徐 亮，董建軍，樊東峰，李 尊，劉艷生

（1.中國電力企業(yè)聯(lián)合會電力建設(shè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)咨詢中心，北京 100053；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125105；3.礦山熱動力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實驗室（遼寧工程技術(shù)大學(xué)），遼寧 葫蘆島 125105；4.國網(wǎng)河南省電力公司，河南 鄭州 450018；5.國網(wǎng)三門峽供電公司，河南 三門峽 472599；6.平頂山電力設(shè)計院有限公司，河南 平頂山 467001）

采空區(qū)塌陷已成為一種典型的地質(zhì)災(zāi)害，采空區(qū)的存在會導(dǎo)致農(nóng)田、道路、建筑物不同程度的破壞，給人們的生產(chǎn)生活帶來嚴(yán)重隱患的同時也造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。下伏采空區(qū)的安全穩(wěn)定性對工業(yè)設(shè)施的安全建設(shè)與運(yùn)營具有重要影響，因此必須對下伏采空區(qū)進(jìn)行安全穩(wěn)定性評估。目前，采空區(qū)建設(shè)廠房、辦公樓、住宅等建（構(gòu)）筑物的成功實例較多，但尚無煤礦采空區(qū)的變電站建設(shè)案例，故開展此方面的研究十分必要。

瞬變電磁法具有探測深度大、受地形影響小和不受高阻基巖出露影響的優(yōu)勢，為采空區(qū)安全穩(wěn)定性分析提供了一種有效的方法。國內(nèi)外已有眾多學(xué)者將瞬變電磁法應(yīng)用于煤礦采空區(qū)地表形變監(jiān)測。梁爽等[2]以陽泉二礦為研究對象，利用瞬變電磁法對采空區(qū)積水情況進(jìn)行探測，通過地層電阻率大小確定出采空區(qū)含水區(qū)域；劉君[3]利用瞬變電磁法和氡氣測量法對井坪鎮(zhèn)某采空區(qū)積水邊界位置進(jìn)行探測，探測結(jié)果與煤礦實際采掘情況相一致，證明瞬變電磁法能夠?qū)γ旱V采空區(qū)位置結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測；牛宏等[4]以鵲山多層采空區(qū)為研究對象，利用瞬變電磁法對采空區(qū)邊界及積水區(qū)域進(jìn)行探測，探測結(jié)果與巷道掘進(jìn)成果相吻合；和學(xué)軍等[5]利用瞬變電磁法對山西某富水采空區(qū)位置進(jìn)行圈定，提出瞬變電磁法適合在山區(qū)等復(fù)雜地區(qū)進(jìn)行勘探，且能夠探測出采空區(qū)含水異常區(qū)；覃慶炎[6]建立了煤礦積水采空區(qū)理論模型對采空區(qū)瞬變電磁響應(yīng)特征進(jìn)行分析，通過有限差分法實現(xiàn)了瞬變電磁場時間域數(shù)值模擬，最終探測得到采空區(qū)異常區(qū)域的分布規(guī)律；Shu等[7]利用中心回線瞬變電磁探測法對煤礦多層充水采空區(qū)結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測，準(zhǔn)確測得采空異常區(qū)位置；常治國等[8]利用瞬變電磁法確定出某煤礦的采空異常區(qū)，為后期治理提供了地質(zhì)信息；張紅權(quán)等[9]根據(jù)電性特征實驗方法確定瞬變電磁參數(shù)，利用瞬變電磁與高密度電法相結(jié)合的方法，探測出江西省某采空區(qū)的多個異常區(qū)分布位置；孫英峰等[10]利用瞬變電磁法確定出探測區(qū)內(nèi)的3 處采空異常區(qū)；趙磊磊[11]基于瞬變電磁法，在廣域范圍布設(shè)大回線源裝置，局域范圍布設(shè)重疊小回線裝置，通過對2 種探測裝置的結(jié)果分析，推斷出村莊采空區(qū)的影響邊界。

鉆孔探測作為一種直觀探測研究區(qū)域地層分布的方法，探測結(jié)果具有較高的可靠性和準(zhǔn)確性。熊彩霞等[12]綜合運(yùn)用鉆孔和殘余沉降對采空區(qū)擬建鐵塔場地進(jìn)行探測，并對鐵塔建設(shè)可行性進(jìn)行分析；葉圖強(qiáng)等[13]利用鉆孔與激光探測儀相結(jié)合的方法，得到采空區(qū)精細(xì)空間數(shù)據(jù)；李學(xué)良[14]利用鉆孔技術(shù)和電導(dǎo)率成像系統(tǒng)對采空區(qū)結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測分析，通過工程實例驗證了將鉆孔探測應(yīng)用到采空區(qū)的可靠性；潘桂海等[15]提出通過工程實際情況驗證鉆探監(jiān)測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)二者得到的采空區(qū)頂板發(fā)展規(guī)律相一致，證實了鉆探監(jiān)測的可行性；丁亮斌等[16]綜合物探和鉆探方法，探明了煤礦異常積水區(qū)的位置；李寧等[17]利用瞬變電磁與鉆探相結(jié)合的方法，確定出采空區(qū)的數(shù)量及位置分布。

鑒于此，瞬變電磁法結(jié)合鉆孔探測可以有效評價整個研究區(qū)域的采空塌陷情況和區(qū)域地層分布情況。因此，以平頂山變電站下伏采空區(qū)為研究對象，采用瞬變電磁法及鉆探的方式對研究區(qū)域進(jìn)行探測，分析變電站下伏采空區(qū)的安全穩(wěn)定性。

1 變電站下伏采空區(qū)概況

1）水文地質(zhì)情況。平頂山迎賓110 kV 變電站地處新華區(qū)老采動影響區(qū)，地質(zhì)性質(zhì)較差、環(huán)境復(fù)雜。擬建迎賓變電站位于平頂山市鷹城廣場東部，光明路以西，園林路南部，建設(shè)路以北。擬建區(qū)地勢平坦，交通方便，變電站內(nèi)主要建筑物為配電裝置樓。變電站下伏采空區(qū)區(qū)域為新生代上覆區(qū)，區(qū)內(nèi)地層由新至老分別為第四系、二疊系、石炭系和寒武系。

2）采空區(qū)煤礦開采情況。擬建變電站位于平煤集團(tuán)七礦井田東翼采區(qū)范圍內(nèi)，七礦在本區(qū)域附近主要開采了己組煤層，該區(qū)域地表標(biāo)高為+85 m 左右，從東南向西北煤層開采深度逐漸增大。開采深度約160 m，開采采厚約3.5 m，開采時間為1987—1993 年。采用長壁工作面炮采、普采或綜采，全陷法管理頂板。

2 采空區(qū)綜合探測

在明確變電站下伏采空區(qū)基本地質(zhì)條件及開采情況的基礎(chǔ)上，通過瞬變電磁法和鉆探的方式查明采空異常區(qū)域的情況，分析變電站下伏采空區(qū)的安全穩(wěn)定性。

2.1 瞬變電磁法探測

2.1.1 瞬變電磁法基本原理

瞬變電磁法是具有較高的抗干擾能力和分辨率時間域的人工源電磁法。將發(fā)射線框安裝在地面上，向其中通入直流電，迅速切斷電源，此時線框中出現(xiàn)電流突變，空間中因瞬態(tài)變化的電流而出現(xiàn)瞬態(tài)的磁場，瞬態(tài)的磁場導(dǎo)致地下產(chǎn)生渦流，隨著時間的流逝，渦流不停向地下推進(jìn)，擴(kuò)散的速度和地下地層的電阻率相關(guān)，不同時間擴(kuò)散至不同深度。通過監(jiān)測地下渦流變化（即磁場變化率dB/dt）來完成地下電阻率的解讀。瞬變電磁法原理圖如圖1。

圖1 瞬變電磁法原理圖Fig.1 Schematic diagram of TEM

由此得到的值并非電阻率而是感生電動勢隨時間的變化值。該值不能直接用來地下結(jié)構(gòu)的推斷，所以可通過下式對這種變化值進(jìn)行轉(zhuǎn)化：

式中：ρt為視電阻率，Ω；μ0為地層介質(zhì)磁導(dǎo)率，H/m；t 為時間，s；St為發(fā)射線圈面積，m2；Sr為接收線圈面積，m2；V（t）為感應(yīng)電動勢，V；I 為供電電流，A；ht為深度，m；σt為縱向電導(dǎo)，S；V（t）/I 為歸一化感應(yīng)電動勢，V。

視電阻率雖非實際地層電阻率，但其空間變化特性與真實地點(diǎn)斷面相一致，能客觀的展示出地下地質(zhì)體的空間分布特性。

2.1.2 現(xiàn)場探測

經(jīng)對變電站下伏采空區(qū)多次現(xiàn)場試驗得到了滿足探測要求的發(fā)射頻率為6.25 Hz，發(fā)射線框為1.5 m×1.5 m，疊加大于512 次。本次探測設(shè)置7 條測線，測線上各點(diǎn)間距10 m；設(shè)置試驗點(diǎn)2 個，線上物理點(diǎn)58 個，質(zhì)量檢查點(diǎn)3 個，總計完成瞬變電磁物理點(diǎn)63 個，剖面總長620 m，探測布置圖如圖2。瞬變電磁探測布置統(tǒng)計見表1。

圖2 探測布置圖Fig.2 The layout of the detection

表1 瞬變電磁探測布置統(tǒng)計Table 1 The statistical table of transient electromagnetic workload

本次瞬變電磁法勘探共獲生產(chǎn)探測記錄63 個，其中：甲級探測記錄52 個，甲級率82.5%；乙級探測記錄11 個，乙級率17.5%；合格探測記錄共計63個，合格率100%。

經(jīng)過對全區(qū)3 個系統(tǒng)質(zhì)量檢查觀測點(diǎn)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計（線上物理點(diǎn)的5%），整個探測區(qū)域相對誤差最大為9.21%，最小為0.11%，全探測區(qū)域總平均相對誤差為4.79%，原始數(shù)據(jù)合格率為100%，達(dá)到了MT/T 898—2000《煤炭電法勘探規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.3 探測數(shù)據(jù)

根據(jù)變電站下伏采空區(qū)中測線的視電阻率等值線剖面圖可知，變電站下伏采空區(qū)域內(nèi)地層的視電阻率斷面等值線和其走向趨勢一致，當(dāng)構(gòu)造發(fā)育或者有其他低阻異常體存在時，視電阻率等值線在橫向與縱向上均會出現(xiàn)扭曲或梯度變化。當(dāng)采空區(qū)無積水時，呈現(xiàn)高阻反應(yīng)，反之為低阻反應(yīng)。本變電站下伏采空區(qū)主要開采己16-17 煤層，水源主要來源于灰?guī)r含水層及第四系地表水。結(jié)合已知采空區(qū)資料并進(jìn)行綜合分析后，推斷本探測區(qū)內(nèi)的采空區(qū)存在充水情況，故本探測區(qū)內(nèi)的采空區(qū)會呈現(xiàn)低阻反映。1010 測線電阻率縱向剖面圖如圖3，H100 測線視電阻率縱向剖面圖如圖4。

圖3 1010 測線電阻率縱向剖面圖Fig.3 Longitudinal section view of resistivity of line 1010

圖4 H100 測線視電阻率縱向剖面圖Fig.4 Longitudinal section view of resistivity of line H100

由圖3 可知，1010 探測線的探測點(diǎn)為點(diǎn)號20到100，在點(diǎn)號50 位置，160 m 深度處等值線呈下低阻凹陷，推測存在采空區(qū)異常區(qū)域，位于鷹城廣場羽毛球場彩板房邊，推斷此類異常為彩板房的影響；點(diǎn)號30、點(diǎn)號100 下方，160 m 深度有低阻封閉、半封閉圈，推斷為采空區(qū)異常區(qū)域，如圖3 中紅色虛線所圈部位。

由圖4 可知，H100 探測線的探測點(diǎn)為點(diǎn)號1 000 到1 080，在點(diǎn)號1 010～號點(diǎn)1 030 之間，160 m 深度處呈現(xiàn)低阻凹陷，推斷為采空區(qū)異常區(qū)域，如圖4 中紅色虛線所圈部位。

將數(shù)據(jù)處理后獲得的測線斷面圖數(shù)據(jù)與已收集到的測區(qū)地質(zhì)和煤層開采情況相結(jié)合，對探測區(qū)160、200 m 深度進(jìn)行視電阻率切片，對探測區(qū)電性特征進(jìn)行進(jìn)一步研究，以此分析采空異常區(qū)分布。160 m 深度視電阻率水平剖面圖如圖5，200 m 深度視電阻率水平剖面圖如圖6。

圖5 160 m 深度視電阻率水平剖面圖Fig.5 Horizontal profile of apparent resistivity at a depth of 160 m

圖6 200 m 深度視電阻率水平剖面圖Fig.6 Horizontal profile of apparent resistivity at a depth of 200 m

由圖5 可看出，圖中視電阻率顏色由紅到藍(lán)逐漸降低；變電站下伏采空區(qū)160 m 深度的電性分布，其總體呈現(xiàn)左高右低及下高上低的電性特征，低阻區(qū)如圖5 中紅色虛線所圈部位，分布范圍較為均勻，范圍較大，推測為采空區(qū)異常區(qū)域。

由圖6 可看出，圖中視電阻率顏色由紅到藍(lán)逐漸降低；變電站下伏采空區(qū)200 m 深度的電性分布，其總體呈現(xiàn)左、下、右側(cè)高，上側(cè)相對較低的電性特征，低阻區(qū)如圖6 中紅色虛線所圈部位，推測為采空區(qū)異常區(qū)域；探測出的異常區(qū)位置與160 m 深度視電阻率切片圖上異常位置較重合。

繪制鉆孔深度與視電阻率關(guān)系曲線，1 030 位置地層深度與視電阻率關(guān)系如圖7。由圖7 可知，隨著地層深度的增加，1 030 位置視電阻率整體呈現(xiàn)增加的趨勢，而在-65.50～-75.02 m、-87.73～-94.08 m、-109.95～-119.48 m、-141.7～-158.34 m 的深度內(nèi)出現(xiàn)視電阻率降低的情況。

圖7 地層深度與視電阻率關(guān)系Fig.7 Relationship between stratum depth and resistivity

2.2 鉆孔探測

為進(jìn)一步為地基穩(wěn)定性和地災(zāi)評估提供地層數(shù)據(jù)，采用鉆孔探測揭露變電站下伏采空區(qū)地層基本情況。在場地西北角采空異常區(qū)布置鉆孔，鉆孔位置為瞬變電磁探測點(diǎn)號1 030 位置，鉆孔深度170 m，鉆孔平面位置圖如圖8。

圖8 鉆孔平面位置圖Fig.8 Plane location diagram of drilling

鉆孔探測采用XY-4 型機(jī)械傳動、液壓給進(jìn)式高速鉆機(jī)，0～-60 m 采用泥漿護(hù)壁，巖心管（外徑108 mm）鉆進(jìn)；-60 ～-150 m 采用套管（上部60 m）+泥漿護(hù)壁，巖心管（外徑75 mm）鉆進(jìn)；-150～-170 m采用套管（上部150 m）+泥漿護(hù)壁，巖心管（外徑60 mm）鉆進(jìn)。

鉆孔探測過程中，在-63.32～-75.02 m、-87.73～-94.08 m、-103.60～-116.30 m、-164.38～-170.02 m頁巖巖層中節(jié)理、裂隙較發(fā)育，較破碎，有少量漏水，在105 m 左右位置埋鉆（根據(jù)鉆孔完成后75 m 巖心管拔出后情況確定）。鉆孔探測結(jié)果表明，下部局部位置（頁巖巖層）巖體存在碎裂現(xiàn)象、裂隙較發(fā)育，但仍保留原始巖體結(jié)構(gòu)，骨架顆粒彼此接觸。在物探異常區(qū)進(jìn)行鉆探驗證，發(fā)現(xiàn)鉆探深度在-164.38～-170.02 m 范圍內(nèi)，巖石相對較為破碎，破碎帶被一些流體性物質(zhì)充填，如泥質(zhì)和水等，造成該部位電阻率降低，使物探電性剖面產(chǎn)生電性低阻異常。鉆孔深度與巖心率的關(guān)系曲線如圖9。

圖9 鉆孔深度與巖心率關(guān)系Fig.9 Relationship between drilling depth and core ratio resistivity

通常情況下，巖心率對于一般巖石不低于80%，對于軟巖、破碎巖石應(yīng)不低于65%，本變電站下伏采空區(qū)內(nèi)的巖石屬于一般巖石。由圖9 可知：鉆孔深度在-63.32～-75.02 m、-87.73～-94.08 m、-103.60～-116.30 m、-152.30～-155.32 m（該區(qū)域存在1.6 m煤層）、-164.38～-170.2 m 深度時巖心采集率小于80%。

3 變電站下伏采空區(qū)安全穩(wěn)定性評價

采空區(qū)異常區(qū)域如圖10。

圖10 采空區(qū)異常區(qū)域Fig.10 The anomalous area of goaf

對照測線1 010 視電阻率剖面圖中的點(diǎn)號1 030位置，發(fā)現(xiàn)在-65.50～-75.02 m、-87.73～-94.08 m、-109.95～-119.48 m、-141.7～-158.34 m 深度范圍內(nèi)，點(diǎn)號1030 位置所對應(yīng)的電阻率出現(xiàn)閉合現(xiàn)象。鉆孔探測過程中，在-63.32～-75.02 m、-87.73～-94.08 m、-103.60～-116.30 m、-164.38～-170.02 m 頁巖巖層中節(jié)理、裂隙較發(fā)育，較破碎，有少量漏水，在105 m 左右位置埋鉆（根據(jù)鉆孔完成后75 m 巖心管拔出后情況確定）。瞬變電磁探測與鉆孔探測的結(jié)果高度吻合，表明采用2 種方法能夠準(zhǔn)確確定采空區(qū)異常區(qū)域的位置和范圍，進(jìn)而可以對采空區(qū)的安全穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

綜合分析160 m 和200 m 深度視電阻率水平剖面圖、采空區(qū)深度與視電阻率關(guān)系曲線和鉆孔深度與巖芯率關(guān)系曲線，確定的采空區(qū)異常區(qū)域如圖10中粉色陰影區(qū)域，表明變電站下伏采空區(qū)的安全穩(wěn)定性存在不確定因素，需采取有效的采空區(qū)治理措施以保證變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)營。

4 結(jié) 語

采用瞬變電磁法和鉆孔探測對平頂山變電站下伏采空區(qū)進(jìn)行了綜合探測。由瞬變電磁探測得到視電阻率縱向剖面和采空區(qū)深度與視電阻率關(guān)系曲線，在-65.50～-75.02 m、-87.73～-94.08 m、-109.95～-1 19.48 m、-141.7～-158.34 m 深度范圍內(nèi)，點(diǎn)號1 030位置存在低阻異常區(qū)域；由160 m 和200 m 深度視電阻率水平剖面確定了低阻異常區(qū)域的水平范圍。由鉆孔探測得到鉆孔深度與巖心率關(guān)系曲線，確定在-63.32～-75.02 m、-87.73～-94.08 m、-103.60～-116.30 m、-164.38～-170.02 m 頁巖巖層中節(jié)理裂隙較發(fā)育、較破碎、有少量漏水，表明采空區(qū)存在異常區(qū)域。綜合分析瞬變電磁與鉆孔探測結(jié)果，可以確定采空區(qū)異常區(qū)域，表明變電站下伏采空區(qū)的安全穩(wěn)定性存在不確定因素，需采取有效的采空區(qū)治理措施以保證變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)營。