高密度電法在烏魯木齊東北某煤田采空區注漿效果檢測中的應用

趙利華+安然+金剛+陳璐旺+趙鴻宇+劉杉杉

摘要：本文以高密度電法在工程勘查中的應用為基礎，以烏魯木齊某區的高速公路采空區注漿治理工程為例，應用高密度電法檢測地下100m左右的采空區注漿范圍和加固效果，通過野外布線采集數據，繪制視電阻率等值線，結合已知地質資料進行地球物理反演，得到主要測線的高密度電法電阻率等值線圖，借用鉆孔資料進行驗證，以提高煤田采空區的評價準確性。探索最優化的布極方式和反演模型，增強高密度電法在工程地質勘查中應用的可靠性。

關鍵詞：高密度電法；采空區注漿加固；探測效果

引言

高密度電阻率法可以一次性完成多點位自動測量，具有測點密集、成本低、效率高、地質信息豐富、高分辨、高精度、勘探能力強等特征，因此在工程地質勘查中備受青睞。目前針對高速公路下伏采空區注漿檢測問題的研究，國內，石家莊一太原、晉—焦、烏魯木齊一奎屯及京一福高速公路徐州東西繞城段、河北保阜公路等，國外，美國在科羅拉多州的某公路上進行了采空區問題的研究。

近年來，烏魯木齊城市基礎建設不斷擴大，城市交通網建設已擴展到六道灣、米東區、西山等煤礦采空區，其中G30烏魯木齊繞城高速公路（東線）工程是國家高速公路網重要組成部分，該線起自甘泉堡工業園區，接吐烏大高速公路（甘泉堡互通），經烏魯木齊東，止于吐烏大高速公路烏拉泊互通，路線全長約62.5km，見圖1。應用物探方法準確探測采空區問題是解決烏魯木齊基礎城建的重要手段，具有重要的現實意義。本文通過實例，運用高密度電法檢測米東區某煤田采空區注漿范圍及加固效果。

1.工區工程地質概況

1.1地形地貌

工區位于米東區鐵廠溝鎮，屬低山丘陵區，總體地勢南高北低，部分地段有煤田采空塌陷區，局部已回填，可見較多塌陷坑。

1.2地層巖性

地層在勘探范圍內自上而下依次為：

①雜填土：工區大量分布，松散、疏松，采空區塌陷區回填主要成分為粉質黏土、砂礫石，混雜有大量煤矸石、煤灰及建筑、生活垃圾。厚度5m-100m。力學性質較差，未經處理不可作為道路路基，不可作為建筑物天然地基；②黃土狀粉土：整個工區均有分布，層位穩定，力學性質一般，經處理后可作為道路路基和建（構）筑物天然地基；③卵石：大部分場地均有分布，層位較穩定，力學性質好，可作為道路路基建（構）筑物天然地基和持力層；④強風化基巖：整個工區均有揭露，風化劇烈，力學性質較好，可作為建（構）筑物天然基；⑤煤：整個工區均有揭露，埋深及厚度變化較大，巖體基本質量級別為V級，力學性質一般，可作為道路路基持力層；⑥中一微風化基巖：整個工區均有揭露，力學性質良好，為良好的下臥層。

1.3工區水文地質概況

鐵廠溝井田內無常年河流，在西界外鐵廠溝溪水自南向北流過，常年有水，溪水面標高+765m-750m，年均流量134L/s。井田以東白楊河（溪）為一季節性河溪，大量融雪和雨季時有洪水通過，冬春季有時斷流。平時流量很小僅24L/s-49L/s，年均流量32L/s。工作區主要由松散巖土類和碎屑巖類組成。目前受煤層采動影響，煤層與含水層導通后，形成降落漏斗，地下水滲入井下，被人工抽排出煤田，但隨著煤礦停采封井，水位將會逐年上升，將對公路工程造成不利影響。

2.采空區注漿檢測

2.1檢測方法的選擇

工區有村莊，地下采空區距離村莊較近，地震勘探法放炮時對已加固的區域會有破壞，可能會坍塌，形成次生災害，用錘擊檢測深度達不到有效檢測深度，且其費用非常昂貴，同時注漿區域內地層傾角大于45°，最大達80°，第四系覆蓋層砂礫石層較厚，因此從經濟、技術方法、安全上考慮該區域內地震勘探（檢測）方法不適用，宜采用高密度電法檢測，輔以鉆孔資料驗證。

2.2野外數據采集

本次高密度電法檢測采用重慶地質儀器廠生產的DUK-2A高密度電法測量系統，針對本次檢測場地的地質條件和技術要求，本次檢測中采用溫納測量裝置進行數據采集并分析，并與鉆孔資料比對，最后顯示測量效果較好。

2.2.1高密度電法測線布置

注漿前背景值的試驗點布置在注漿區域外平行于路線方向布置，注漿后以K22+550為中間點平行于路線方向均勻布線。本次檢測區域共布置5條高密度電法測線，采用溫納剖面裝置。電極距10m，每條測線120個電極，共計600個電極，每條測線長1190m，總長度為5950m，有效探測深度為120m。注漿前背景值1條為GMD05，注漿后4條GMD01至GMD04。

2.3檢測質量要求

高密度電法測量結果為地層二維視電阻率，根據視電阻率的差別，推斷出注漿范圍及評價加固效果。通過在明顯采空區位置進行高密度電法試驗得到的采空區注漿體的電阻率與標準值（注漿前實地測試）比較，評價工程注漿效果質量。

（1）85%的測試值達到質量評價標準；

（2）小于質量評價標準85%的測試值不超過5%，且不集中，可認定為注漿質量合格。

3.高密度電法解釋成果

GMD01至GMD04測線：視電阻率相對較低，整體表現為淺部電阻率相對較高中部略低深部高，有煤層分布段較低的特征。測線263m-924m段為本次注漿段，該段整體視電阻率值較未注漿區域有所升高，物探推測該測線所在位置注漿效果整體較好。測線250m-550m段、660m-960m段視電阻率值整段略低，推測為受煤層（低阻）影響所致。其中：

（1）GMD01測線275m-330m段推測深度范圍內深部，出現視電阻率團塊狀低阻異常；測線380m～530m段探測深度范圍內中部出現視電阻率條帶狀異常；測線835m～895m段探測深度范圍內深部出現視電阻率條帶狀異常，結合鉆探資料推測為注漿效果一般區域，見圖2。

（2）測線GMD04：測線400m～500m段探測深度范圍內中部、540m～565m段探測深度范圍內中部視電阻率值更低；測線820m～855m段探測深度范圍內深度出現視電阻率值低阻異常，物探推測為注漿效果一般區域，見圖3。

（3）GMD05測線：該測線視電阻率值較低，呈淺部低中部較低深部較高的特征，為未注漿區域的試驗測線。該測線地表覆蓋層主要為第四系沖洪積粉土、卵石土，部分地段基巖出露，電阻率相對較低，下伏基巖主要為西山窯組砂巖，厚度不均，探測深度范圍內下伏基巖上部主要為全一強風化層，下部主要為中風化層，電阻率值高。測線里程240m～290m段出現帶狀低阻異常區域，推測為采空回填區、富水；測線里程300m～460m段、500m～580m段出現電阻率值帶狀低阻異常，結合地調資料推測為受含煤地層影響而表現電阻率值較低；測線里程730m～1000m段探測深度范圍內深部出現電阻率值帶狀低阻異常，結合地調資料推測為富水區，見圖4。

4.結論及建議

①注漿后鉆孔巖芯采取率在75%～90%之間，大于等于設計要求的75%；注漿后區域內的視電阻率值較未注漿區域整體有所升高；②地基處理施工結束后，隨著地下水的上升，在道路運行過程中，路基長期受各種外部因素影響，加固區路基仍不可避免存在繼續變形可能，建議必須盡快設置監測點，開展監測工作，掌握路基的變形動態，確保道路安全運營；③路線里程K21+480右幅距注漿邊界約8m處發現塌陷坑，塌陷坑直徑約10m，深度約12m。該處地勢較低，如果常年受雨水和融化雪水的影響，塌陷坑有向路基方向擴大塌陷的可能，建議對該塌陷坑進行處理。

5.存在的問題及進一步思考

（1）溫納裝置的主要缺點是，如果要探測較深部位，需要更長的測線和更多的電極，采空區深度范圍大多在80m～350m左右，建議野外探測中，深度在120m以內的使用高密度電法，100m～350m使用瞬變電磁法（TEM）檢測。

（2）物探反演的多解性決定了必須要結合鉆孔資料和地質信息才能得出正確的結論。endprint