劉文才

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

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綜合物探在小煤窯采空區(qū)勘察中的應(yīng)用

劉文才

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

小煤窯采空區(qū)由于年代久遠(yuǎn)，資料匱乏等自身的特點(diǎn)是鐵路勘察的難點(diǎn)之一。物探是小煤窯采空區(qū)的重要勘探手段，彌補(bǔ)了其他勘探手段的不足。高密度激電法和瞬態(tài)瑞雷波法是工程勘察中經(jīng)常用到的物探方法，也是采空區(qū)勘察的有效物探方法。介紹這兩種方法的原理，結(jié)合其在某小煤窯勘察中的實(shí)際應(yīng)用，闡述綜合物探在小煤窯勘察中的重要作用。

小煤窯 綜合物探 高密度電法 瞬態(tài)瑞雷波法

采空區(qū)勘察是鐵路勘察工作的重點(diǎn)之一，在地下礦體被采出后，自頂板巖層向上形成垮落帶、導(dǎo)水裂隙帶和彎曲帶，形成地表沉陷等，對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)構(gòu)成巨大威脅和隱患，查明采空區(qū)平面及空間位置將直接關(guān)系到鐵路線路方案及后期運(yùn)營(yíng)的安全。小煤窯基本是私自開采，沒有固定的采集范圍和時(shí)間，且年代相對(duì)久遠(yuǎn)，資料匱乏，所以小煤窯采空區(qū)勘察一直是采空區(qū)勘察的難點(diǎn)之一。

鉆探勘察可以準(zhǔn)確反映采空區(qū)空間狀態(tài)，包括深度、周圍巖性等，由于采空區(qū)邊界的不確定性，面積性鉆探成本大、周期長(zhǎng)，因而物探技術(shù)成為采空區(qū)勘探的重要手段。前人的研究成果已經(jīng)表明，物探方法在采空區(qū)勘察中起到重要作用[1-3]。多種物探技術(shù)相結(jié)合，相互驗(yàn)證，有利于資料的解釋。

介紹高密度激電法、瞬態(tài)瑞雷波法兩種物探方法的簡(jiǎn)要原理，結(jié)合它們?cè)谀承∶焊G采空區(qū)勘察中的應(yīng)用效果，闡述綜合物探在小煤窯采空區(qū)勘察中的重要作用。

1 方法介紹

1.1 高密度激電法

激電法是根據(jù)巖石激發(fā)極化效應(yīng)的差異，觀測(cè)和研究在人工電場(chǎng)作用下地下巖(礦)石產(chǎn)生的極化電場(chǎng)，以達(dá)到解決地質(zhì)問題的一種電法勘探方法。激發(fā)極化法勘探過程中，接收機(jī)能同時(shí)觀測(cè)在激勵(lì)場(chǎng)作用下的一次場(chǎng)、斷電以后的二次場(chǎng)及其衰減規(guī)律。觀測(cè)的參數(shù)多是激電法的優(yōu)勢(shì)，包括視電阻率、視極化率、視充電率、視衰減度等參數(shù)，多參數(shù)互相驗(yàn)證，互相補(bǔ)充，從而提高勘探精度。

高密度激電法是在單點(diǎn)直流激電測(cè)深的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，用新型的發(fā)電機(jī)作為電源供電，發(fā)射、接收為分體式，多通道同時(shí)接收的直流激電法稱為高密度激電法[4]。高密度激電法在采空區(qū)勘察、滑坡勘察、斷層等地質(zhì)構(gòu)造勘察、黃土陷穴勘察、路塹地下水位勘察等鐵路不良地質(zhì)勘察領(lǐng)域已取得較好的效果[6，7]。

在采空區(qū)勘探中，沒有水的采空區(qū)表現(xiàn)為高電阻率，低極化率，如果采空區(qū)遇水松散，則表現(xiàn)為低電阻率，高極化率，這是激電法勘探的物理前提。

1.2 瞬態(tài)瑞雷波法

瑞雷面波勘探是新發(fā)展起來的一種工程地球物理勘探方法。根據(jù)震源的不同，瑞雷波法可以分為瞬態(tài)瑞雷波法和穩(wěn)態(tài)瑞雷波法[8]。瞬態(tài)瑞雷波法利用重錘沖擊在地表激發(fā)點(diǎn)產(chǎn)生垂向脈沖作用，從而在介質(zhì)中激發(fā)出具有一定頻率帶寬的混頻瑞雷波動(dòng)。瑞雷波沿地面表層傳播，同一波長(zhǎng)的瑞雷波傳播特性反映了地質(zhì)條件在水平方向的變化情況，不同波長(zhǎng)瑞雷波的傳播特性反映著不同深度的地質(zhì)情況[9]。利用頻譜分析技術(shù)提取各個(gè)單頻成分的瑞雷波相速度，即可得到瑞雷波的頻散曲線，進(jìn)而反演得到不同地質(zhì)條件對(duì)應(yīng)的波速，達(dá)到勘探的目的。

瞬態(tài)瑞雷波勘探具有分辨率高、受場(chǎng)地限制小、抗干擾能力強(qiáng)、輕便快捷等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在工程勘察和工程無損檢測(cè)等領(lǐng)域中[10]。

瑞雷波在不同巖層表現(xiàn)速度不同，這是瑞雷波法勘探的物理前提。在堅(jiān)硬完整巖層中表現(xiàn)為高速特征，在采空區(qū)或者采空引起的塌陷軟弱地層表現(xiàn)為低速特征，通過這一特征可以識(shí)別采空區(qū)位置。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 工區(qū)概況及野外采集

某小煤窯采空區(qū)位于山西省襄垣縣，煤礦開采于20世紀(jì)四五十年代，由人工以礦井口為中心向多個(gè)方向開挖，巷道埋深10～20 m，寬度1 m左右，高度1～2 m。場(chǎng)地整體地勢(shì)平坦，局部有少量陡坎，出露地層主要為新黃土。前期在礦井口附近的鉆探工作已揭示存在多個(gè)輻射狀分布的巷道。隨著勘探范圍的增大，鉆探布孔遇到了棘手的問題，在距離礦井口五六十米的位置靠直徑只有10 cm左右的鉆孔去尋找寬度只有1 m的采空巷道難度很大，因此決定采用高密度激電法和瞬態(tài)瑞雷波法進(jìn)行勘探。

前期鉆探工作已經(jīng)定位了采空區(qū)的某些位置，為了確定小煤窯的巷道及采空的范圍，在已知鉆孔揭示有采空的位置周圍布置物探測(cè)線，測(cè)線上異常位置與已知采空鉆孔的連線即推測(cè)為巷道的位置，從而確定采空的范圍。高密度電法儀器為多通道大功率直流激電儀，采用單極-偶極模式，測(cè)點(diǎn)點(diǎn)距2 m，偶極極距2 m，供電周期8s。在高密度激電圈定的異常位置，進(jìn)行瞬態(tài)瑞雷面波勘探驗(yàn)證，瞬態(tài)瑞雷面波儀器為NZ-24地震儀，采用12道檢波器接收，道間距2 m，偏移距4 m，采用錘擊震源。

野外工作要嚴(yán)格按照《鐵路工程物探規(guī)范》施測(cè)，保證野外采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2.2 資料解釋

小煤窯采空區(qū)是煤礦采集形成的空洞，相比于圍巖，應(yīng)表現(xiàn)為高電阻率異常，由于采空區(qū)多填充水、泥、土等低阻物質(zhì)，相比于圍巖多表現(xiàn)為低阻，波速降低，這些物性差異是采空區(qū)勘探的前提。

數(shù)據(jù)處理采用兩種專業(yè)配套軟件進(jìn)行綜合處理，數(shù)據(jù)處理過程中盡量遵循原始成果，避免過度處理，只對(duì)個(gè)別畸變點(diǎn)做了剔除，在反演過程中使用較小的平滑系數(shù)和較小的限制條件。受場(chǎng)地電磁干擾，激電法只用了電阻率這一參數(shù)，瞬態(tài)瑞雷波法用波速這一參數(shù)。下面以IS-2和RL-2測(cè)線為例進(jìn)行解釋分析。

從圖1中分析得到，從深度上可以大致分為三層，上覆地層為土層，中間為電阻率高的基巖層，下面為電阻率偏低的基巖層。采空區(qū)在電阻率成果圖中表現(xiàn)為電阻率等值線低阻閉合圈。在圖1中，采空區(qū)位于第三層基巖層中，水平位置48～66 m，深度在10～16 m位置處為低阻閉合圈，深度與前期鉆孔資料基本一致，推斷這一位置為采空巷道。

圖1 IS-2測(cè)線電阻率成果

圖2 RL-2測(cè)線瑞雷波速成果

為了驗(yàn)證電阻率所圈定的異常位置準(zhǔn)確性，在電阻率測(cè)線42～78 m位置進(jìn)行瞬態(tài)瑞雷波勘探。采空區(qū)巷道表現(xiàn)為低速特征。從圖2可以看出，地表淺層土層表現(xiàn)為低速特征，這與實(shí)際符合；在深度10～20 m范圍內(nèi)，在水平位置42～48 m和65～78 m兩處瑞雷波速為高速，推測(cè)為堅(jiān)硬圍巖；在48～66 m位置表現(xiàn)為低速特征，這與電阻率成果一致，說明兩種方法的可靠性。根據(jù)兩種方法的結(jié)果，劃定本測(cè)線水平位置48～66 m處為異常位置。

2.3 綜合解釋

綜合高密度激電法和瞬態(tài)瑞雷波法共同確定的異常即為推斷采空巷道的位置，如果高密度激電法確定的某些異常，瞬態(tài)瑞雷波法在這個(gè)位置沒有反應(yīng)，則不把這個(gè)位置定為最終的異常位置。把兩種方法共同確定的異常位置畫在平面圖上有利于直觀分析解釋結(jié)果。劃定的測(cè)線上異常位置與已知采空鉆孔的連線即推測(cè)為巷道的位置。如圖3所示，IS測(cè)線為高密度激電法測(cè)線，RL測(cè)線為瞬態(tài)瑞雷波測(cè)線，根據(jù)各測(cè)線物探結(jié)果在測(cè)線上確定7處異常，已知采空鉆孔與測(cè)線異常位置的連線區(qū)域位置即為推斷采空區(qū)位置。

圖3 平面成果

3 結(jié)論

物探方法以其自身優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)了其他勘察方法的不足，成為小煤窯采空區(qū)勘察中必不可少的方法。高密度激電法可以通過電阻率等參數(shù)反映采空區(qū)的位置，瞬態(tài)瑞雷波法通過波速這一參數(shù)反映采空區(qū)的位置。兩種及以上物探方法可以互相驗(yàn)證，互相補(bǔ)充，從而提高勘探精度，保證物探成果的準(zhǔn)確度。

[1] 潘瑞林.采空區(qū)物探方法新探[J].鐵道勘察，2010(6):23-26

[2] 丁榮勝，張殿成，王仕昌，等.高密度電阻率法和地震映像法在采空區(qū)勘察中的應(yīng)用[J].物探與化探，2010，34(6):732-736

[3] 李堅(jiān).高速鐵路煤窯采空區(qū)綜合物探技術(shù)探討[J].路基工程，2010(增刊):38-42

[4] 張吉振，王銀，唐海敏，等.測(cè)氡法在小煤窯采空區(qū)勘察中的應(yīng)用研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2014(10):21-25

[5] 張吉，李志華，王銀，等.高密度激電法在鐵路不良地質(zhì)勘察中的應(yīng)用[J].鐵道建筑技術(shù)，2015(10):96-103

[6] 李志華.鐵路煤礦采空區(qū)綜合物探技術(shù)研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2014(10):26-31

[7] 郝明，李志華，等.物探技術(shù)在越嶺隧道選線中所發(fā)揮的作用[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2011(8):13-17

[8] 王超凡，鄒桂高，劉金光，等.多道瞬態(tài)瑞雷波勘探應(yīng)用研究[J].地質(zhì)科學(xué)，2002，37(1):110-117

[9] 趙慧玲.瑞雷波勘探的多用途研究[J].西部探礦工程，2004(1):21-22

[10]肖柏勛，李長(zhǎng)征.瑞雷面波勘探技術(shù)研究評(píng)述[J].工程地球物理學(xué)報(bào)，2004，1(1):38-47

Application of Integrated Geophysical Technology in Small Coal Goaf Detection

LIU Wencai

2016-08-23

劉文才(1989—)，男，2015年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球物理學(xué)專業(yè)，工學(xué)碩士，助理工程師。

1672-7479(2016)06-0026-03

P631

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