变电站下伏采空区安全稳定性分析

徐 亮，董建军，樊东峰，李 尊，刘艳生

（1.中国电力企业联合会电力建设技术经济咨询中心，北京 100053；2.辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院，辽宁 葫芦岛 125105；3.矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室（辽宁工程技术大学），辽宁 葫芦岛 125105；4.国网河南省电力公司，河南 郑州 450018；5.国网三门峡供电公司，河南 三门峡 472599；6.平顶山电力设计院有限公司，河南 平顶山 467001）

采空区塌陷已成为一种典型的地质灾害，采空区的存在会导致农田、道路、建筑物不同程度的破坏，给人们的生产生活带来严重隐患的同时也造成了巨大的经济损失[1]。下伏采空区的安全稳定性对工业设施的安全建设与运营具有重要影响，因此必须对下伏采空区进行安全稳定性评估。目前，采空区建设厂房、办公楼、住宅等建（构）筑物的成功实例较多，但尚无煤矿采空区的变电站建设案例，故开展此方面的研究十分必要。

瞬变电磁法具有探测深度大、受地形影响小和不受高阻基岩出露影响的优势，为采空区安全稳定性分析提供了一种有效的方法。国内外已有众多学者将瞬变电磁法应用于煤矿采空区地表形变监测。梁爽等[2]以阳泉二矿为研究对象，利用瞬变电磁法对采空区积水情况进行探测，通过地层电阻率大小确定出采空区含水区域；刘君[3]利用瞬变电磁法和氡气测量法对井坪镇某采空区积水边界位置进行探测，探测结果与煤矿实际采掘情况相一致，证明瞬变电磁法能够对煤矿采空区位置结构进行探测；牛宏等[4]以鹊山多层采空区为研究对象，利用瞬变电磁法对采空区边界及积水区域进行探测，探测结果与巷道掘进成果相吻合；和学军等[5]利用瞬变电磁法对山西某富水采空区位置进行圈定，提出瞬变电磁法适合在山区等复杂地区进行勘探，且能够探测出采空区含水异常区；覃庆炎[6]建立了煤矿积水采空区理论模型对采空区瞬变电磁响应特征进行分析，通过有限差分法实现了瞬变电磁场时间域数值模拟，最终探测得到采空区异常区域的分布规律；Shu等[7]利用中心回线瞬变电磁探测法对煤矿多层充水采空区结构进行探测，准确测得采空异常区位置；常治国等[8]利用瞬变电磁法确定出某煤矿的采空异常区，为后期治理提供了地质信息；张红权等[9]根据电性特征实验方法确定瞬变电磁参数，利用瞬变电磁与高密度电法相结合的方法，探测出江西省某采空区的多个异常区分布位置；孙英峰等[10]利用瞬变电磁法确定出探测区内的3 处采空异常区；赵磊磊[11]基于瞬变电磁法，在广域范围布设大回线源装置，局域范围布设重叠小回线装置，通过对2 种探测装置的结果分析，推断出村庄采空区的影响边界。

钻孔探测作为一种直观探测研究区域地层分布的方法，探测结果具有较高的可靠性和准确性。熊彩霞等[12]综合运用钻孔和残余沉降对采空区拟建铁塔场地进行探测，并对铁塔建设可行性进行分析；叶图强等[13]利用钻孔与激光探测仪相结合的方法，得到采空区精细空间数据；李学良[14]利用钻孔技术和电导率成像系统对采空区结构及稳定性进行监测分析，通过工程实例验证了将钻孔探测应用到采空区的可靠性；潘桂海等[15]提出通过工程实际情况验证钻探监测结果，发现二者得到的采空区顶板发展规律相一致，证实了钻探监测的可行性；丁亮斌等[16]综合物探和钻探方法，探明了煤矿异常积水区的位置；李宁等[17]利用瞬变电磁与钻探相结合的方法，确定出采空区的数量及位置分布。

鉴于此，瞬变电磁法结合钻孔探测可以有效评价整个研究区域的采空塌陷情况和区域地层分布情况。因此，以平顶山变电站下伏采空区为研究对象，采用瞬变电磁法及钻探的方式对研究区域进行探测，分析变电站下伏采空区的安全稳定性。

1 变电站下伏采空区概况

1）水文地质情况。平顶山迎宾110 kV 变电站地处新华区老采动影响区，地质性质较差、环境复杂。拟建迎宾变电站位于平顶山市鹰城广场东部，光明路以西，园林路南部，建设路以北。拟建区地势平坦，交通方便，变电站内主要建筑物为配电装置楼。变电站下伏采空区区域为新生代上覆区，区内地层由新至老分别为第四系、二叠系、石炭系和寒武系。

2）采空区煤矿开采情况。拟建变电站位于平煤集团七矿井田东翼采区范围内，七矿在本区域附近主要开采了己组煤层，该区域地表标高为+85 m 左右，从东南向西北煤层开采深度逐渐增大。开采深度约160 m，开采采厚约3.5 m，开采时间为1987—1993 年。采用长壁工作面炮采、普采或综采，全陷法管理顶板。

2 采空区综合探测

在明确变电站下伏采空区基本地质条件及开采情况的基础上，通过瞬变电磁法和钻探的方式查明采空异常区域的情况，分析变电站下伏采空区的安全稳定性。

2.1 瞬变电磁法探测

2.1.1 瞬变电磁法基本原理

瞬变电磁法是具有较高的抗干扰能力和分辨率时间域的人工源电磁法。将发射线框安装在地面上，向其中通入直流电，迅速切断电源，此时线框中出现电流突变，空间中因瞬态变化的电流而出现瞬态的磁场，瞬态的磁场导致地下产生涡流，随着时间的流逝，涡流不停向地下推进，扩散的速度和地下地层的电阻率相关，不同时间扩散至不同深度。通过监测地下涡流变化（即磁场变化率dB/dt）来完成地下电阻率的解读。瞬变电磁法原理图如图1。

图1 瞬变电磁法原理图Fig.1 Schematic diagram of TEM

由此得到的值并非电阻率而是感生电动势随时间的变化值。该值不能直接用来地下结构的推断，所以可通过下式对这种变化值进行转化：

式中：ρt为视电阻率，Ω；μ0为地层介质磁导率，H/m；t 为时间，s；St为发射线圈面积，m2；Sr为接收线圈面积，m2；V（t）为感应电动势，V；I 为供电电流，A；ht为深度，m；σt为纵向电导，S；V（t）/I 为归一化感应电动势，V。

视电阻率虽非实际地层电阻率，但其空间变化特性与真实地点断面相一致，能客观的展示出地下地质体的空间分布特性。

2.1.2 现场探测

经对变电站下伏采空区多次现场试验得到了满足探测要求的发射频率为6.25 Hz，发射线框为1.5 m×1.5 m，叠加大于512 次。本次探测设置7 条测线，测线上各点间距10 m；设置试验点2 个，线上物理点58 个，质量检查点3 个，总计完成瞬变电磁物理点63 个，剖面总长620 m，探测布置图如图2。瞬变电磁探测布置统计见表1。

图2 探测布置图Fig.2 The layout of the detection

表1 瞬变电磁探测布置统计Table 1 The statistical table of transient electromagnetic workload

本次瞬变电磁法勘探共获生产探测记录63 个，其中：甲级探测记录52 个，甲级率82.5%；乙级探测记录11 个，乙级率17.5%；合格探测记录共计63个，合格率100%。

经过对全区3 个系统质量检查观测点的数据统计（线上物理点的5%），整个探测区域相对误差最大为9.21%，最小为0.11%，全探测区域总平均相对误差为4.79%，原始数据合格率为100%，达到了MT/T 898—2000《煤炭电法勘探规范》标准。

2.1.3 探测数据

根据变电站下伏采空区中测线的视电阻率等值线剖面图可知，变电站下伏采空区域内地层的视电阻率断面等值线和其走向趋势一致，当构造发育或者有其他低阻异常体存在时，视电阻率等值线在横向与纵向上均会出现扭曲或梯度变化。当采空区无积水时，呈现高阻反应，反之为低阻反应。本变电站下伏采空区主要开采己16-17 煤层，水源主要来源于灰岩含水层及第四系地表水。结合已知采空区资料并进行综合分析后，推断本探测区内的采空区存在充水情况，故本探测区内的采空区会呈现低阻反映。1010 测线电阻率纵向剖面图如图3，H100 测线视电阻率纵向剖面图如图4。

图3 1010 测线电阻率纵向剖面图Fig.3 Longitudinal section view of resistivity of line 1010

图4 H100 测线视电阻率纵向剖面图Fig.4 Longitudinal section view of resistivity of line H100

由图3 可知，1010 探测线的探测点为点号20到100，在点号50 位置，160 m 深度处等值线呈下低阻凹陷，推测存在采空区异常区域，位于鹰城广场羽毛球场彩板房边，推断此类异常为彩板房的影响；点号30、点号100 下方，160 m 深度有低阻封闭、半封闭圈，推断为采空区异常区域，如图3 中红色虚线所圈部位。

由图4 可知，H100 探测线的探测点为点号1 000 到1 080，在点号1 010～号点1 030 之间，160 m 深度处呈现低阻凹陷，推断为采空区异常区域，如图4 中红色虚线所圈部位。

将数据处理后获得的测线断面图数据与已收集到的测区地质和煤层开采情况相结合，对探测区160、200 m 深度进行视电阻率切片，对探测区电性特征进行进一步研究，以此分析采空异常区分布。160 m 深度视电阻率水平剖面图如图5，200 m 深度视电阻率水平剖面图如图6。

图5 160 m 深度视电阻率水平剖面图Fig.5 Horizontal profile of apparent resistivity at a depth of 160 m

图6 200 m 深度视电阻率水平剖面图Fig.6 Horizontal profile of apparent resistivity at a depth of 200 m

由图5 可看出，图中视电阻率颜色由红到蓝逐渐降低；变电站下伏采空区160 m 深度的电性分布，其总体呈现左高右低及下高上低的电性特征，低阻区如图5 中红色虚线所圈部位，分布范围较为均匀，范围较大，推测为采空区异常区域。

由图6 可看出，图中视电阻率颜色由红到蓝逐渐降低；变电站下伏采空区200 m 深度的电性分布，其总体呈现左、下、右侧高，上侧相对较低的电性特征，低阻区如图6 中红色虚线所圈部位，推测为采空区异常区域；探测出的异常区位置与160 m 深度视电阻率切片图上异常位置较重合。

绘制钻孔深度与视电阻率关系曲线，1 030 位置地层深度与视电阻率关系如图7。由图7 可知，随着地层深度的增加，1 030 位置视电阻率整体呈现增加的趋势，而在-65.50～-75.02 m、-87.73～-94.08 m、-109.95～-119.48 m、-141.7～-158.34 m 的深度内出现视电阻率降低的情况。

图7 地层深度与视电阻率关系Fig.7 Relationship between stratum depth and resistivity

2.2 钻孔探测

为进一步为地基稳定性和地灾评估提供地层数据，采用钻孔探测揭露变电站下伏采空区地层基本情况。在场地西北角采空异常区布置钻孔，钻孔位置为瞬变电磁探测点号1 030 位置，钻孔深度170 m，钻孔平面位置图如图8。

图8 钻孔平面位置图Fig.8 Plane location diagram of drilling

钻孔探测采用XY-4 型机械传动、液压给进式高速钻机，0～-60 m 采用泥浆护壁，岩心管（外径108 mm）钻进；-60 ～-150 m 采用套管（上部60 m）+泥浆护壁，岩心管（外径75 mm）钻进；-150～-170 m采用套管（上部150 m）+泥浆护壁，岩心管（外径60 mm）钻进。

钻孔探测过程中，在-63.32～-75.02 m、-87.73～-94.08 m、-103.60～-116.30 m、-164.38～-170.02 m页岩岩层中节理、裂隙较发育，较破碎，有少量漏水，在105 m 左右位置埋钻（根据钻孔完成后75 m 岩心管拔出后情况确定）。钻孔探测结果表明，下部局部位置（页岩岩层）岩体存在碎裂现象、裂隙较发育，但仍保留原始岩体结构，骨架颗粒彼此接触。在物探异常区进行钻探验证，发现钻探深度在-164.38～-170.02 m 范围内，岩石相对较为破碎，破碎带被一些流体性物质充填，如泥质和水等，造成该部位电阻率降低，使物探电性剖面产生电性低阻异常。钻孔深度与岩心率的关系曲线如图9。

图9 钻孔深度与岩心率关系Fig.9 Relationship between drilling depth and core ratio resistivity

通常情况下，岩心率对于一般岩石不低于80%，对于软岩、破碎岩石应不低于65%，本变电站下伏采空区内的岩石属于一般岩石。由图9 可知：钻孔深度在-63.32～-75.02 m、-87.73～-94.08 m、-103.60～-116.30 m、-152.30～-155.32 m（该区域存在1.6 m煤层）、-164.38～-170.2 m 深度时岩心采集率小于80%。

3 变电站下伏采空区安全稳定性评价

采空区异常区域如图10。

图10 采空区异常区域Fig.10 The anomalous area of goaf

对照测线1 010 视电阻率剖面图中的点号1 030位置，发现在-65.50～-75.02 m、-87.73～-94.08 m、-109.95～-119.48 m、-141.7～-158.34 m 深度范围内，点号1030 位置所对应的电阻率出现闭合现象。钻孔探测过程中，在-63.32～-75.02 m、-87.73～-94.08 m、-103.60～-116.30 m、-164.38～-170.02 m 页岩岩层中节理、裂隙较发育，较破碎，有少量漏水，在105 m 左右位置埋钻（根据钻孔完成后75 m 岩心管拔出后情况确定）。瞬变电磁探测与钻孔探测的结果高度吻合，表明采用2 种方法能够准确确定采空区异常区域的位置和范围，进而可以对采空区的安全稳定性进行分析。

综合分析160 m 和200 m 深度视电阻率水平剖面图、采空区深度与视电阻率关系曲线和钻孔深度与岩芯率关系曲线，确定的采空区异常区域如图10中粉色阴影区域，表明变电站下伏采空区的安全稳定性存在不确定因素，需采取有效的采空区治理措施以保证变电站的安全稳定运营。

4 结 语

采用瞬变电磁法和钻孔探测对平顶山变电站下伏采空区进行了综合探测。由瞬变电磁探测得到视电阻率纵向剖面和采空区深度与视电阻率关系曲线，在-65.50～-75.02 m、-87.73～-94.08 m、-109.95～-1 19.48 m、-141.7～-158.34 m 深度范围内，点号1 030位置存在低阻异常区域；由160 m 和200 m 深度视电阻率水平剖面确定了低阻异常区域的水平范围。由钻孔探测得到钻孔深度与岩心率关系曲线，确定在-63.32～-75.02 m、-87.73～-94.08 m、-103.60～-116.30 m、-164.38～-170.02 m 页岩岩层中节理裂隙较发育、较破碎、有少量漏水，表明采空区存在异常区域。综合分析瞬变电磁与钻孔探测结果，可以确定采空区异常区域，表明变电站下伏采空区的安全稳定性存在不确定因素，需采取有效的采空区治理措施以保证变电站的安全稳定运营。