綜合物探在小煤窯采空區勘察中的應用

2016-12-30 01:46:42劉文才

鐵道勘察 2016年6期

劉文才

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

綜合物探在小煤窯采空區勘察中的應用

劉文才

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

小煤窯采空區由于年代久遠，資料匱乏等自身的特點是鐵路勘察的難點之一。物探是小煤窯采空區的重要勘探手段，彌補了其他勘探手段的不足。高密度激電法和瞬態瑞雷波法是工程勘察中經常用到的物探方法，也是采空區勘察的有效物探方法。介紹這兩種方法的原理，結合其在某小煤窯勘察中的實際應用，闡述綜合物探在小煤窯勘察中的重要作用。

小煤窯綜合物探高密度電法瞬態瑞雷波法

采空區勘察是鐵路勘察工作的重點之一，在地下礦體被采出后，自頂板巖層向上形成垮落帶、導水裂隙帶和彎曲帶，形成地表沉陷等，對鐵路運營構成巨大威脅和隱患，查明采空區平面及空間位置將直接關系到鐵路線路方案及后期運營的安全。小煤窯基本是私自開采，沒有固定的采集范圍和時間，且年代相對久遠，資料匱乏，所以小煤窯采空區勘察一直是采空區勘察的難點之一。

鉆探勘察可以準確反映采空區空間狀態，包括深度、周圍巖性等，由于采空區邊界的不確定性，面積性鉆探成本大、周期長，因而物探技術成為采空區勘探的重要手段。前人的研究成果已經表明，物探方法在采空區勘察中起到重要作用[1-3]。多種物探技術相結合，相互驗證，有利于資料的解釋。

介紹高密度激電法、瞬態瑞雷波法兩種物探方法的簡要原理，結合它們在某小煤窯采空區勘察中的應用效果，闡述綜合物探在小煤窯采空區勘察中的重要作用。

1 方法介紹

1.1 高密度激電法

激電法是根據巖石激發極化效應的差異，觀測和研究在人工電場作用下地下巖(礦)石產生的極化電場，以達到解決地質問題的一種電法勘探方法。激發極化法勘探過程中，接收機能同時觀測在激勵場作用下的一次場、斷電以后的二次場及其衰減規律。觀測的參數多是激電法的優勢，包括視電阻率、視極化率、視充電率、視衰減度等參數，多參數互相驗證，互相補充，從而提高勘探精度。

高密度激電法是在單點直流激電測深的基礎上發展而來的，用新型的發電機作為電源供電，發射、接收為分體式，多通道同時接收的直流激電法稱為高密度激電法[4]。高密度激電法在采空區勘察、滑坡勘察、斷層等地質構造勘察、黃土陷穴勘察、路塹地下水位勘察等鐵路不良地質勘察領域已取得較好的效果[6，7]。

在采空區勘探中，沒有水的采空區表現為高電阻率，低極化率，如果采空區遇水松散，則表現為低電阻率，高極化率，這是激電法勘探的物理前提。

1.2 瞬態瑞雷波法

瑞雷面波勘探是新發展起來的一種工程地球物理勘探方法。根據震源的不同，瑞雷波法可以分為瞬態瑞雷波法和穩態瑞雷波法[8]。瞬態瑞雷波法利用重錘沖擊在地表激發點產生垂向脈沖作用，從而在介質中激發出具有一定頻率帶寬的混頻瑞雷波動。瑞雷波沿地面表層傳播，同一波長的瑞雷波傳播特性反映了地質條件在水平方向的變化情況，不同波長瑞雷波的傳播特性反映著不同深度的地質情況[9]。利用頻譜分析技術提取各個單頻成分的瑞雷波相速度，即可得到瑞雷波的頻散曲線，進而反演得到不同地質條件對應的波速，達到勘探的目的。

瞬態瑞雷波勘探具有分辨率高、受場地限制小、抗干擾能力強、輕便快捷等特點，被廣泛應用在工程勘察和工程無損檢測等領域中[10]。

瑞雷波在不同巖層表現速度不同，這是瑞雷波法勘探的物理前提。在堅硬完整巖層中表現為高速特征，在采空區或者采空引起的塌陷軟弱地層表現為低速特征，通過這一特征可以識別采空區位置。

2 應用實例

2.1 工區概況及野外采集

某小煤窯采空區位于山西省襄垣縣，煤礦開采于20世紀四五十年代，由人工以礦井口為中心向多個方向開挖，巷道埋深10～20 m，寬度1 m左右，高度1～2 m。場地整體地勢平坦，局部有少量陡坎，出露地層主要為新黃土。前期在礦井口附近的鉆探工作已揭示存在多個輻射狀分布的巷道。隨著勘探范圍的增大，鉆探布孔遇到了棘手的問題，在距離礦井口五六十米的位置靠直徑只有10 cm左右的鉆孔去尋找寬度只有1 m的采空巷道難度很大，因此決定采用高密度激電法和瞬態瑞雷波法進行勘探。

前期鉆探工作已經定位了采空區的某些位置，為了確定小煤窯的巷道及采空的范圍，在已知鉆孔揭示有采空的位置周圍布置物探測線，測線上異常位置與已知采空鉆孔的連線即推測為巷道的位置，從而確定采空的范圍。高密度電法儀器為多通道大功率直流激電儀，采用單極-偶極模式，測點點距2 m，偶極極距2 m，供電周期8s。在高密度激電圈定的異常位置，進行瞬態瑞雷面波勘探驗證，瞬態瑞雷面波儀器為NZ-24地震儀，采用12道檢波器接收，道間距2 m，偏移距4 m，采用錘擊震源。

野外工作要嚴格按照《鐵路工程物探規范》施測，保證野外采集數據的準確性。

2.2 資料解釋

小煤窯采空區是煤礦采集形成的空洞，相比于圍巖，應表現為高電阻率異常，由于采空區多填充水、泥、土等低阻物質，相比于圍巖多表現為低阻，波速降低，這些物性差異是采空區勘探的前提。

數據處理采用兩種專業配套軟件進行綜合處理，數據處理過程中盡量遵循原始成果，避免過度處理，只對個別畸變點做了剔除，在反演過程中使用較小的平滑系數和較小的限制條件。受場地電磁干擾，激電法只用了電阻率這一參數，瞬態瑞雷波法用波速這一參數。下面以IS-2和RL-2測線為例進行解釋分析。

從圖1中分析得到，從深度上可以大致分為三層，上覆地層為土層，中間為電阻率高的基巖層，下面為電阻率偏低的基巖層。采空區在電阻率成果圖中表現為電阻率等值線低阻閉合圈。在圖1中，采空區位于第三層基巖層中，水平位置48～66 m，深度在10～16 m位置處為低阻閉合圈，深度與前期鉆孔資料基本一致，推斷這一位置為采空巷道。

圖1 IS-2測線電阻率成果

圖2 RL-2測線瑞雷波速成果

為了驗證電阻率所圈定的異常位置準確性，在電阻率測線42～78 m位置進行瞬態瑞雷波勘探。采空區巷道表現為低速特征。從圖2可以看出，地表淺層土層表現為低速特征，這與實際符合；在深度10～20 m范圍內，在水平位置42～48 m和65～78 m兩處瑞雷波速為高速，推測為堅硬圍巖；在48～66 m位置表現為低速特征，這與電阻率成果一致，說明兩種方法的可靠性。根據兩種方法的結果，劃定本測線水平位置48～66 m處為異常位置。

2.3 綜合解釋

綜合高密度激電法和瞬態瑞雷波法共同確定的異常即為推斷采空巷道的位置，如果高密度激電法確定的某些異常，瞬態瑞雷波法在這個位置沒有反應，則不把這個位置定為最終的異常位置。把兩種方法共同確定的異常位置畫在平面圖上有利于直觀分析解釋結果。劃定的測線上異常位置與已知采空鉆孔的連線即推測為巷道的位置。如圖3所示，IS測線為高密度激電法測線，RL測線為瞬態瑞雷波測線，根據各測線物探結果在測線上確定7處異常，已知采空鉆孔與測線異常位置的連線區域位置即為推斷采空區位置。