城市建设中瞬变电磁法对老窑采空区的探测

李开朗

(河南省煤田地质局物探测量队,郑州 450009)

国土资源部在2017年09月07日印发《关于加强城市地质工作的指导意见》,明确提出要统筹城市地上地下建设,并指出“……分类推进城市地质调查,综合评价资源环境承载能力和空间开发适宜性”。对城市废弃的工矿区土地的再次开发利用,不仅可以缓解城市土地紧张状况,更是改善城市生态环境的良方秘药[1]。针对此类土地的具体特征,通过物探的方法来调查地下地质条件、采空区面积等问题,为下一步岩土工程勘察及综合治理提供可靠依据。为此,作者在本文中详细介绍了瞬变电磁法(TEM)在城市内施工的具体工作流程及注意事项,并对探测采空区实例进行了分析。

1 方法简介

1.1 采空区物理特征

地下矿产在开采后留下采空区,在重力的作用下,采空区上方岩层失去支撑产生不同程度的破坏和位移。废弃老窑的采空区的空隙随着时间增加慢慢被水或泥质流体填充,导致其电阻率值明显低于其周围围岩,在反演的电阻率剖面上表现为明显的低阻异常区域[2-3]。

1.2 TEM勘探原理

瞬变电磁法的物理基础是电磁感应原理。在大地上铺设输入阶跃电流的回线,向地下发送一次脉冲磁场的间歇期间,观测由地下地质体受激励引起的涡流产生的随时间变化的感应二次场。根据二次场衰减曲线的特征,就可以判断地下地质体的电性、性质、规模和产状等,由于瞬变电磁法仪器接收的信号是二次涡流场的电动势(二次电位),对二次电位进行归一化的处理,根据归一化后二次电位值的变化,间接解决如陷落柱、采空区、断层等地质问题[4-5]。

2 解决难点

对于在城市使用加拿大凤凰公司生产的V8仪器进行TEM施工过程中遇到的问题,作者的解决方案如下。

2.1 外框的布设问题

瞬变电磁利用铺设的外框进行一次场的发射。一般来说,对于固定噪音水平的仪器,当发射框的大小和电流决定后,其最晚可测的时间也可以确定下来,即选取合适的外框长度能保证和地下地质体有效耦合。但在城市进行TEM施工中,考虑到大型建筑物的影响,往往难以按照预期的最佳外框进行铺设。通过在谷歌地图上对勘探区障碍物的判别,往往选取道路作为外框的铺设选择。而对于不同长度外框测量出来的结果,使用软件TEM Pro进行归一化,便于后续资料的反演。

2.2 电磁干扰的问题

城市人文干扰对感应类电磁法造成严重影响。通过等间距密集的方式,在发射框不发射情况下,仪器空采获取本地区噪声水平。研究分析噪声的时间-振幅曲线及分布范围,确定干扰源。仪器上通过工频干扰滤波器进行压制;具体施工中通过提高电流、增加叠加次数、增加观测次数。施工中也发现清晨所采的数据质量明显更好一些,即可以调整观测时间,避开用电高峰期[6]。

3 实例应用

勘探位置在新密城区,有煤矿开采历史,所采煤层主要为石炭系太原组煤层,埋深情况不明,但是也不排除多层采煤。本次主要任务是查清采空区范围及深度。根据现场实际情况,沿道路布设了400 m×400 m及470 m×470 m的两个外框,覆盖整个测区。

图1为该区1000线电阻率反演断面图,该测线位于勘探区最西部,南北向布设,纵轴为海拔高程,红色细虚线为地表高程线,图中颜色由蓝色到红色表示电阻率值由低到高的变化。结合已知资料,近地表因瞬变电磁法存在一定盲区,未能在图中显示出来。图中由下往上,测线控制范围内高阻区层位单一、稳定;中阻区下部层位稳定;中阻区上部红色粗虚线标注的明显低阻异常,结合已知资料,推测为采空影响区。经钻探验证,推断解释的地层与钻探结果基本一致,达到本次勘探目的,为下一步治理工作提供可靠依据。

图1 1000线电阻率反演断面图 Fig.1 Resistivity inversion section of line 1000

4 结束语

城市土地资源的稀缺使老旧矿区废弃土地重新引起社会的重视。通过参与到废弃工矿土地再利用项目,物探工作能圆满完成勘察的任务,取得良好的效果。