王寧，李正，田光彩，李志峰，李坤，楊傳偉

(山東省魯南地質(zhì)工程勘察院(山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)大隊(duì))，山東 濟(jì)寧 272100)

0 引言

我國(guó)礦產(chǎn)資源豐富，礦產(chǎn)資源的開發(fā)帶來了經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，但同時(shí)帶來了采空塌陷問題，存在地質(zhì)災(zāi)害隱患。隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，建設(shè)用地需求不斷增加，如何充分利用歷史遺留礦區(qū)土地，妥善處理采空區(qū)、采掘巷道等問題，使其變廢為寶，轉(zhuǎn)化為可供利用的建設(shè)用地成為關(guān)鍵問題。

目前，采空區(qū)處理措施有全充填注漿法、注漿柱、井下砌墩柱、樁柱及樁基支撐覆巖及地表建筑物法、釋放老采空區(qū)沉降潛力法、注漿加固和強(qiáng)化采空區(qū)圍巖結(jié)構(gòu)等方法。其中以注漿法應(yīng)用最廣泛、效果最好[1]。但同時(shí)，注漿法也存在著隱蔽、不可見的弊端，因此，注漿完成后的注漿效果檢測(cè)工作顯得尤為重要。本文通過對(duì)山東省濟(jì)南市章丘區(qū)某建設(shè)場(chǎng)地注漿效果的檢測(cè)，分析可控源音頻大地電磁法和高密度電法在注漿檢測(cè)中的應(yīng)用效果，以期為后續(xù)類似工作提供借鑒。

1 工程概況

建設(shè)場(chǎng)地位于濟(jì)南市章丘區(qū)西南，為村民安置工程擬建場(chǎng)區(qū)，場(chǎng)地南北長(zhǎng)約200m，東西長(zhǎng)67～180m。因場(chǎng)地范圍涉及煤礦采空區(qū)，采空區(qū)引發(fā)的地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害威脅地面建設(shè)，因此需對(duì)擬建場(chǎng)地用地范圍煤礦采空區(qū)進(jìn)行注漿充填治理。

據(jù)前期勘查工作鉆探揭露，場(chǎng)區(qū)地層從上至下依次為第四系(厚度10～20m)、石炭系(厚度140m左右)和奧陶系(厚度800m)，巖性以泥巖、粉砂巖和灰?guī)r為主，石炭紀(jì)本溪組為主要含煤層，主要含煤9-2、煤10-1，煤層傾向約230°，傾角小于15°。其中，煤9-2采空區(qū)厚2.50～3.60m，埋深39.20～83.10m，煤10-1采空區(qū)厚0.50～3.00m，埋深87.50～96.00m。擬建場(chǎng)區(qū)內(nèi)有一條斷裂(F28)穿過。

設(shè)計(jì)注漿工程注漿孔深度102m，治理工程注漿采用水泥粉煤灰漿液。

為了檢測(cè)采空區(qū)充填注漿效果，結(jié)合工程實(shí)際情況，在充填注漿前后分別采用可控源音頻大地電磁法和高密度電法在研究區(qū)進(jìn)行測(cè)量，對(duì)比分析前后2次測(cè)量結(jié)果，對(duì)充填注漿效果進(jìn)行推斷評(píng)價(jià)，并利用鉆探取芯對(duì)檢測(cè)推斷成果進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 地球物理特征

研究區(qū)地層自上而下主要為第四系、石炭系、奧陶系。從電性上分析，區(qū)內(nèi)地層整體電阻率整體呈淺部低深部高且似層狀的分布特征。測(cè)區(qū)內(nèi)淺部第四系以砂質(zhì)黏土為主，電阻率一般不大于30Ω·m，表現(xiàn)為低電阻率特征；石炭紀(jì)太原組、本溪組及山西組以頁巖、砂巖、粉砂巖和泥灰?guī)r為主，電阻率一般在30～260Ω·m之間，整體表現(xiàn)為相對(duì)高電阻率特征；深部奧陶系以灰?guī)r為主，較上伏地層呈明顯的高電阻率特征，電阻率一般大于300Ω·m之間。

3 檢測(cè)方法及工作布置

地球物理勘查方法應(yīng)用于工程檢測(cè)、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)方向，已逐漸成為行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，也是目前工程技術(shù)研究熱點(diǎn)。近年來，物探方法在采空區(qū)治理效果檢測(cè)方面得到了一定的應(yīng)用[2-7]。本次采空區(qū)充填注漿效果檢測(cè)工程，結(jié)合檢測(cè)深度、施工場(chǎng)地條件，兼顧施工成本與效率，主要選擇了可控源音頻大地電磁法和高密度電法2種技術(shù)方法。

3.1 可控源音頻大地電磁法

可控源音頻大地電磁法(簡(jiǎn)稱CSAMT)是以人工接地電偶極子發(fā)射不同頻率的信號(hào)為電磁源，在測(cè)點(diǎn)上測(cè)量接收電磁場(chǎng)的正交分量，進(jìn)而依據(jù)不同頻率電磁信號(hào)計(jì)算不同深度的電阻率值，即該方法為一種人工源頻率域電磁測(cè)深勘探方法。按照卡尼亞電阻率公式計(jì)算視電阻率，公式(1)為:

(1)

式中:ρs為視電阻率；f為發(fā)射頻率；|Ex|為沿x方向電場(chǎng)強(qiáng)度；|Hy|為沿y方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

基于電磁波傳播理論和麥克斯韋方程組，根據(jù)電磁波的趨膚效應(yīng)，可以獲得趨膚深度公式(2)為:

(2)

式中:ρs為巖石電阻；f為發(fā)射頻率。從中可以看出電磁波的趨膚深度隨著電阻率的增高與頻率的降低而增大，因此，可以通過改變發(fā)射頻率來改變探測(cè)深度，以達(dá)到頻率測(cè)深的目的[8]。

本次可控源音頻大地電磁工作采用V8多功能電法工作系統(tǒng)測(cè)量施工，主要采用標(biāo)量TM測(cè)量模式。為達(dá)到探測(cè)深度并兼顧較高的信噪比，收發(fā)距選取為3.5km左右。測(cè)量電極距10m，點(diǎn)距10m，選取測(cè)量頻率為1～8192Hz。

3.2 高密度電法

高密度電法是以常規(guī)電法為基礎(chǔ)發(fā)展起來的陣列式勘探方法，以巖土介質(zhì)的導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)[9-16]，通過觀測(cè)和研究人工建立的地下穩(wěn)定電流場(chǎng)的分布規(guī)律以解決相應(yīng)的地質(zhì)問題[2]。野外測(cè)量時(shí)需將全部電極置于測(cè)點(diǎn)上，利用程控電極轉(zhuǎn)換開關(guān)和微機(jī)工程電測(cè)儀，便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速和自動(dòng)采集，增加了空間供電和采樣的密度，提高了縱橫向分辨能力和工作效率。

本次工作中最小電極距為5.0m；采用串聯(lián)干電池箱(270V)供電，供電脈寬為0.5s，周期2s；數(shù)據(jù)采集裝置為單邊三極裝置，最大采集層數(shù)16層，無窮遠(yuǎn)極垂直測(cè)線布設(shè)，距測(cè)線約900m左右，裝置形式如圖1所示。

圖1 高密度電法三極裝置示意圖

3.3 測(cè)線布置

可控源音頻大地電磁法在采空區(qū)布設(shè)2條測(cè)線(L10、L12)，均為近東西向布設(shè)，測(cè)線長(zhǎng)度均為180m左右，線距約20m，點(diǎn)距10m(圖2)。

1—研究區(qū)范圍;2—可控源音頻大地電磁法測(cè)線;3—高密度電法測(cè)線;4—驗(yàn)證鉆孔;5—解譯斷層圖2 測(cè)線及驗(yàn)證鉆孔布置圖

高密度電法：高密度電法測(cè)線布設(shè)1條測(cè)線(G10)，近東西向布設(shè)，線長(zhǎng)為175m，與可控源音頻大地電磁法測(cè)線L10線重合，點(diǎn)距為5m。

4 檢測(cè)成果分析

煤層開采后，上覆巖體易發(fā)育垮落帶、斷裂帶和彎曲帶，即為采空區(qū)影響區(qū)域；地下水由此滲入巖體破碎區(qū)和采空區(qū)內(nèi)，從而使得采空區(qū)及其影響區(qū)域視電阻率大幅降低，相比完整圍巖，采空區(qū)及其影響區(qū)域表現(xiàn)為封閉、半封閉的低阻異常[17-21]。

經(jīng)注漿充填后，水泥粉煤灰漿液被注入采空區(qū)域。若注漿充填密實(shí)，采空區(qū)及其影響區(qū)域的電阻率將顯著升高；若未注漿充填或充填不密實(shí)，采空區(qū)及破碎區(qū)域的電阻率將不發(fā)生變化或變化相對(duì)不明顯。此即利用可控源音頻大地電磁法及高密度電法進(jìn)行采空區(qū)充填注漿效果檢測(cè)的分析推斷原則。

4.1 可控源音頻大地電磁法檢測(cè)

可控源音頻大地電磁法測(cè)線(L10、L12線)均位于場(chǎng)區(qū)南部。采空區(qū)注漿充填前，淺部視電阻率等值線呈現(xiàn)似層狀特征，為埋深0～10m第四紀(jì)地層反應(yīng)。

在埋深10～100m左右，視電阻率60Ω·m以上，推斷為石炭紀(jì)頁巖、砂巖和泥巖為主的層狀地層。煤層局部采空區(qū)后，視電阻率等值線呈現(xiàn)閉合或半閉合低阻狀，推斷為采空區(qū)及其影響區(qū)域。采空區(qū)注漿充填前推斷的采空區(qū)及其影響區(qū)域，在注漿后視電阻率明顯升高，視電阻率等值線整體上相對(duì)連續(xù)，視電阻率閉合、半閉合異常消失，推斷采空區(qū)已充填漿液，且充填相對(duì)密實(shí)。

斷層F28埋深大于10m深度，視電阻率等值線呈明顯“U”型低阻異常，結(jié)合區(qū)域構(gòu)造發(fā)育形態(tài)及特征，推測(cè)識(shí)別斷裂構(gòu)造F28發(fā)育位置。如L10線，測(cè)點(diǎn)30～90m處(圖3、圖4)。采空區(qū)注漿充填后，斷層F28發(fā)育位置深部視電阻率等值線仍呈明顯的近“U”型低阻異常。

(a—注漿充填前;b—注漿充填后)1—推斷采空區(qū)及其影響區(qū)域;2—視電阻率等值線及標(biāo)注(Ω·m);3—推斷斷裂位置;4—驗(yàn)證鉆孔;5—驗(yàn)證鉆孔見漿區(qū)域圖3 L10線視電阻率等值線圖

L12線剖面顯示2處低視電阻率異常區(qū)，解釋為受斷裂破碎帶影響區(qū)域或者注漿不密實(shí)區(qū)域(圖4b)。

4.2 高密度電法檢測(cè)

G10線位于場(chǎng)區(qū)南部，與可控源音頻大地電磁法L10線位置、長(zhǎng)度基本一致(圖5)。采空區(qū)及其影響區(qū)域注漿充填前視電阻率等值線呈半閉合低阻狀。采空區(qū)注漿充填后，采空區(qū)及其影響區(qū)域視電阻率由原來的20Ω·m提升到40Ω·m左右，可控源音頻大地電磁法L10線上的形態(tài)與高密度法視電阻率斷面圖上的形態(tài)相似，視電阻率斷面圖上無明顯的封閉型低阻異常，視電阻率整體上比較連續(xù)，推斷采空區(qū)已進(jìn)行了注漿，且注漿較密實(shí)、效果較好。

(a—注漿充填前;b—注漿充填后)1—推斷采空區(qū)及其影響區(qū)域;2—視電阻率等值線及標(biāo)注(Ω·m);3—推斷斷裂位置;4—驗(yàn)證鉆孔;5—驗(yàn)證鉆孔見漿區(qū)域圖5 G10線視電阻率等值線圖

4.3 鉆孔驗(yàn)證

為驗(yàn)證注漿充填效果的物探推斷成果，研究區(qū)內(nèi)選取分布于測(cè)線周圍驗(yàn)證鉆孔5個(gè)(YZK9、YZK10、YZK11、YZK13、YZK14),終孔深度均達(dá)到102m，未揭穿石炭紀(jì)地層，全孔取芯(表1)。

表1 物探推斷成果與鉆孔驗(yàn)證情況一覽表

根據(jù)驗(yàn)證鉆孔取樣結(jié)果，石炭系多為風(fēng)化泥巖、粉砂巖，厚度在100m以上，與可控源音頻大地電磁法和高密度電法測(cè)線電阻率等值線圖反映基本吻合。5個(gè)驗(yàn)證鉆孔均揭露破碎巖層，均揭露水泥漿充填物，且采取率均大于95%，見漿深度范圍基本能與檢測(cè)推斷成果基本吻合(部分由于鉆孔位置與測(cè)線不重合，導(dǎo)致見漿深度有出入)。其中，YZK11鉆孔位于注漿后L12可控源音頻大地電磁等值線解譯低視電阻率異常區(qū)，該區(qū)域在埋深65.00～69.60m揭露充填粉煤灰。

5 結(jié)論

本次可控源音頻大地電磁法和高密度電法充填注漿檢測(cè)推斷成果與鉆孔驗(yàn)證情況基本吻合，檢測(cè)推斷成果得到較好的驗(yàn)證，但也存在一些問題。

(1)在無采空區(qū)干擾下，區(qū)內(nèi)地層視電阻率整體呈淺部低深部高且似層狀的分布特征。采空區(qū)及其影響區(qū)域由于充水原因造成區(qū)域電阻率降低，主要分布于石炭紀(jì)頁巖、砂巖和泥巖地層中，電阻率等值線呈現(xiàn)由于采空區(qū)充水而形成的閉合或半閉合低阻狀。注漿后采空區(qū)及其影響區(qū)域電阻率明顯升高，電阻率等值線整體上比較連續(xù)，無明顯的封閉型低阻異常，據(jù)此可推斷原采空區(qū)已被注漿充填。

(2)注漿前后的電阻率等值線存在明顯差異，物探檢測(cè)結(jié)果與驗(yàn)證鉆孔取樣結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了將物探檢測(cè)方法綜合應(yīng)用在采空區(qū)注漿充填效果檢測(cè)中是合理的、可行的。

(3)煤層上下存在泥巖、頁巖等低阻地層時(shí)，將對(duì)采空區(qū)及其影響范圍的圈定產(chǎn)生嚴(yán)重干擾；并且當(dāng)注漿場(chǎng)區(qū)內(nèi)存在斷層構(gòu)造時(shí)，可控源音頻大地電磁法和高密度電法電阻率等值線視呈明顯“U”型低阻異常，亦會(huì)對(duì)場(chǎng)地注漿后通過2種方法對(duì)注漿效果檢測(cè)產(chǎn)生干擾；此外，注漿充填前后2次物探電法成果，由于地下水水位變化等原因造成電阻率背景值存在一定變化，對(duì)推斷解釋存在一定干擾，推斷解釋工作主要進(jìn)行了定性分析，檢測(cè)成果的使用尚需結(jié)合一定鉆孔驗(yàn)證。

(4)高密度電法反映效果較可控源音頻大地電磁法檢測(cè)效果相對(duì)較好，橫向和縱向檢測(cè)定位的準(zhǔn)確度相對(duì)較高。但是高密度電法的探測(cè)深度較可控源音頻大地電磁法相對(duì)要小的多，在此后的注漿充填檢測(cè)工作中應(yīng)注意方法選取。