采空区物探方法新探

潘瑞林

(中铁工程设计咨询集团有限公司, 北京 100025)

1 概述

近几年,在铁路工程勘察中愈来愈多地遇到在地面用物探方法探测采空区的问题：线路经过区是否存在采空区、采空区的平面范围、采空区的深度范围、主要的采空区巷道等。加之工点还经常存在各种干扰：交直流电、振动等,致使采空区探测已成为了工程物探的难点问题之一。

目前,在地面探测采空区较有效、常用的物探方法主要有：高密度电阻率法、直流电法(包括,电测深法和电测剖面法)、地质雷达法、地震反射法、瑞雷面波法。近来,我们遇到二个深度较大(50～200 m左右)和一个有严重交直流电干扰的采空区探测问题,分别采用了瞬变电磁法、高频大地电磁法和微重力法,取得了较好的探测效果。详细介绍了三个采空区探测工点的物探工作布置、数据采集及资料处理解释,旨在引起我们对采空区物探方法的新思考。

2 瞬变电磁法探测磁铁矿采空区

2.1 工点概况

工点位于河北邯郸涉县开发区东部,地形属中低山区,高程535～577 m,相对高差15 m。地表大部为耕地,南部存在大量矿渣。地表为第四系中上更新统冲洪积(Q3+2al+pl)黄土,沉积厚度一般为10～40 m,下伏地层为中奥陶系(Q2)灰岩,其下为闪长岩。磁铁矿即赋存于灰岩与闪长岩的接触带及接触带顶底板灰岩薄弱带中,矿床成因类型为接触交代型磁铁矿床。矿体总体走向为北东30°～50°,倾向南东,倾角10°～20°,含矿1～3层,单层平均厚度2～4 m,局部地段5～7 m,矿体埋深40～85 m,矿体在矿区内呈非连续条带状或蜂窝状分布。

电厂专用线在K0+200～+800段通过磁铁矿采空区,要求物探探测采空区的平面分布范围、深度范围。

2.2 工作布置及数据采集

共布置测线5条(线路中线1条,线路左、右侧各2条),线间距20 m,点距10 m。使用美国zonge公司生产的GDP-32Ⅱ型多功能电法仪,采用瞬变电磁法中的nanotem采集方法,该方法关断时间短、精度高,发射线圈为100 m×100 m,采用接收面积200 m2的磁探头。采集时采取了如下措施以保证数据质量：(1)人员车辆远离发射线、接收线圈；(2)发射线圈过路、过坑时拉直；(3)磁探头利用水准泡调试垂直,不放在下部松软的物体上；(4)采用一定叠加次数并多次记录数据块；(5)采集时现场监督每个测点的质量；(6)野外班报记录清楚,对明显地物和干扰源都有详细描述；(7)室内及时回放资料。该工点共完成355点,检查点18个,所采集的信噪比较高,离差小,质量可靠。

2.3 资料分析解释

图1是线路中测线的等视电阻率断面图。结合已有地质资料,本工点解释原则为：视电阻率低于100 Ωm解释为第四系黄土地层,视电阻率200～400 Ωm为奥陶系灰岩地层；采空区为相对高阻区,视电阻率250～600 Ωm。据此,解释推测了采空区。本工区进行物探的同时,布置了6个钻孔勘探,物探解释采空区区段3孔验证了存在采空区(充填红色的钻孔),2孔未钻到采空区(充填青色的钻孔,未钻到采空区的原因是孔钻深度偏浅和钻孔位置稍偏离采空区),表明物探效果较好。物探查明了采空区的平面和深度分布范围。

图1 线路中测线等视电阻率断面图及采空区解释

3 高频大地电磁法探测煤炭采空区

3.1 工点概况

工点位于吉林珲春市郊三道岭,为丘陵缓坡地形,地表主要为耕地。表层为第四系坡、残积粉质黏土,厚1.0～10.0 m,下伏第三系珲春组泥岩、砂岩夹煤层,岩层产状较平缓。调查资料显示国营矿采煤深度约80.0～200.0 m。线路DK351+900～DK358+000段由采空区北东侧边缘地带通过,需用物探查明采空区平面边界。

3.2 工作布置及数据采集

根据初步调查资料,垂直线路布置横测线21条,横测线间距100～500 m,每条横测线长260～1 050 m,测线总长11 660 m。采用高频大地电磁法,测点距25 m。使用美国GEOMETRICS公司的EH-4高频大地电磁测量系统,该系统频率响应范围为10～100 000 Hz。数据采集采用电极平距20 m,森林罗盘仪定位以保证X、Y方向的电场和磁场电极垂直。

3.3 资料分析解释

图2和图3分别是22-22′测线和14-14′测线的等视电阻率断面。

结合已有地质资料,本工点解释原则为：地表视电阻率低于60 Ωm解释为第四系坡、残积粉质黏土地层；其下视电阻率15～150 Ωm为第三系珲春组泥岩、

图2 22-22′测线等视电阻率断面图及采空区解释

图3 14-14′测线等视电阻率断面图及采空区解释

砂岩夹煤层,其中视电阻率15～50 Ωm主要为泥岩夹煤层反映；采空区为泥岩夹煤层连续性间断、并是相对高阻的异常区,视电阻率大于60 Ωm。据此,推断解释了采空区的平面边界：线路左右300 m范围内无明显采空区,采空区仅局部分布于线路右300 m以外的区域,采空区深度范围约100～150 m。物探完成后,该段沿线路布置了钻探,其中最深钻孔为123.4 m,均发现采空区。验证了物探结果,物探效果较好。

4 微重力法探测煤炭采空区

4.1 工点概况

工点位于山西屯留县,地表为黄土、粉质黏土,下为砂岩、泥岩夹煤层,附近有电厂,交直流电干扰严重,调查初步圈定了采空区边界范围,但资料依据不充分,仍需使用物探探测,进一步验证采空区边界范围。

图4 重力测量成果

4.2 工作布置及数据采集

沿线路中线布置1条微重力测线,测线长3.78 km,测点距20 m。采用美国LCR-D型高精度重力仪观测(灵敏度0.4微伽,读数精度5微伽)。为了有效地控制重力仪的零点漂移,根据工点交通、地形地貌及仪器性能情况,本工点采用相对重力测量,工点设重力基点1个,每天开工前及收工时均在基点对仪器进行检查观测。测点重力观测由基点开始,采用单次逐点观测法起闭于基点,每个单元闭合时间均不大于8 h。为保证数据可靠,每天起始基点进行基-辅-基观测,基点每组3次读数,辅基每组2次读数,最大与最小读数之差小于0.005格；测点观测每组2次读数,两次读数之差不大于0.005格,否则重新读数。平均数采用四舍五入法记录。

4.3 资料整理与分析解释

观测点布格重力异常值按(1)式计算

g布=Δg测+Δg布改+Δg地改-γ0

(1)

式中,g布为观测点布格重力异常值；Δg测为观测点绝对重力值(统一使用工区中心点的固体潮理论值进行固体潮改正)；Δg布改为测点处的布格改正值；Δg地改为地形改正值；γ0为正常重力值,使用国际大地测量协会(IAG)推荐的1980年公式。各项计算公式分别为

Δg布改=(0.308 6(1+0.000 7cos2Ф)-0.72×10-7h-0.041 9ρ+0.020 95/R×ρ×h)h；

γ0=978 032.7(1+0.005 302 4sin2Ф

-0.000 005 8sin22Ф)；

Δg地改地形改正值分近区地改(0～20 m)和中区地改(20～200 m)两部分,地改值利用台阶(陡坎地形)或锥形柱体(复杂地形)地改计算公式计算。前式中,Ф为测点的纬度值；h为测点海拔高程；ρ为中间层密度(2.1 g/cm3)；R为园域地形改正半径。

图4是本工点的重力测量成果。从成果图可见,测点号21～110间布格重力异常值存在明显低值异常,推断解释该段存在采空区,长度约1.78 km。该探测结果进一步验证了采空区边界范围,据此线路方案进行了调整,线路绕避了该段采空区。

5 结束语

探测实例说明瞬变电磁法、高频大地电磁法和微重力法探测采空区可以取得较好效果。瞬变电磁法和高频大地电磁法可探测采空区平面和深度范围,也可探测主要采空区巷道。微重力法虽只能圈定采空区平面范围,但受交直流电干扰和振动干扰等较小,轻便快速,有较好的应用前景。今后,探测深度较大的采空区时,上述三种物探方法值得重点采用。

[1] DZ/T0171—1997 大比例尺重力调查技术规定[S]

[2] TB10013—2004 铁路工程物理勘探规程[S]

[3] TB10027—2001 铁路工程不良地质勘察规程[S]