城市建設中瞬變電磁法對老窯采空區的探測

李開朗

(河南省煤田地質局物探測量隊,鄭州 450009)

國土資源部在2017年09月07日印發《關于加強城市地質工作的指導意見》,明確提出要統籌城市地上地下建設,并指出“……分類推進城市地質調查,綜合評價資源環境承載能力和空間開發適宜性”。對城市廢棄的工礦區土地的再次開發利用,不僅可以緩解城市土地緊張狀況,更是改善城市生態環境的良方秘藥[1]。針對此類土地的具體特征,通過物探的方法來調查地下地質條件、采空區面積等問題,為下一步巖土工程勘察及綜合治理提供可靠依據。為此,作者在本文中詳細介紹了瞬變電磁法(TEM)在城市內施工的具體工作流程及注意事項,并對探測采空區實例進行了分析。

1 方法簡介

1.1 采空區物理特征

地下礦產在開采后留下采空區,在重力的作用下,采空區上方巖層失去支撐產生不同程度的破壞和位移。廢棄老窯的采空區的空隙隨著時間增加慢慢被水或泥質流體填充,導致其電阻率值明顯低于其周圍圍巖,在反演的電阻率剖面上表現為明顯的低阻異常區域[2-3]。

1.2 TEM勘探原理

瞬變電磁法的物理基礎是電磁感應原理。在大地上鋪設輸入階躍電流的回線,向地下發送一次脈沖磁場的間歇期間,觀測由地下地質體受激勵引起的渦流產生的隨時間變化的感應二次場。根據二次場衰減曲線的特征,就可以判斷地下地質體的電性、性質、規模和產狀等,由于瞬變電磁法儀器接收的信號是二次渦流場的電動勢(二次電位),對二次電位進行歸一化的處理,根據歸一化后二次電位值的變化,間接解決如陷落柱、采空區、斷層等地質問題[4-5]。

2 解決難點

對于在城市使用加拿大鳳凰公司生產的V8儀器進行TEM施工過程中遇到的問題,作者的解決方案如下。

2.1 外框的布設問題

瞬變電磁利用鋪設的外框進行一次場的發射。一般來說,對于固定噪音水平的儀器,當發射框的大小和電流決定后,其最晚可測的時間也可以確定下來,即選取合適的外框長度能保證和地下地質體有效耦合。但在城市進行TEM施工中,考慮到大型建筑物的影響,往往難以按照預期的最佳外框進行鋪設。通過在谷歌地圖上對勘探區障礙物的判別,往往選取道路作為外框的鋪設選擇。而對于不同長度外框測量出來的結果,使用軟件TEM Pro進行歸一化,便于后續資料的反演。

2.2 電磁干擾的問題

城市人文干擾對感應類電磁法造成嚴重影響。通過等間距密集的方式,在發射框不發射情況下,儀器空采獲取本地區噪聲水平。研究分析噪聲的時間-振幅曲線及分布范圍,確定干擾源。儀器上通過工頻干擾濾波器進行壓制;具體施工中通過提高電流、增加疊加次數、增加觀測次數。施工中也發現清晨所采的數據質量明顯更好一些,即可以調整觀測時間,避開用電高峰期[6]。

3 實例應用

勘探位置在新密城區,有煤礦開采歷史,所采煤層主要為石炭系太原組煤層,埋深情況不明,但是也不排除多層采煤。本次主要任務是查清采空區范圍及深度。根據現場實際情況,沿道路布設了400 m×400 m及470 m×470 m的兩個外框,覆蓋整個測區。

圖1為該區1000線電阻率反演斷面圖,該測線位于勘探區最西部,南北向布設,縱軸為海拔高程,紅色細虛線為地表高程線,圖中顏色由藍色到紅色表示電阻率值由低到高的變化。結合已知資料,近地表因瞬變電磁法存在一定盲區,未能在圖中顯示出來。圖中由下往上,測線控制范圍內高阻區層位單一、穩定;中阻區下部層位穩定;中阻區上部紅色粗虛線標注的明顯低阻異常,結合已知資料,推測為采空影響區。經鉆探驗證,推斷解釋的地層與鉆探結果基本一致,達到本次勘探目的,為下一步治理工作提供可靠依據。

圖1 1000線電阻率反演斷面圖 Fig.1 Resistivity inversion section of line 1000

4 結束語

城市土地資源的稀缺使老舊礦區廢棄土地重新引起社會的重視。通過參與到廢棄工礦土地再利用項目,物探工作能圓滿完成勘察的任務,取得良好的效果。