高曉耕

(1.天地科技股份有限公司,北京市朝陽區(qū),100013; 2.北京中煤礦山工程有限公司,北京市朝陽區(qū),100013)

斜井上部流砂層塌陷空洞納米瞬變電磁法探測?

高曉耕1,2

(1.天地科技股份有限公司,北京市朝陽區(qū),100013; 2.北京中煤礦山工程有限公司,北京市朝陽區(qū),100013)

為了獲得斜井井筒流砂層塌陷地下空洞的分布情況,采用新型納米瞬變電磁法進行勘探。工作裝置為中心回線型,垂直于井筒走向共布置17條測線?？紤]干旱季節(jié)流砂層塌陷空洞呈高阻特征,由視電阻率剖面圈定了井筒流砂層段地下空洞的范圍。納米瞬變電磁法探測結果表明：主斜井與副斜井流砂層段均存在兩處空洞異常。結合井筒施工流砂層統(tǒng)計數據,綜合劃定了井筒區(qū)域流砂層塌陷空洞范圍,為井筒及周邊建筑物穩(wěn)定性評價及治理提供了依據。

斜井 流砂層塌陷 空洞探測 納米瞬變電磁法

西部礦區(qū)井筒建設時常遇到第四系風積流砂層。流砂層對應力變化敏感,若控制不當,井筒流砂層段開挖時常出現冒頂片幫、井底冒砂,甚至導致井筒淹沒、地表塌陷的嚴重事故。流砂層掏空塌陷形成的塌陷空洞不僅對井筒支護和防治水不利,而且還威脅地表建筑物的穩(wěn)定性。探明地下空洞分布范圍是流砂層塌陷治理的前提條件。

通常情況下,流砂層塌陷空洞埋深不大,受地表水體及大氣降水補給,地下空洞一般含水豐富。目前,地下空洞探測技術較多,但各有其優(yōu)缺點,應根據現場的實際情況合理選用。牛跟彥介紹了淺層地震技術在小窯采空區(qū)探測的應用,地震勘探技術基于層狀均勻地質模型,對界面敏感、探測深度大,而流砂層塌陷水沙混合物界面不明顯,采用地震勘探效果難以保證;地質雷達在探測城市地下空洞的應用較多,李福勝通過數值模擬研究了地質雷達在底板破壞深度的應用,但其探測距離有限;高密度電法、瞬變電磁法等技術對含水構造低阻異常敏感,若地下空洞沒有充水,則地下空洞與高阻圍巖不易區(qū)分。為了探測小型淺埋目標地質體,近年來納米瞬變電磁法在采空區(qū)探測中得到了一些應用。本文考慮宋新莊煤礦流砂層埋深和富水情況,采用納米瞬變電磁法對井筒區(qū)域流砂層塌陷空洞進行探測,為制定相應治理措施提供了依據。

1 工程概況

宋新莊煤礦3個斜井井筒均穿過多層流砂層,具體統(tǒng)計情況見表1。

表1 斜井井筒穿越流砂層統(tǒng)計情況

以主斜井為例,井筒施工過程中共揭露流沙層7層,埋深為21.0～131.4 m,單層厚度為1.0～7.3 m。為通過流砂層,井筒掘砌采用超前管棚、鋼架、錨網索和噴射混凝土的聯合支護方式強行通過,施工過程中曾出現涌水、潰沙等問題。副井、風井進行了局部注漿堵水,主井未采取任何措施。由于井筒長時間涌水、漏砂,造成井筒流砂層段形成大量空洞,最終導致井筒區(qū)域發(fā)生大面積沉降和塌陷。地表出現多條裂縫,主井井筒正上方出現一塌陷坑,如圖1所示。

圖1 主斜井上方流砂層塌陷坑

該塌陷坑直徑5 m、深4.5 m、距離井筒垂距約37 m。塌陷坑附近有3個永久建筑物,距離塌陷坑水平距離約8 m,對井筒和建筑物構成較大安全隱患。為了給流沙層塌陷治理提供依據,必須查明井筒周邊塌陷空洞的分布情況。

2 納米瞬變電磁法勘探布置

2.1 納米瞬變電磁法簡介

納米瞬變電磁法(NanoTEM)是一種新型瞬變電磁探測方法。瞬變電磁法探測原理是通過關斷人工激發(fā)的一次場,測量二次場隨時間衰減的規(guī)律來推測目標地質體的空間賦存情況。常規(guī)瞬變電磁法發(fā)射線圈半徑大,瞬變響應衰減慢,瞬變的早期受關斷的時間影響大,難以滿足探測小型淺埋目標地質體的需要。納米瞬變電磁法采用小線框實現了一次場快速關斷、二次場快速取樣,在關斷時間和采樣間隔上與常規(guī)瞬變電磁法明顯不同,能記錄較多的淺層地質信息,具有探測淺層目的物時縱向分辨率更好的優(yōu)點。

2.2 測線布置

納米瞬變電磁法屬時域電磁測深法,在一次場的間歇期間,通過測量二次場隨時間的變化達到尋找各種地質目標的目的。瞬變電磁法勘探線的布置原則包括：測線盡量垂直地層走向或地質構造;測線盡量避開各種電磁干擾較大的地段布置,鐵路、高壓線等地段原則上不布置瞬變電磁勘探點。依據以上原則,本測區(qū)取基本線距20 m,基本點距5 m (加密區(qū)域點距為2 m),具體測線布置方式如圖2所示,垂直于井筒走向共布置瞬變電磁法測線17條、坐標點1413個,控制面積1.36×105m2。

2.3 工作裝置及采集參數

瞬變電磁法采用能夠同時兼顧剖面測量和測深的工作原理,具有較好的穩(wěn)定性。瞬變電磁法常用的工作裝置包括：重疊回線裝置、中心回線裝置、偶極裝置、大定源回線裝置等。中心回線裝置能實現最佳耦合,具有異常幅度大、橫向分辨率高、接收回線較小、作業(yè)靈活等優(yōu)點。為了高質量、高效率地完成地質任務,決定在本勘探區(qū)內選擇中心回線裝置進行探測。采集參數的取值以提高采集數據的信噪比和分辨率為核心,采用適合的發(fā)射頻率和疊加次數,同時能夠在不加大工作強度的情況下獲得更為豐富的地下信息。經過現場試驗,最終選擇發(fā)射線框為20 m×20 m、接收線框為5 m×5 m、發(fā)射頻率為4 Hz、壓制的疊加次數為32次。

3 勘探數據處理

3.1 數據處理流程

數據處理流程主要包括原始數據整理及格式轉換、濾波、時深轉換、視電阻率反演、成果解釋等處理步驟。濾波的目的在于消除噪聲,對資料進行去偽存真;時深轉換及視電阻率反演是根據二次場電位差隨時間變化轉換成電阻率隨深度的變化;成果分析階段通過全區(qū)采集的數據繪制各種參數圖件,首先就是繪制各測線視電阻率斷面圖,并圈定異常范圍,然后將各剖面圖的異常展布到相應的平面圖上,最后再對各異常進行組合分析。

圖2 納米瞬變電磁法測線布置

3.2 數據反演

由于納米瞬變電磁法觀測數據是各測點各個時窗(測道)的瞬變感應電壓,需換算成視電阻率、視深度等參數,才能對資料進行解釋。視電阻率ρt的計算公式為：

式中：ρt——視電阻率,Ω·m;

u0——磁導率,H/m;

t——時窗時間,us;

m——發(fā)射磁矩,A/m2;

q——接收線圈的有效面積,m2;

V(t)——感應電壓,V。

視縱向電導St和視深度ht的計算表達式分別為：

式中：St——視縱向電導,s;

ht——視深度,m;

V(t)/I——歸一化感應電壓,V;

A——發(fā)射回線面積,m2;

d[V(t)/I]/dt——歸一化感應電壓對時間的導數。

4 勘探結果分析

視電阻率剖面圖反映了沿測線方向地下地質體橫向和垂向上的電性分布變化特征,根據視電阻率等值線或色譜的形態(tài)、規(guī)模、變化特征及數值的大小,可以推斷地下空洞的分布情況。經過濾波消噪、時深轉換得到各測線視電阻率剖面圖。瞬變電磁法對含水構造低阻異常敏感,流砂層富水性良好,故表現為低阻特性?？紤]本次探測在處于該地區(qū)的旱季,流砂層塌陷空洞充水程度低,相對表現為高阻特性。

納米瞬變電磁法13線視電阻率反演剖面圖見圖3(a)。副井在該剖面的250 m處,主井在該剖面的300 m處,從剖面成果圖來看,視電阻率等值線基本上呈有規(guī)律展布,但在剖面290～310 m、垂深40～60 m處有相對高電阻率電性特征反映,推斷為地下空洞(由圖中粗虛線圈定),同時,在剖面245～255 m、垂深25～35 m處也有相對高電阻率電性特征反映,亦推斷為空洞反映。15線視電阻率反演剖面圖見圖3(b)。從剖面成果圖來看,視電阻率等值線基本上呈有規(guī)律展布,但在剖面240～265 m、垂深20～40 m處有相對高電阻率電性特征反映,推斷為空洞反映。

圖3 視電阻率等值線圖及異常圈定

根據納米瞬變電磁法探測結果,分析得到各條測線的視電阻率綜合剖面圖,然后將各條測線上的空洞異常展到平面上,最后,對各空洞異常進行綜合分析,圈出空洞異常帶。結合井筒施工期間流砂層層位信息,對各空洞異常進行綜合分析,得到流砂層塌陷空洞異常帶平面圖見圖4。

圖4 推測井筒區(qū)域內流砂層塌陷空洞分布范圍

從中可以看出主井與副井均存在2處推斷空洞異常,依次編號為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。Ⅰ號空洞異常中心距主井井口239.6 m,埋深為20～40 m、面積約4677.04 m2。Ⅱ號空洞異常中心距主井井口385.5 m,埋深為40～60 m、面積約1693.32 m2。Ⅲ號空洞異常中心距副斜井井口150.0 m,埋深為20～30 m、面積約2409.24 m2。Ⅳ號空洞異常中心距副斜井井口223.5 m,埋深為40～60 m、面積約1986.48 m2。

5 流砂層塌陷空洞治理建議

斜井流砂層塌陷空洞的處理需從井下封堵和地面充填兩個方面入手。井下封堵主要針對流砂層段的涌水點,先采取井下注漿封堵涌水、加固圍巖,然后對漏水的井壁進行修復或重新砌筑,避免流砂層砂粒的繼續(xù)流失。地面充填主要針對塌陷空洞,考慮本工程流砂層塌陷空洞埋深不大,可采用地面充填注漿技術,對于體積較大的地下空洞可考慮先進行投砂,再注入漿液對填砂進行固結。由于地下空洞分布在井筒上方,故治理過程中必須進行井筒及地面建筑物的保護,防止治理措施不當誘發(fā)災害事故。

6 結語

本次納米瞬變電磁法探測在井筒區(qū)域圈定4個流砂層塌陷空洞異常,均分布在主斜井與副斜井上部。主斜井上部Ⅰ號空洞異常面積約4677.04 m2,Ⅱ號空洞異常面積約1693.32 m2;副斜井上部Ⅲ號空洞異常面積約2409.24 m2,Ⅳ號空洞異常面積約1986.48 m2。推斷的流砂層塌陷空洞距離集控綜合樓、材料庫、機修間等建(構)筑物較近,可能導致建筑物傾斜、開裂等破壞,同時地下空洞不利于井筒的長期穩(wěn)定性和使用安全,建議對井筒流砂層涌水點進行封堵,杜絕流砂層砂粒的繼續(xù)漏失,同時將流砂層塌陷空洞充填密實,消除地面塌陷的隱患。本次勘查成果為井筒及地面建筑穩(wěn)定性評估和加固治理提供了依據。

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Research on detecting collapse holes in quicksand layer above inclined shaft by NanoTEM

Gao Xiaogeng
(1.Tiandi Science and Technology Co.,Ltd.,Chaoyang,Beijing 100013,China; 2.Beijing China Coal Mine Engineering Co.,Ltd.,Chaoyang,Beijing 100013,China)

To obtain the distribution of underground collapse holes in quicksand layer above inclined shaft,new Nano TEM(nanometer transient electromagnetic method)was used in detecting.Central loop mode system was taken as the working device and 17 survey lines were perpendicular to the trend of the shaft axis.In view of the high resistance characteristics of collapse holes in arid season,the range of collapse holes in quicksand layer above the inclined shaft was deduced from apparent resistivity profiles.The Nano TEM detecting results indicated that there were respectively two holes in the quicksand layer over the main inclined shaft and auxiliary inclined shaft.Combining the statistic data of the quicksand layer form shaft construction,the ranges of collapse holes in quicksand layer over shaft area were determined,which provided basis for stability estimation and control of shaft and nearby buildings.

inclined shaft,quicksand layer collapse,hole detecting,Nano TEM

P631

A

高曉耕(1981-),男,四川自貢人,助理研究員,副所長,碩士,主要從事煤礦水害防治、地災治理的研究。

(責任編輯 郭東芝)

中國煤炭科工集團有限公司科技創(chuàng)新基金(2013QN009),天地科技股份有限公司技術創(chuàng)新基金(KJ-2014-BJZM-03)