利用综合物探法勘查岩溶及采空区

黄明光　胡龙华

(江西省核工业地质局二六三大队)



利用综合物探法勘查岩溶及采空区

黄明光胡龙华

(江西省核工业地质局二六三大队)

摘要对浅层纵波反射、高密度直流电法、弹性波跨孔CT测量的基本原理和工作方法进行了详细分析。通过将该3类方法应用于朱坑地区和南安高速测区，对勘查成果特别是具有代表性的典型剖面进行解译，并进行了钻探验证，总结了溶洞(采空区)对应各类异常的特征,详细讨论了3类方法的应用效果，认为三者进行综合应用对于岩溶及采空区的勘查效果较好。

关键词综合物探法采空区浅层纵波反射高密度直流电法单行波跨孔CT测量

地下空洞、采空区、岩溶是一些老矿山已经停止开采的老采空区以及地下工程建设时留下的管道空洞，大大影响了地表的稳定，易引发岩溶及采空区塌陷。为此，本研究以朱坑地区、南安高速测区为例，利用综合物探方法对岩溶及采空区进行勘查，即首先通过高密度直流电法测量结合浅层纵波反射法分析判断并划分岩溶或采空区的发育地段，然后在岩溶或采空区的发育地段进行弹性波跨孔CT测量，对岩溶或采空区的埋深、规模进行定量分析。

1工作区地质概况

2地球物理特征

朱坑地区第四系覆盖层为低阻，干燥风化砂层为特高阻，潮湿粉砂质黏土层为低阻，溶洞在有水填充或黏土填充时表现为低阻，溶洞无填充时表现为高阻，灰岩层为中高阻，含水砂砾石层为低阻，区内不同地层与岩溶间存在较明显的电性差异。溶洞位于地下水位以下，溶洞内必然充填水。溶洞内介质为水，纵波波速1 200 m/s，密度1.0 g/m3。溶洞为黏土填充，则纵波波速1 100～1 300 m/s，密度1～2.2 g/m3，第四系纵波波速800～2 000 m/s，密度2.6 g/m3。

3工作方法原理

3.1浅层纵波反射

浅层地震反射波工作的前提是地下须存在波阻抗的差异界面[1-3]，该方法是在距震源较近的若干观测点上测定地震波从震源到不同弹性的地层界面反射回到地面的旅行时间，测线不同位置法线反射时间的变化反映了地下地层的构造形态,从而达到划分地质层位或断层、岩溶(采空区)和坑道的目的。工作中采用的装置道间距3 m，根据现场试验结果采用不同的偏移距，本研究朱坑地区、南安测区分别为30，18 m，均为12道接收，3次覆盖观测系统，24磅大锤震源，叠加次数一般6次，采样间隔0.125 ms，记录长度512 ms，部分面波发育的松散地层增加了叠加次数。野外数据采集时开启滤波，滤波档为低切25 Hz，高切500 Hz。浅层地震工作观测系统原理见图1。

图1　有偏移距多次覆盖观测系统

3.2高密度直流电法

高密度直流电法是一种以地下介质导电性差异为基础，通过观测和研究与该类差异有关的人工电场分布规律，查明地下地质构造和寻找地下电性不均匀体(岩溶、风化层、滑坡体等)的阵列式地球物理勘探方法。工作中采用的均为施伦贝尔装置，点距6 m，60道测量，通过测绳和罗盘布设测点，红布条和竹签进行定点标识。控制深度数据16层(探测最大深度约60 m)。野外工作时1次布设60个电极，电极转换开关按施伦贝尔方式进行组合，控制仪器观测每个数据的ΔU值、I值，经自动计算视电阻率，存储于仪器内。1个排列完成后，向前滚动，重复上述测量，直至整个剖面测量完毕，将数据传至计算机，使用专用软件进行资料处理和二维反演计算，根据视电阻率值绘制等值线拟断面图(色阶图)。高密度电法工作原理见图2。

图2　高密度电法工作原理

3.3弹性波跨孔CT测量

弹性波跨孔CT(井间)地震层析成像是一种利用地震波探测地下介质地质特征的高分辨率地震勘探技术。地震层析成像的主要目的是确定介质内部的精细结构和局部不均匀性，可解决诸多地质勘探和矿产资源开发中的难题。弹性波跨孔CT测量系统主要由仪器采集系统，接受系统和激发系统组成。在已知某种地震波旅行时间的情况下可通过地震层析成像技术反演求解地下介质的速度场。地震波的旅行时间是对地下介质慢度函数沿波的传播射线路径进行线性积分，反演则是在已知地震波旅行时间矩阵的条件下反推出慢度函数。跨孔弹性波CT成像工作原理见图3，该观测方法是一孔激发，另一孔12道接收，本研究根据孔深和探测任务将激发点距、接收道距均确定为1.0 m。

图3　跨孔弹性波CT测量工作原理

4综合物探法成果解译

工作区地下溶洞(采空区)主要依据反射波时间剖面的反射波组溶洞区异常特征以及高密度电法测深的视电阻率在溶洞区反映的异常特征进行解译推断。物探解译的岩溶发育区未必为单个溶洞(采空)区，可能为多个溶洞(采空)区以及因溶洞(采空)区引起的围岩破碎带、顶部基岩面坍塌等。

4.1朱坑地区岩溶勘查

3020#测线方位SW245°，全长714 m，168～180 m处为塌陷区。高密度视电阻率断面图(图4)显示，在180～204 m处见较明显的低阻异常区，异常呈纺锤形向下延伸，而在168～180 m处出现了面积较大的塌陷，在桩号189 m处布设ZK04钻孔，钻探深度40 m，未见基岩，钻探38.5 m后进尺异常变快，3020#剖面视电阻率断面图(图4)在桩号162、180～198 m处以及258、372、540 m处见5个低阻异常区。浅层地震测线长度609 m，在反射波同相轴上可见近地表砂砾岩层断断续续不连贯，部分区域错动较大。反射波组在30～98 ms有较连续的同相轴，推测为灰岩面的顶面反射所致，结合ZK03钻孔数据反算覆盖层的平均纵波速度约850 m/s，灰岩面厚度13～50 m，在桩号168～234 m处，反射波组凌乱缺失，推测为岩溶塌陷所致，地表稳定性差，为塌陷易发区域。结合高密度测量成果推测在桩号72、186、192、264、306、354、420、546、600 m处，深约33、49、42、37、33、35、39、52、35 m处存在岩溶(土洞)发育区。推测了2处塌陷易发区域，分别为桩号168～234 m地段和576～612 m地段。推测了2条构造分别位于180、366 m处，倾向大号点方向(南西方向)。

图4　3020#剖面高密度电法及浅层地震纵波反射测量成果解译

3050#测线推测在桩号56、136、212、256、320、344、412 m处，深约32、66、64、59、65、 40、68 m处存在岩溶(土洞)发育区。推测了3个塌陷易发区域，分别为桩号180～216、248～264、312～396 m地段。推测了2条构造分别位于208、392 m处，倾向大号点方向(南西方向)。具体推断成果见图5。

4.2弹性波跨孔CT测量

L03#剖面为ZK03、ZK06钻孔间的测量剖面，中间地面为居民自建四层楼房，ZK06孔激发，ZK03孔接收。剖面上纵波速度分布较均匀，上部纵波波速一般1 500～3 000 m/s，反映剖面上部为土层(黏土、卵石、砾石、砂等)，底部为灰岩的地质特征。在剖面靠近ZK03孔一侧下部-31～-35 m处高速区见闭合状低速异常,推测为溶洞、岩石破碎的反映。在剖面靠近ZK06钻孔一侧下部-35.5 m处高速区见闭合状低速异常,推测为溶洞,其右上部低速层说明该岩溶与上覆第四系连通,由于塌落形成了结构松散的低速层。波速影像图与钻探成果完全吻合，说明弹性波跨孔CT测量在岩溶勘查方面具有良好的效果，具体解译推断成果见图6。

4.3南安高速测区采矿坑道勘查

南安坑道综合物探工作具体成果见表1。通过综合物探工作推断测区内有3条主坑道，分别位于1#、2#洞口，工作区内采矿坑道基本集中于工作区西南部。区内布设的6个验证钻孔中ZK01、ZK02、ZK04钻孔见坑道，其余钻孔受深度限制(设计钻探深度35 m)未见坑道，但钻探成果与物探推断数据基本吻合。

南安工作区具有代表性的剖面为2100#剖面，该剖面方位351°，测线长222 m。高密度视电阻率断面图反演推断地表为杂填土，浅部相对中高阻为砂砾岩，相对高阻为页岩，中低阻为变余砂岩。浅震反射波20～ 30 ms间有较连续的同向轴，反射波组振幅较大，推测为基岩面所引起的反射纵波组，在测线CDP点68#～74#(桩号111～120 m)和CDP点26#～30#(桩号48～54 m)处见有异常区，异常区内反射波组同向轴缺失，反射时间40 ms。2100#剖面推断解译成果见图7。

在桩号114 m处布设验证钻孔ZK02，在桩号51 m处布设验证钻孔ZK04。ZK02孔钻探表明，地表至-0.8 m为杂填土全风化砂砾岩，-0.8～-15.8 m为全风化页岩，-15.8～-18.2 m为坑道被淤泥填充，-18.2 m以下为砂岩，钻探数据与物探分析成果基本吻合。2个钻孔的具体钻探情况见图8。

图5　3050#剖面高密度电法及浅层地震多次叠加测量成果解译

图6　L03#剖面跨孔弹性波CT反演波速影像及综合地质解译剖面

序号坑道位置测桩/m线号顶板埋深/m钻孔备注1111～1171200#322150～154.51200#513114～1201400#4842491400#205186～1921500#52ZK056276～2821500#31ZK03778～811600#48ZK04见坑道8111～1141600#54978～902000#29ZK01见坑道10111～1202100#18ZK02见坑道1193～1022200#44ZK05与1500#线相交处12144～1502300#441354～602400#4214141～1482000#43ZK06

5结论

(1)浅层纵波反射坑道(溶洞)异常特征为基岩面反射同向轴振幅突然减弱甚至消失或出现杂乱现象，该类异常为基岩面附近存在溶洞的反映，基岩面反射同向轴下方出现绕射波、弧状、双曲线状反射异现象、突然见能量较强的多次反射波或杂乱波形，该类异常为基岩内部存在溶洞的反映。

图7　2100#剖面综合物探推断解译成果

图8　南安采矿坑道勘查验证结果

(2)浅层纵波反射确定基岩面的主要依据是首层出现连续性较好、振幅较大的同向轴一致的反射波组，结合覆盖层的波速、双程旅行时间计算基岩面深度，利用钻孔资料校正可较准确地分析判断基岩面的起伏特征。

(3)溶洞(采空区)的判断主要依据反射波组的缺失、绕射或出现反射波组杂乱等异常现象。溶洞(坑道)在高密度电法中的显示特征：在有填充物的情况下通常为低阻异常区或低阻带，无填充物反演后显示为高阻体。

(4)高密度电法通过电性差异区分不同岩性，浅层纵波反射利用波阻抗的差异，结合物探异常所处的区域特征可对异常的可靠性进行较准确的判断。弹性波跨孔CT测量能够对剖面进行不间断的测量，且能够对岩溶(采空区)的埋深和规模进行定量反演计算，可更直观地反映岩溶的具体赋存空间状况。该3类物探方法的综合使用，对于岩溶或采空区具有较好的勘查效果。

参考文献

[1]熊章强，方根显.浅层地震勘探[M].北京:地震出版社，2002.

[2]姚姚.地震波场与地震勘探[M].北京：地质出版社，2006.

[3]言会，李磊，谢勇，等.江西省区域岩石物性数据手册[M].北京：地质出版社，2007.

(收稿日期2016-02-19)

Exploration of Karst and God Based on Comprehensive Geophysical Prospecting Method

Huang MingguangHu Longhua

(263 Brigade,Jiangxi Nuclear Industry Geological Bureau)

AbstractThe basical principle and working method of shallow longitudinal wave refection method, high density of direct current electric method and elastic wave cross hole CT measurements method are analyzed in detail. Based on the above analysis results,the above three methods are applied in Zhukeng area and Nanan high-speed measurement area, the prospecting achievements of the above three methods are studied in depth especially the representative of the typical sections,the karst cave (gob) corresponding to the characteristics of all kinds of anomalies are summarized by conducting drilling verification. The application results of the above three methods is discussed, the results show that the ideal prospecting effects can be obtained by the complication application of shallow longitudinal wave refection method, high density of direct current electric method and elastic wave cross hole CT measurements method.

KeywordsComprehensive geophysical prospecting method, Gob, Shallow longitudinal wave refection, High density of direct current electric method, Elastic wave cross hole CT measurements method

黄明光(1964—)，男，高级工程师，硕士，331307 江西省新干县683信箱。

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