综合地球物理方法在浅地表高阻采空区探测中的应用

杨楠,曲泽良

(山东省煤田地质规划勘察研究院,山东 济南 250102)

0 引言

一直以来,煤炭都是中国的主要能源和重要战略物资,2021年,传统化石能源(石油、天然气及煤炭等)占中国一次能源消费比重高达83%,煤炭占比高达55%[1]。煤炭资源对我国经济发展起到了不可替代的作用[1-3]。但在煤矿开采后形成了大量的煤矿采空区,严重危及国家安全、群众生命和财产安全,而且使中心城区被限制在狭小的空间,严重限制了城市的布局发展。近年来,随着经济的快速发展,城市用地日趋紧张,城区面积急剧扩张,原来的煤矿采空区可能成为未来的工程建设中心,工业与民用建筑工程建设已无法避让煤矿采空区[4]。探明采空区位置、深度及范围,及时采取措施进行治理,消除安全隐患,对工程建设具有重要意义[5]。

目前采空区探测方法很多,利用钻探方法为主进行采空区勘察具有直观的优点,但投入工作量大、效率低。而物探方法具有快速、无损探测等优势而得到广泛应用[6]。目前大埋深、大尺度充水采空区的探测方法较多,主要采用瞬变电磁法、2D或3D地震勘探、CSAMT、被动源面波法及跨孔地球物理方法等[7-16]。

而采用地球物理方法探测浅地表小尺度非充水高阻采空区研究相对较少。本文针对小埋深、小尺度、非完全塌陷、非充水的空废弃斜巷为研究对象,以高阻低介电常数的空巷道与围岩存在明显的物性差异为基础,运用高密度电阻率法和地质雷达综合地球物理方法对采空区进行勘察,取得了较好的应用效果,利用多种成熟的物探方法进行采空区勘察,可以克服单一物探方法本身的缺陷,相比新型物探技术,具有更好的可靠性、经济性和适宜性特点[6]。

1 地质概况及地球物理特征

1.1 区域地质概况

本勘探场地下方分布的基岩为石炭系本溪组、太原组,二叠系山西组、下石盒子群、上石盒子群,上覆第四系松散土层。受采煤地面塌陷的影响,目前场地北部地面塌陷区域地面高程一般在29.5～30.5m,南部未塌陷区域地面高程一般在31.5～32.5m。拟建场地位于大吴背斜北翼,地层总体走向NW—SE,倾向NE,倾角35°～50°。场内断裂构造主要为SE向的F13断层,从场地中部通过,走向SE 20°,倾向NE,倾角75°～80°,落差150～250m,属正断层,区域长度3.2km。该断层隐伏于第四系之下,为非全新活动断裂(图1)。

1—用地范围;2—3煤工作面;3—3煤下层煤工作面;4—3煤工作面编号及开采年代;5—3煤层顶标高等值线;6—3煤煤巷;7—3煤岩巷;8—钻孔;9—采煤立井;10—拟探测区域;11—斜井井口

勘探场地位于原瓦庄煤矿矿界内,拟建场地下方巷道分布极为复杂,根据资料及现场调查,拟探测废弃斜巷呈直墙半圆拱形,浆砌石支护,拱部喷浆支护。斜井曾发生过几次冒顶事故,并于2003年9月在深度30m位置冒落到地表,形成塌陷坑,采用支护后回填处理。

1.2 地球物理场特征

完整的煤系地层具有典型的层状结构,当煤层开采形成采空区或巷道后,将形成局部的不连续异常结构体,其原有的应力平衡状态也将被破坏,上覆岩层在无支撑状态或临时支护逐渐失效过程中开始发生塌陷、冒落变形,从采空区的底板开始由下而上形成了冒落带、裂隙带和弯曲带3个不同的变形单元[16],同时地层的电性将发生明显变化。若以采空区围岩地层为背景场,采空区充水则表现为低阻高介电常数特征,若采空区无水、少水、被干燥的冒落带坍塌物或空气充填,则高阻低介电常数特征明显。结合已知的地质资料分析,本次探测的废弃巷道局部垮塌为非充水空洞,与围岩相比表现为高阻电性特征。因此废弃斜巷与周围岩层存在明显的电阻率差异,为利用高密度电法探测废巷提供良好的地球物理前提[17]。

本次探测废弃巷道埋深0～30m,属于浅地表勘探。由地质资料可知,废弃巷道周围为黏土层,相对介电常数15～30,如果巷道充水,介电常数会显著增大,可达到50以上。如果巷道为空腔非充水状态,相对介电常数与空气相同接近于1,加之巷道周围的支护多为致密的硬度较大岩块或混凝土,相对介电常数为8左右,因此无论是巷道周边支护还是巷道空腔均与周围的黏土地层的电性存在较大差异,为运用地质雷达探测空气充填空腔状废弃巷道采空区奠定了理论基础。

2 野外工作方法

本次探测目标体为废弃斜巷,埋深地表井口标识位置沿巷道方向逐渐增加,斜巷截面积较小,为了达到理想的效果,拟采用小电极间距高密度电阻率法和高分辨分辨率的地质雷达进行综合探测。

2.1 高密度电阻率法基本原理

高密度电阻率法原理与常规电阻率法相同。它利用地下介质间的电性差异,通过供电电极A、B向地下供电流I,然后在M、N极间测量电位差ΔV,从而可求得该点(M、N之间)的视电阻率值(图2)。根据实测的视电阻率剖面进行计算分析,便可获得地层中的电阻率分布情况,从而可以划分地层,确定异常地层等[18]。

图2 电阻率法勘探原理示意图

K为装置系数,是一个只与电极的空间位置有关的物理量[19]。

高密度电阻率法是将传统的电测深法和电剖面法相结合,该方法拥有多装置、多极距的特点,所以一次布极,便可进行多装置数据采集,并且利用比值参数,使得异常信息更为清晰。与传统的电阻率方法相比,高密度电法具有数据采集量大、效率高、成本低、智能跑极、抗干扰能力强等优点,在数据采集过程中可以很大程度上避免人为操作出现的误差[20]。

目前高密度电阻率法常用的装置包括四极排列的温纳装置(α装置)、偶极装置(β装置)、微分装置(γ装置)及三极装置和二极装置(图3)。本次测量采用温纳装置进行[21]。

(a)—温纳(α)装置;(b)—偶极(β)装置;(c)—微分(γ)装置;(d)—三极装置;(e)—二极装置

2.2 地质雷达基本原理

探地雷达法是通过发射天线向地下发射高频电磁波,电磁波在地下介质中传播时遇到存在电性差异的界面时发生反射,由于地下介质的介电常数和分布形态的不同,电磁波在介质中的传播路径、场强与波形也不同。分析电磁波的旅行时间、幅度与波形等资料,来推断介质的结构及电性等信息。当地下有空洞、裂缝或富水带时,该类介质的介电常数会发生显著变化,与围岩相比存在明显电性差异,地质雷达在地表能接收到明显的反射波,成果剖面上表现为波形多次震荡且杂乱分布、强反射等特征,由此,便可定位地质异常体(图4)。

(a)—野外数据采集图;(b)—地质雷达剖面

地质雷达的野外观测方式包括剖面法、多次覆盖法和宽角法,其中剖面法发射天线(T)和接收天线(R)以固定间隔沿测线同步移动的一种观测方式,发射天线和接收天线同时移动一次便获得一个记录,施工效率高、工作方便,是目前地质雷达最常用的野外工作方法[22-23]。

2.3 测线布置

为了达到探测煤矿废弃斜巷的目的,在距废弃巷道入口(已知)位置35.0m范围内,利用地质雷达分辨率高、施工方便的优点布置测线6条,因施工场地地表条件复杂,测线根据现场情况布置,间距3.0～7.0m不等,随斜巷埋深的增加测线间距逐渐增大。距离巷道入口较近的区域的D1-D4测线采用100MHz屏蔽天线进行探测,随着斜巷深度的增大,探测深度达到了100MHz天线的极限,故D5和D6测线采用大深度的40MHz非屏蔽天线进行探测,以获取深部地质信息。随着斜巷深度进一步加大,地质雷达采集数据的信噪比显著降低,为了进一步明确巷道的走向和埋深信息,在距离巷道入口31.0m和46.0m处分别布置2条高密度电阻率法测线L1和L2,线间距为15.0m,进一步查明巷道深部延展信息(表1)。

表1 工作量统计表

3 资料处理与解释

3.1 高密度电阻率法数据处理解释

高密度电阻率法实测数据首先进行测点坐标和数据格式转换,其次采用畸变点剔除或滑动平均方法消除随机干扰的影响,最后运用Res2dinv软件进行初始模型构建,采用最小二乘法进行反演计算[24],获取每条测线的视电阻率断面图。浅地表巷道为不充水巷道,呈现高阻特征,第四系土层为低阻特征。依据以上原则对反演剖面进行定量解释,划定了本次勘探的异常区(表2)。

表2 高密度电阻率剖面异常统计表

测线L1、L2在场地中心位置近EW走向,从图5、图6可以看出,埋深6.0m以上地层视电阻率呈高阻特征,横向分布不连续,主要与废弃矿区杂填和地表不均匀塌陷有关,8.0m以下地层电阻率呈现低阻特征,主要为第四系土层的反应,其中测线L1水平位置36.0～45.0m,埋深22.0～26.0m,测线L2水平位置40.0～50.0m,埋深26.0～30.0m,存在2处相对高阻区,横向视电阻率断面图等值线色谱不连续,推测该异常为未充水废弃斜巷的反映。

3.2 地质雷达数据处理与分析

地质雷达数据处理主要包括背景噪声去除、直达波拾取、指数增益、带通滤波、反褶积、电磁波速度估算、探测深度计算,探测成果为雷达发射波剖面。

通过现场已知点条件实验及速度分析技术,时深转换的电磁波传播速度取0.09m/ns。

如图7、图8所示,地质雷达成果图存在5处异常区(表3),该类区域雷达波同相轴错断特征明显、反射波能量显著增强,低频信号较丰富[25],雷达剖面横向对比变化特征明显,推测为煤矿斜井的异常特征。选取有代表性的D1、D5剖面进行解释。

表3 地质雷达剖面异常统计表

(a)—测线D1地质雷达探测成果图(100MHz天线);(b)—测线D2地质雷达探测成果图(100MHz天线);(c)—测线D3地质雷达探测成果图(100MHz天线)

(a)—测线D4地质雷达探测成果图(40MHz天线);(b)—测线D5地质雷达探测成果图(40MHz天线);(c)—测线D6地质雷达探测成果图(40MHz天线)

3.2.1 100MHz地质雷达天线典型剖面解释

测线D1采用的是高分辨率100MHz屏蔽天线,有效探测深度为12.0m左右。成果剖面如图7所示,异常区A横向分布范围12.0～16.0m,埋深5.0～8.0m,结合勘探区域地层概况,推测该异常为废弃斜巷的反映。

3.2.2 40MHz雷达天线典型剖面解释

为达到探测目标深度,测线D5采用40MHz非屏蔽天线,有效探测深度约22.0m。D5测线如图8(b)所示,异常区E的横向分布范围为12.0～14.0m,埋深15.0～18.0m。结合勘探区域地层概况,推测异常E为废弃斜巷的反映。测线D6剖面埋深22.0m以下几乎没有有效信号,说明40MHz天线有效探测深度为22.0m(图8c)。

3.3 综合分析

结合地质任务,根据高密度电阻率法和地质雷达法各自的特点,充分利用了地质雷达和高密度电阻率法分辨率高的优点,最终获得了废弃斜巷的位置、埋深及走向。该方案兼顾场地条件、施工效率和勘探精度等因素,将高密度电阻率法和复合天线地质雷达法有机结合,取得较好的探测效果,调查成果的综合解释图如图9。

1—高密度测线;2—高密度探测异常区;3—地质雷达测线;4—雷达探测异常区;5—验证钻孔;6—斜井井口;7—断层;8—3煤顶板等高线;9—采空区边界;10—矿界;11—推测斜巷位置

为验证探测效果,在XJ1和XJ2位置布设两个验证钻孔,其中XJ1孔在20.0m位置揭露斜井拱顶,在24.0m位置揭露了斜井井底,且在23.0m附近出现了斜巷残余浮煤。XJ2孔位置在27.4～29.6m位置揭露了斜巷直墙,浆砌石砌筑,砌体为灰岩块石,充分验证了探测成果的准确性。

4 结论

本文采用高密度电阻率法和复合天线地质雷达综合地球物理方法进行浅地表小尺度、非充水高阻废弃巷道进行探测,充分利用了地质雷达分辨率高、施工效率高和高密度电阻率法分辨率高、对高阻异常体灵敏等优点,实现了不同深度地下目标体的快速、无损、精细探测,查明了拟建场地斜巷的位置、走向及埋深,为后续钻探工作提供指向作用,节约了时间,降低了经济成本。

浅地表小尺度非充水高阻采空区的调查一直以来是地球物理探测的难点,本文采用高密度电阻率法和复合地质雷达方法,实现了对废弃斜巷的快速高效探测,后经钻探验证探测成果准确可靠。本文的研究成果为浅地表小尺度煤矿采空区的探测提供了一个切实可行的技术方法,尤其对浅地表高阻采空区的探测具有重要的借鉴意义。