采空異常地段56處，有的采空區(qū)跨過鐵路，有的采空區(qū)在鐵路一側。以C12地段采空區(qū)為例，瞬變電磁法解譯表明：C12采空區(qū)位于鐵路K 75+100～K 75+600，屬于包神鐵路北段，開采煤層為4#煤層，采深在30～40 m之間，煤厚在2～4 m。本文在瞬變電磁法初步探測技術上，側重以C12為研究對象，開展4種方法相結合的綜合物探和鉆孔驗證工作，總結該區(qū)段鐵路路基下伏煤層采空區(qū)的分布特征，為進一步的治理工程設計和施工提供可靠依據(jù)，確保鐵路運輸安全。

3 物探方法確定

3.1 采空區(qū)物探技術綜述

國內外對采空區(qū)的探測，目前主要以采礦情況調查、工程鉆探、物探為主，輔以變形觀測、水文試驗等。美國等西方發(fā)達國家以物探為主，而我國迄今仍以鉆探為主，物探為輔[5]。

美國的采空區(qū)探測技術全面，電法、電磁法、微重力法、地震法等都有很高的水平，其中高密度電阻率法、高分辨率地震勘探技術尤為突出，且近年來在地震CT技術方面也發(fā)展迅速。日本應用最廣泛的是地震波法，此外，電法、電磁法及地球物理測井等方法也應用得比較多，特別是日本VIC公司20世紀80年代開發(fā)研制的GR-810型佐藤式全自動地下勘察機，在采空區(qū)、巖溶等空洞探測中效果良好，后續(xù)推出的一系列產(chǎn)品都處于國際領先水平[6]。歐洲各國工程物探技術也較全面，在采空區(qū)探測上，俄羅斯多采用電法、瞬變電磁法、地震反射波法、井間電磁波透射、射氣測量技術等，英、法等國家以地質雷達方法應用較好，微重力法、淺層地震法也有使用[7]。

在國內，采空區(qū)探測問題近年來引起了地球物理學者的關注。煤炭科學研究院用高密度電法對石-太高速公路1、3號礬土礦采空區(qū)進行探測，表明對于探測地下采空區(qū)及孤立地質體，能得到較為清晰的二維圖像；山西電力勘察設計院用甚低頻電磁法對陽城電廠下鐵礦采空區(qū)進行探測，證明該法對地下采空區(qū)探測的有效性；河北建筑科技學院和煤炭科學總院用地質雷達對大柳塔煤礦采空區(qū)導水裂隙帶進行探測，確定了工作面采空區(qū)上方導水裂隙帶具體位置，用電磁波CT成像法確定出邵武煤礦采空區(qū)的垮落帶及裂隙帶位置與高度，用甚低頻電磁法對興隆莊煤礦進行探測，得到了地層及垮落帶分布情況等資料；成都勘測設計研究院采用甚低頻電磁法對云南石林的地下溶洞與暗河進行了探測；穆滿根、石曉紅[8]用氡射氣法對陽泉城關鎮(zhèn)一號煤礦采空巷道進行探測，有效確定采空巷道位置；河北煤炭科學研究院運用淺層地震法對邢臺邱縣西龐村煤礦采空區(qū)進行探測，對于淺部煤礦采空區(qū)探測效果良好；交通部第一勘察設計院在太-舊高速公路沿途煤礦、鐵礦及礬土礦采空區(qū)的勘探中，運用高密度電法、瞬變電磁法、地震層析法、面波法、微重力法、氛射氣法等進行了探測，得到了許多有意義的成果[9]。以上所列的工程實例表明，工程物探越來越成為我國探明地下采空區(qū)的一項重要有力的勘探手段。

3.2 綜合物探方法選擇原則

瞬變電磁法是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間利用線圈或接地電極觀測地下介質中引起的二次感應渦流場，探測介質電阻率的一種方法[10]。瞬變電磁法裝置簡單、探測方便、施工效率高、造價低，適于用作采空區(qū)的初步探測和范圍圈定。

在瞬變電磁初步探測基礎上，探索采空區(qū)詳細圈定的綜合物探方法，確定其選擇原則如下：

(1) 應以技術先進、快速、高效、低成本為特點，首先考慮基于復雜地質背景條件和地震地質條件的綜合彈性波勘探技術，實施鐵路沿線采空區(qū)的探測。首選的詳細探查方法應為地震勘探，通過觀測和研究激發(fā)的彈性波在巖石中的傳播規(guī)律，來解決工程及環(huán)境地質問題的地球物理方法。

(2) 綜合地震勘探方法探測同一地質目的物，應以各種方法的地球物理前提，提取識別探測目的物的地震波場特征，相互印證，取長補短，提高物探解釋的準確性和可靠性。

(3) 地震勘探空間采樣需考慮兩個問題：一是觀測系統(tǒng)必須能正確處理接收信號，即獲得足夠的分辨率和振幅保真度；二是必須能有效壓制各種可能出現(xiàn)的噪聲，即以最佳的方式記錄信號和盡可能地壓制噪聲。

(4) 為提高勘探的分辨率和保真度，應采用加密地震數(shù)據(jù)采集的空間采樣密度，并減小野外激發(fā)和接收組合來實現(xiàn)；采用單點激發(fā)、單點接收、避免組合時差對高頻的影響，從而提高分辨率；提高所獲得有效信號的頻率和頻帶，可通過裝備的改進、方法的改變和參數(shù)的選擇，實現(xiàn)有效信號最大頻率的獲得；應對低視速度的各類異常有效波(回轉波、繞射波、線性噪聲等)能充分采樣。

(5) 地震勘探空間采樣技術力爭實現(xiàn)信號單點接收，而不進行組合接收。數(shù)字檢波器因具有振幅呈線性響應、動態(tài)范圍大、低畸變、抗電磁干擾等優(yōu)點，而適宜于高密度地震勘探。

3.3 綜合物探方法確定

基于上述原則，包神鐵路采空區(qū)探測被確定為4種方法相結合的綜合物探技術，分別為：反射波法、共偏移距法、人工源面波法和天然源面波法，各自特點闡述如下。

3.3.1 反射波法探測

由于煤層具有低速、低密度的物理性質，反射波法地震勘探成為采空區(qū)詳細探測行之有效的方法之一。但由于煤層被采空后，采層巖土力學差異、時間差異、開采方式差異，賦存狀況復雜，并非簡單的形成一個所謂“空洞”。在地震反射時間剖面上呈反射波同相軸減弱、頻率低、不連續(xù)，甚至缺失。由于淺層反射波不易得到，所以反射波法在探測煤層采空區(qū)中也存在某種局限性。

3.3.2 共偏移距法探測

共偏移地震法利用多道接收不同偏移距的處理，得到不同偏移距多種地震波的時間剖面。根據(jù)時間剖面上各種地震波的發(fā)育和特征，可以解釋、確定淺(或深)部地層的賦存形態(tài)、構造發(fā)育、物理狀態(tài)等地質信息和現(xiàn)象。多道共偏移法依據(jù)不同地震波(面波、聲波、直達波、折射波、反射波等)各自具有相應“最佳接收窗口”的思路，接收采集最近至最遠道不同偏移距的地震波數(shù)據(jù)信息，通過處理，獲得的相應偏移距的共偏移距剖面，該剖面保留了所接收的各種地震波原有特征，利用特征信息解譯可得到地下采空區(qū)情況，但無法獲得利用多道反射疊加處理取得的地震波疊加波速。

3.3.3 人工源面波探測

研究發(fā)現(xiàn)，面波能量主要集中在一個波長的范圍內，波長越長的面波，其振動穿透深度越大。面波作為一種地震波，在縱向、橫向速度不均勻介質中也會發(fā)生散射。利用面波的這一特征，在遇到采空區(qū)會產(chǎn)生反射、透射、散射及中斷等，可直接通過原始的面波記錄來探測異常體，也可利用面波頻散曲線、反演面波速度剖面等成果資料推斷解釋地下不均勻地質體的埋深及范圍。人工源面波勘探就是利用人工激發(fā)產(chǎn)生面波信號，并按一定方式接收記錄面波信息，經(jīng)計算處理獲得成果資料并進行地質解譯。通常所說的“面波勘探”即指“人工源面波勘探”。

3.3.4 天然源面波探測

天然源面波勘探，亦稱微動勘探，是近幾年發(fā)展起來的一種新的物探方法技術。它利用的是地球表面無時無刻都存在的震動，稱為微動。這種微動是由于人類的日常活動及自然現(xiàn)象所產(chǎn)生的，其中蘊含震源信息、傳播路徑信息和測點處地下結構信息等。所以，采集記錄微動，利用其頻譜特性和其中占絕對優(yōu)勢的面波成分，處理得到各記錄點的頻譜分析圖和排列的面波頻散曲線，并利用面波頻散曲線反演計算地下介質速度結構，推斷解釋地層結構。

4 現(xiàn)場測試

4.1 物探布置

現(xiàn)場物探布置方法：

(1) 測線布置基本與鐵路平行。

(2) C12采空區(qū)由7條測線控制。

(3) 基本線距20 m。反射波勘探和多道共偏移勘探道距2 m，炮點距4 m；天然源面波勘探道距6 m。

(4) 測線起止點以瞬變電磁法推測的采空區(qū)異常范圍向外延100 m。如兩異常區(qū)相鄰間距不足200 m，則兩測區(qū)聯(lián)為一體，探測施工連續(xù)進行。

(5) 全部炮點、檢波點坐標和高程采用GPS測量定位。

現(xiàn)場工作經(jīng)歷兩個階段，歷時90 d，物探實物工作量如下：

(1) 反射波勘探：測長80.58 km，記錄21 397張。

(2) 多道地震共偏移距勘探：測長80.58 km，記錄21 397張。

(3) 天然源面波勘探：測長81.86 km，記錄787張。

(4) 人工源面波勘探：測長0.658 km，記錄299張。

4.2 反射波法

C2采空區(qū)由地震D4、D5、D6、D7線控制，在各類解釋成果上采空區(qū)邊界點顯示清晰，揭示邊界點12個，其中A級點9個，B級點3個。圖1是C2采空區(qū)D6線地震縱波反射勘探偏移時間剖面的顯示。采空區(qū)邊界點T2波在樁號245～292能量變弱。

4.3 共偏移距法

圖2是D6線地震勘探共偏移時間剖面圖。由圖可見，樁號220～296面波出現(xiàn)時間變大、面波呈現(xiàn)離散分布，表征下伏地層分布有不均勻三度體，為煤層采空區(qū)。

4.4 人工源面波法

圖3是D6線人工源面波勘探視S波速度剖面圖。由圖3可見，采空區(qū)位置呈面波速度低速異常。

4.5 天然源面波法

圖4是D6線樁號240、246、276、282頻譜分析圖，高頻成分豐富反映為煤層賦存良好，低頻頻成分豐富反映為煤層被采空?？梢姌短?40與282煤層反映，樁號246、276為無煤層反映，由所獲得的頻譜資料顯示樁號246～276可推斷為采空區(qū)。

4.6 綜合物探分析

各測區(qū)4種方法的探測資料經(jīng)綜合解釋，獲得各測線綜合解釋剖面圖。在此基礎上，編繪各測區(qū)煤層底板等高線平面圖和各測區(qū)采空區(qū)分布平面及剖面圖等地質成果圖件。繪制C12采空區(qū)平面圖(圖5)，剖面圖(圖6)?？梢?，該采空區(qū)位于包神鐵路K72+540里程樁附近，平面呈不規(guī)則形態(tài)，控制南北長約80 m，東西長約65 m，控制面積3 930 m2。控制可靠，穿過鐵路。

5 物探結果驗證

5.1 鉆探驗證

為檢驗物探成果，評價探測方法技術的可靠性和精度，在C12區(qū)選擇5處進行鉆探驗證，孔位布置見圖7。其中：驗2孔為地層調查孔，驗1、驗3、驗4和驗5為反射波異常驗證孔。

驗1：位于D3線樁號258西7 m，孔深82.50 m。進尺至66 m為煤層底板，煤層取芯率低，鉆探中有掉鉆、漏水現(xiàn)象。

驗2：位于D3線樁號328，孔深81.0 m，得到區(qū)內煤層賦存情況及正常地層結構。進尺43.2～45.2 m、46.5～47.4 m、59.2～62.0 m和71.4～73.1 m見4組煤層。該孔成果達到設計要求。

驗3：位于D1線樁號248，孔深81.0 m?？咨?2.5～66.5 m為煤層，但未取到巖芯，鉆探中有掉鉆、卡鉆、漏水現(xiàn)象。

驗4：位于D5線樁號248，該孔地表高于驗1號孔15 m，孔深96.40 m。該孔取芯率低，鉆探中有掉鉆、漏水現(xiàn)象。該孔進行了綜合測井，解釋該孔19.03～23.02 m、53.43～55.09 m、71.00～74.24 m、80.81～82.82 m等段為煤層。

驗5：位于D1線樁號244，孔深81.0 m。進尺至66.0 m左右為煤層底板，未取芯，鉆探中有掉鉆、漏水現(xiàn)象。

C12區(qū)鉆探施工過程中，除驗2孔外，出現(xiàn)漏水、掉鉆現(xiàn)象，說明相應孔位存在煤層采空區(qū)。加之驗4孔進行了綜合測井，表明存在煤層采空區(qū)。

5.2 開挖驗證

圖8為試驗區(qū)局部開挖揭露的老采空區(qū)現(xiàn)場照片。由圖可見：試驗區(qū)存在采空區(qū)，但采空率很低，留下的安全煤柱約為采區(qū)范圍的40%。

6 結語

(1) 在瞬變電磁法圈定C12區(qū)的初步探測基礎上，確定4種探測方法相結合的多波綜合物探技術進行煤層采空區(qū)勘探，建立了一套針對采空區(qū)地震波場的識別模式，為今后的煤層采空區(qū)地球物理勘查提供了方法借鑒和判識標準。

(2) 首次將面波波場形態(tài)變化和頻譜特征分析成果用于判定煤層采空區(qū)，較精確地控制了采空區(qū)的范圍。在實施過程中，首創(chuàng)L型18道6 m小道距天然源面波采集系統(tǒng)，相對雙環(huán)(內徑50 m，外徑100 m)型7道天然源采集系統(tǒng)，既方便工作布置，又具有較大的探測深度，同時還可以利用小道距單道頻譜分析成果，更高精度地反映采空區(qū)的范圍。

(3) S-LAND全數(shù)字化雙源面波勘探數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)為國內首創(chuàng)，取得了良好的探測效果。采用高分辨率反射波勘查與雙源面波勘查相結合、相互印證、相互補充，可以研究煤層被采空后圍巖的變化影響范圍；研究煤層采空區(qū)及周圍巖、土體剪切波、縱波的速度變化，圈出煤層采空區(qū)對地面的影響范圍，這對評價地面鐵路路基穩(wěn)定性及運輸安全十分重要。

(4) 4種物探方法相結合的綜合物探技術，適用于鐵路沿線采空區(qū)探測。本方法較好地實現(xiàn)了C12試驗異常區(qū)的探測，進一步查明了包神鐵路沿線采空區(qū)的分布情況，確定C12為煤層采空區(qū)。

(5) 探測的地下采空區(qū)范圍，已超出引起地表下沉的工作面長度臨界值，從而引起地裂縫或塌陷，必須開展采空區(qū)治理。鐵路下采空區(qū)治理應在示范區(qū)首先進行，并統(tǒng)一規(guī)劃、分步實施。建議通過采空區(qū)注漿減少不均勻沉降量，提高地基巖土體整體性能。注漿孔宜按梅花形布設，為不影響鐵路正常運行，可在靠近鐵路直孔內插斜孔，實現(xiàn)漿液注至鐵軌下部，保證注漿效果。

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APPLICATION OF COMPREHENSIVE GEOPHYSICAL PROSPECTING TECHNIQUES IN GOAF DETECTION UNDER RAILWAY

HAO Zhe1,LI Xi-lin2,WANG Lai-gui2

(1.Liaoning Nonferrous Geological Exploration and Research Institute, Shenyang 110013,China;

Goaf detection is the basis of stability evaluation, management and quality control. With constant improvement of the goaf prospecting precision requirements, increase of the complexity and difficulties of the problems, the single geophysical prospecting method has been difficult to meet the requirements of the new situation. Based on density, electrical, elastic, and other physical properties of geologic body, the integrated detection of goaf became inevitable requirement of detection technology development. With detection of BAOSHEN railway goaf as an example, application study on integrated geophysical exploration technique in goaf was conducted. The goaf detection methods were summarized. The choice principle of comprehensive geophysical prospecting method was illustrated. On the basis of preliminary detection of transient electromagnetic method, four detection comprehensive methods using the reflection wave method, offset seismic method, artificial source surface wave method, the natural source surface wave were used to prospecting goaf in site. By geophysical interpretation, goaf spatial distribution was given. By verification of drilling and partial excavation, the reliability and accuracy of the integrated geophysical exploration method were analyzed.

Comprehensive geophysical prospecting; goaf; reflection wave method; offset seismic method; artificial source surface wave method; natural source surface wave method

1006-4362(2015)04-0060-07

2015-08-09改回日期：2015-10-05

P642;U216.41

A

郝喆(1972- )，男，遼寧沈陽人，博士、教授級高工。從事巖土工程和礦山環(huán)境治理領域的研究工作。E-mail：626447443@qq.com