王 霞，謝孔金，韓 剛，白 云，謝一鳴

（1. 山東正元建設(shè)工程有限責(zé)任公司，濟(jì)南 250101；2. 山東正元地質(zhì)資源勘查有限責(zé)任公司，濟(jì)南 250101；3. 山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，濟(jì)南 250101）

0 引言

隨著城市建設(shè)進(jìn)程的加速，土地資源越來(lái)越稀缺，采空區(qū)場(chǎng)地用于工程建設(shè)的情況時(shí)有發(fā)生，但采空區(qū)頂板崩落會(huì)引起地面沉降、裂縫和塌陷[1]以及采空區(qū)存在的殘余變形[2]，諸多不良地質(zhì)作用易導(dǎo)致建筑地基受損破壞。所以，采空區(qū)場(chǎng)地在工程建設(shè)之前應(yīng)進(jìn)行勘察工作，以查明采空區(qū)上覆巖層的穩(wěn)定性，判定其作為工程場(chǎng)地的適宜性[3]。煤礦采空區(qū)主要是人為采煤活動(dòng)形成的，有的采空區(qū)埋藏深度大[4]，雖然鉆探成果可靠性強(qiáng)，能夠準(zhǔn)確地反映采空區(qū)的存在，但其成本高、耗時(shí)長(zhǎng)，且不能全面地反映勘察區(qū)域的采空區(qū)分布狀況[5]，完全依靠鉆探手段是不適宜的。國(guó)有大型煤礦采空區(qū)的資料齊全，可不進(jìn)行物探，只進(jìn)行采礦調(diào)查即可，而大多小煤窯的開采年代久遠(yuǎn)，且多為無(wú)序開采，資料缺乏，因而給建設(shè)場(chǎng)地的工程地質(zhì)勘察帶來(lái)了困難[6]，小煤窯采空區(qū)應(yīng)進(jìn)行必要的物探工作，明確采空區(qū)范圍、埋深、大小、上覆沉積物類型、斷裂構(gòu)造位置、巖層厚度等情況，物探方法選擇時(shí)需要結(jié)合采空區(qū)的具體情況而定[7]。隋宏巖[8]等采用瞬變電磁法進(jìn)行采空區(qū)判定，經(jīng)鉆孔驗(yàn)證效果較好。李家春[9]和冉云[10]通過工程實(shí)例說明了高密度電法在采空區(qū)勘察中的應(yīng)用可行性和合理性。周學(xué)明[11]和陳成申[12]利用地震勘探方法探明了采空區(qū)的位置和特征。單種物探方法只能對(duì)探測(cè)目標(biāo)體的某一方面屬性做出解釋，由于物探本身的多解性[13,14]，所做出的結(jié)論有很大的不確定性。大量研究成果[15-20]表明，應(yīng)采用綜合物探技術(shù)查明采空區(qū)的分布，并通過鉆探驗(yàn)證其可行性和合理性，綜合物探技術(shù)已成為解決采空區(qū)工程地質(zhì)勘察的首選技術(shù)。

濟(jì)南市章丘區(qū)煤炭資源豐富，開采歷史悠久，開發(fā)利用程度高，但規(guī)模較小，大部分為小型礦山，多有小型濫采煤礦采空區(qū)分布[21-25]，對(duì)地質(zhì)環(huán)境造成了一定程度的破壞，引發(fā)采空塌陷、伴生地裂縫地質(zhì)災(zāi)害等，給當(dāng)?shù)鼐用裨斐闪溯^大損失。本文結(jié)合工程實(shí)例，運(yùn)用多種物探方法對(duì)煤礦采空區(qū)進(jìn)行勘察，查明了建設(shè)場(chǎng)地采空區(qū)的分布情況，并利用鉆探驗(yàn)證了物探結(jié)果的可靠性。

1 工區(qū)的地質(zhì)和地球物理特征

1.1 工區(qū)地質(zhì)概況

濟(jì)南市章丘區(qū)屬于魯中山地和山前傾斜平原過渡地帶，地勢(shì)南高北低、東高西低。南部主要是太古界泰山群變質(zhì)巖組成的低山丘陵地形；中部為古生界寒武、奧陶系灰?guī)r組成的低山丘陵地形，地勢(shì)陡峭，溝谷縱橫，山區(qū)地形因受巖層產(chǎn)狀的影響，單面山地形較多，一般南坡陡，北坡較緩；北部地勢(shì)平緩，明水街道附近基本上已過渡為山前傾斜平原，其上發(fā)育有南北向沖溝。

工區(qū)位于章丘區(qū)的北部，屬山前沖洪積平原地貌單元，地貌類型單一，地形起伏變化小，區(qū)內(nèi)大部分地段較為平坦，總體呈現(xiàn)南高北低的特點(diǎn)（圖1）。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料和前期鉆探成果，按地質(zhì)年代劃分的工區(qū)地層巖性詳見表1。

圖1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造圖

表1 地層簡(jiǎn)表

1.2 工區(qū)地球物理特征

根據(jù)該區(qū)域獲取的巖、礦石電性特征得知，區(qū)內(nèi)第四系巖性主要為粘土、粉質(zhì)粘土，部分地段地表有素填土及碎石，粘土、粉質(zhì)粘土電阻率較低；第四系以下為二疊系，巖性主要為泥巖、砂巖，泥巖電阻率相對(duì)較低，砂巖電阻率相對(duì)較高；石炭系的砂泥巖、灰?guī)r位于二疊系之下，砂巖電阻率較低，灰?guī)r電阻率最高，是評(píng)估區(qū)內(nèi)地層劃分的明顯標(biāo)志。正常情況下，地層在完整無(wú)破碎時(shí)其橫向上電性相對(duì)均一、差異較小，但隨著同一地層破碎和積水程度的不同，電性曲線上其與圍巖相比有明顯的異常點(diǎn)和畸變點(diǎn)；當(dāng)巖層因?yàn)椴傻V而造成采空，引起上覆地層塌陷時(shí)，電阻率就會(huì)迅速變化，不充水采空區(qū)的電阻率明顯高于同巖層的電阻率；充水采空區(qū)的電阻率明顯低于同一層位巖層的電阻率。工區(qū)具備開展地球物理勘探的前提條件，主要地層的電性參數(shù)見表2。

表2 地層電性參數(shù)表

2 物探方法選擇及工作參數(shù)

工區(qū)地質(zhì)條件較復(fù)雜，采空區(qū)埋深較大，但地形條件相對(duì)簡(jiǎn)單，在充分調(diào)研和論證的基礎(chǔ)上，優(yōu)先采用綜合物探技術(shù)，經(jīng)分析該區(qū)地質(zhì)資料及地球物理特征，采用瞬變電磁測(cè)深法和可控源音頻大地電磁法進(jìn)行探測(cè)。在施工過程中，輔助以地面調(diào)查工作，為地面物探的資料解釋及成果分析提供可靠的地質(zhì)資料。

2.1 瞬變電磁法

瞬變電磁法（簡(jiǎn)稱：TEM法）是利用不接地回線或接地電極向地下發(fā)送脈沖式一次電磁場(chǎng)，用線圈或接地電極觀測(cè)由該脈沖電磁場(chǎng)感應(yīng)的地下渦流產(chǎn)生的二次電磁場(chǎng)的空間和時(shí)間分布，從而解決有關(guān)地質(zhì)問題的時(shí)間域電磁法。瞬變電磁法的激勵(lì)場(chǎng)源主要有2種，一種是載流線圈或回線，另一種是接地電極，使用較多的是回線場(chǎng)源[26-27]。發(fā)射的電流脈沖波形主要有矩形波、三角波、半正弦波等，不同波形有不同的頻譜，激發(fā)的二次場(chǎng)頻譜也不相同。

本次瞬變電磁測(cè)深選用大回線裝置，具有測(cè)深測(cè)量和橫向分辨率高的優(yōu)點(diǎn)，理論上其勘探深度受地層電性條件和最晚有用信號(hào)時(shí)間的影響，實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)射電流波形和裝置的形式對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量和勘探深度影響更大。使用的儀器為加拿大Geonics公司生產(chǎn)的PROTEM瞬變電磁儀，瞬變電磁工作使用300 m×300 m發(fā)射線框，發(fā)射基頻25 Hz，發(fā)射電流15 A。

2.2 可控源音頻大地電磁法

可控源音頻大地電磁法（CSAMT）基本原理是以有限長(zhǎng)接地電偶極子為場(chǎng)源，在距偶極中心一定距離處同時(shí)觀測(cè)電、磁場(chǎng)參數(shù)的一種電磁測(cè)深方法。本次物探勘察采用赤道偶極裝置進(jìn)行標(biāo)量測(cè)量，同時(shí)觀測(cè)與場(chǎng)源平行的電場(chǎng)水平分量Ex和與場(chǎng)源正交的磁場(chǎng)水平分量Hy；然后利用電場(chǎng)振幅Ex和磁場(chǎng)振幅Hy計(jì)算視阻抗電阻率ρS；觀測(cè)電場(chǎng)相位EP和磁場(chǎng)HP用以計(jì)算視阻抗相位φ，用視阻抗電阻率和視阻抗相位聯(lián)合反演計(jì)算可控源反演電阻率參數(shù)；最后利用可控源勘探反演的電阻率進(jìn)行地質(zhì)推斷解釋。

測(cè)量?jī)x器采用加拿大鳳凰地球物理公司研制的V8多功能電法勘探系統(tǒng)。

3 物探成果解譯

3.1 物探解譯原則

物探解釋時(shí)遵循以下原則：遵循從已知到未知、從點(diǎn)到面、從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從局部到全局的原則。綜合研究評(píng)估區(qū)地質(zhì)、巖性、水文及工程施工等因素，結(jié)合物探測(cè)量成果，以地電對(duì)比作為劃分掩蓋區(qū)地層的主要依據(jù)，當(dāng)采空區(qū)存在時(shí)，無(wú)論其含水與否，都將打破地層電性在縱向和橫向上的變化規(guī)律。物探工作在資料解釋時(shí)還應(yīng)遵循以下原則：

1）相對(duì)異常原則：由于影響砂巖以及采空區(qū)電阻率高低的因素較多，如采空區(qū)不同年代、不同層位、塌陷、冒落程度、充填水情況等，其電性特征均可表現(xiàn)出相對(duì)高阻或低阻差異。在解釋過程中應(yīng)特別注意弱異常的特征和規(guī)律，根據(jù)實(shí)際情況和異常特征綜合分析，確定勘探區(qū)的電磁異常響應(yīng)特征及規(guī)律。

2）相關(guān)性原則：由于勘察工作是按一定的工作網(wǎng)度開展的，相鄰剖面異常具有一定的相關(guān)性，利用其相關(guān)性可進(jìn)行采空區(qū)分布特征推斷。

3）采空區(qū)異常形狀原則：采礦為人為活動(dòng)，其采掘具有一定規(guī)律，采空區(qū)及巷道分布因此也有一定的規(guī)律，故異常特征及分布亦有一定的規(guī)律性。

4）地層電性參數(shù)可由已知點(diǎn)瞬變電磁測(cè)深曲線反演計(jì)算的平均值作為地層物性參數(shù)結(jié)果，同時(shí)要掌握全區(qū)地層物性參數(shù)的縱、橫向變化規(guī)律。

5）充分研究目的層、目標(biāo)物及相關(guān)地層的對(duì)應(yīng)物性標(biāo)志，并注意各標(biāo)志的縱、橫向聯(lián)系。

6）在定性解釋的基礎(chǔ)上，分析各種地質(zhì)特征在多參數(shù)圖件上所表現(xiàn)出的響應(yīng)，為進(jìn)一步的電法資料解釋建立基礎(chǔ)。

3.2 物探成果

根據(jù)地質(zhì)資料和場(chǎng)地因素情況，物探沿工區(qū)NS向及EW向按40 m×10 m測(cè)網(wǎng)完成瞬變電磁測(cè)深剖面23條，測(cè)深點(diǎn)766個(gè)，后根據(jù)瞬變電磁測(cè)深初步測(cè)定結(jié)果使用可控源音頻大地電磁法進(jìn)行驗(yàn)證對(duì)比，完成測(cè)深剖面16條，測(cè)點(diǎn)578個(gè)。選擇有代表性的12#和18#剖面物探成果對(duì)比分析。

3.2.1 12#剖面測(cè)試成果

12#物探剖面位于工區(qū)北部，TM12瞬變電磁法剖面方位角為9°，長(zhǎng)度210 m，測(cè)深點(diǎn)22個(gè)；CS12可控源音頻大地電磁剖面和TM12位置重合，長(zhǎng)度210 m，測(cè)深點(diǎn)22個(gè)。物探測(cè)試結(jié)果見圖2。

通過分析瞬變電磁法剖面TM12（圖2a）和可控源音頻大地電磁剖面CS12（圖2b）可知，2個(gè)剖面整體視電阻率均從上到下呈“高-低-高”形態(tài)反映，剖面平距1 560～1 740 m、深度?60～?240 m范圍內(nèi)視電阻率等值線較其他區(qū)域呈明顯的低阻異常，低阻異常由南往北越來(lái)越深，異常中心電阻率約10 Ω·m，符合采空區(qū)的電性特征，推斷為4層煤的采空區(qū)及其三帶異常的電性特征反映；剖面平距1 630～1 640 m范圍內(nèi)視電阻率等值線呈不連續(xù)斷面倒“V”字形上凸，符合斷裂構(gòu)造的電性特征，推斷為F17分支斷裂的異常反映；剖面平距1 690～1 710 m范圍內(nèi)視電阻率等值線呈不連續(xù)斷面，符合斷裂構(gòu)造的電性特征，推斷為F15斷裂的異常反映。

通過2種方法的對(duì)比分析可知，2種方法視電阻率變化趨勢(shì)接近，采空區(qū)和斷裂的電性特征明顯，但二者異常反映略有不同，采空區(qū)區(qū)域視電阻率等值線常呈現(xiàn)明顯的低阻異常，且區(qū)域上方有明顯的彎曲帶異常，而斷裂破碎帶區(qū)域視電阻率等值線常呈不連續(xù)斷面。2種方法視電阻率總體范圍變化不大，吻合較好，互相驗(yàn)證，說明采集資料可信度較高，對(duì)于略有出入的地方推測(cè)是由于地面磁場(chǎng)對(duì)瞬變電磁法視電阻率影響較敏感引起的。

3.2.2 18#剖面測(cè)試成果

圖2 12#剖面物探測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖

物探剖面位于工區(qū)中部，TM18瞬變電磁法剖面方位角為99°，長(zhǎng)度470 m，測(cè)深點(diǎn)48個(gè)；CS18可控源音頻大地電磁剖面和TM18位置重合，長(zhǎng)度470 m，測(cè)深點(diǎn)48個(gè)。物探測(cè)試結(jié)果見圖3。

通過對(duì)瞬變電磁法剖面TM18（圖3a）和可控源音頻大地電磁剖面CS18（圖3b）分析可知，2個(gè)剖面整體視電阻率均從上到下呈“高-低”形態(tài)反映。剖面平距1 000～1 470 m、深度?130～?250 m范圍內(nèi)視電阻率等值線較其他區(qū)域呈明顯的低阻異常，異常中心電阻率約10 Ω·m，符合采空區(qū)的電性特征，推斷為9層煤的采空區(qū)及其三帶異常的電性特征反映。

通過2種方法的對(duì)比分析可知，2種方法視電阻率變化趨勢(shì)接近，采空區(qū)異常反映略有不同，瞬變電磁法視電阻率等值線低阻異常相對(duì)較明顯，表現(xiàn)為采空區(qū)呈現(xiàn)不連通狀（圖3a），但是視電阻率總體范圍變化不大，吻合較好，互相驗(yàn)證，說明采集資料可信度較高，對(duì)于略有出入的地方推測(cè)可能是由于地面磁場(chǎng)對(duì)瞬變電磁法視電阻率影響較敏感引起的。

圖3 18#剖面物探測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖

4 鉆探驗(yàn)證

通過分析區(qū)域地質(zhì)資料及物探結(jié)果可知，工區(qū)存在淺部采空區(qū)，為揭露和控制區(qū)內(nèi)地層，揭示場(chǎng)區(qū)內(nèi)低阻區(qū)的地質(zhì)特征，查明采空區(qū)的分布情況，結(jié)合有關(guān)規(guī)范[28]，在物探異常區(qū)布置鉆探驗(yàn)證孔2個(gè)，ZK1位于18#剖面線 1 050 m 處，ZK2位于12#剖面線1 650 m處。根據(jù)鉆探揭露情況，工區(qū)地層由新至老為第四紀(jì)、上二疊統(tǒng)上石盒子組、下二疊統(tǒng)下石盒子組、下二疊統(tǒng)山西組、上石炭統(tǒng)太原組、中石炭統(tǒng)本溪組、中奧陶馬家溝組。巖性以泥巖和砂巖為主。各鉆孔揭露情況如下：

1）ZK1鉆孔：該孔鉆探總進(jìn)尺155.0 m，自上而下揭露了第四系土層、上石炭統(tǒng)太原組的砂質(zhì)泥巖、砂巖。在150.0～151.0 m處揭露采空區(qū)，該層鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)循環(huán)水不返水、進(jìn)尺快、易埋鉆現(xiàn)場(chǎng)，取出巖芯破碎、局部無(wú)巖芯，見少量煤碎塊，結(jié)合資料分析，該鉆孔揭露的采空區(qū)為9層煤采空區(qū)。巖芯見圖4。

圖4 ZK1鉆孔巖芯（146～155 m）

2）ZK2鉆孔：該孔鉆探總進(jìn)尺120.0 m，自上而下揭露了第四系土層、二疊統(tǒng)石盒子群萬(wàn)山組和上石炭統(tǒng)太原組的砂質(zhì)泥巖、砂巖。在100.4～102.3 m揭露采空區(qū)，該層鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)循環(huán)水不返水、進(jìn)尺快、易埋鉆現(xiàn)場(chǎng)，取出巖芯破碎、局部無(wú)巖芯，見少量煤碎塊，結(jié)合資料分析，該鉆孔揭露的采空區(qū)為4層煤采空區(qū)。巖芯見圖5。

圖5 ZK2鉆孔巖芯（96～105 m）

根據(jù)鉆探和物探結(jié)果對(duì)比分析（表3），鉆孔揭露的煤層采空區(qū)與物探結(jié)果相吻合，驗(yàn)證了物探成果的有效性。

表3 物探與鉆探成果對(duì)照表

5 結(jié)語(yǔ)

采用瞬變電磁法和可控源音頻大地電磁法，推測(cè)出了煤礦采空區(qū)的位置、深度和規(guī)模，基本查明了采空區(qū)的分布情況，通過對(duì)物探異常處進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證，兩者結(jié)果基本吻合，表明應(yīng)用瞬變電磁法和可控源音頻大地電磁法對(duì)煤礦采空區(qū)進(jìn)行勘察是行之有效的。由于瞬變電磁測(cè)深體積效應(yīng)較大且有50～60 m的盲區(qū)存在，可控源音頻大地電磁法在市區(qū)范圍內(nèi)受周邊電磁干擾較明顯，且2種方法分辨率對(duì)部分不成規(guī)模采空區(qū)、豎井和防空洞等反映不明顯，尤其是對(duì)淺部地層規(guī)模較小的的地質(zhì)構(gòu)造等尚待查明。