綜合物探在煤層采空區探測中的應用研究

徐旺興

(福建省龍巖市城市建設投資發展有限公司，福建 龍巖 364000)

隨著城市加速發展，人口膨脹的同時對公共交通網的需要也隨之提高，地下交通網絡的鋪設也在全面進行。其中，由于部分地區存在私人經營的煤礦，地勘資料不足，從而對采空區位置不確定，而該地區位于喀斯特地貌下，地下水極易沖刷擴張采空區位置。針對不同成因形成的地下空洞和未知區域，以及嚴重影響地下交通網建設過程的重大異常采空區，單一物探方法對其尋找探查的難度大、準確性不高、局限性較大，無法做到準確探明其空間位置，將對安全生產造成隱患[1,2]。

為此本文利用綜合物探方法，解決地下采空區探查存在的問題和困難。利用目前常用的幾種物探方法，對目部地層進行綜合勘察，得到詳細的地下先驗信息進行分析對比，對后續實際施工進行指導，解決目部地層存在部分盲區的問題，驗證地球物理方法在探查地下采空區問題上的能力[3,4]。

本文選擇某地區喀斯特地貌地區，其地下工程需要穿越資料缺失的小型煤礦，采空區位置及大小不明確，存在一定的施工風險，下文將結合綜合物探方法成果進行分析介紹。

1 工程概況

擬建地下工程區間兩側建筑物較為密集，主要為公路、居民樓、沿街商鋪及在建住宅等。經過初期踏勘得知，該區域內存在部分私人開挖的小型煤礦，存在采空區。查明采空區分布及特征對后續施工方案、施工質量、進度、及周邊建筑物的保護至關重要。

本次物探主要是采用孔中電磁波法、跨孔電磁波CT、地質雷達等綜合物探方法，查明場區采空區分布及規模等情況。

2 地質概況

2.1 地形、地質情況

區域地質構造單元屬揚子準地臺（一級構造單元）、黔北臺隆（二級構造單元）、遵義斷拱（三級構造單元）、貴陽復雜構造變形區（四級構造單元），以南北向構造為主。

場區內大斷層主要有烏當斷層、花溪斷層和六神觀斷層，這3 條大斷層規模大，與3 號線一期工程線路不相交，但距離線路距離不大；線路北部線路穿越若干小斷層。

本標段主要涉及斷層為F1（花溪斷層），位于中曹司向斜西翼，為一逆斷層，東盤相對上升，長30km。斷層線微彎曲，近南北走向，傾向東，傾角30°～70°，地層斷距300～800。斷層面比較隱蔽，當兩盤（特別是上盤）為厚層塊狀白云巖時，擠壓破碎帶才比較發育，最寬可達100m，有角礫巖、碎粒巖及伴生小斷層。大部分地段斷層面與近旁巖層產狀相近，并隨巖層產狀變化而變化，該斷層似具順層滑脫性質。該斷層位于擬建區間約860m。

2.2 物探條件綜合分析

本區間場地上覆土層主要為第四系人工填土、紅黏土，局部為洞穴堆積，巖體結構以層狀巖體為主，主要為三疊系強～中風化白云巖。根據測區野外巖土體主要物理量測量結果，測區主要巖土層的地球物理參數如表1。

表1 電磁波參數表

3 綜合物探方法

3.1 跨孔電磁波CT 法

在所測兩鉆孔中分別布置發射天線與接收天線，固定發射天線，接收天線沿鉆孔移動，每隔1m 接收一次，接收天線移動距離與孔間距近似相等。接收天線每移動一次，可得到一組射線，記為一次掃描；之后，移動發射天線，接收天線進行另一次掃描，直至發射天線移至完鉆孔探測深度為止。通過兩個天線的移動，多次掃描，可得到若干條射線。每條射線記錄了電磁波的衰減值。在數據處理過程中，對掃描區域進行網格剖分，利用多條射線在同一網格中的交會點，經過相關換算公式求得該網格的衰減系數。再對所有網格的衰減系數進行成圖，即可得出所測區域巖體的電磁波衰減關系圖，結合電磁波在不同介質中傳播時電磁波的衰減系數參考范圍，結合鉆孔資料及場區地質情況，便能精確推斷出測區內的巖溶發育情況，具體原理如圖1 所示。

圖1 跨孔電磁波CT 示意圖

3.2 孔中電磁波法

單孔電磁波反射法原理：雷達發射天線和接收天線連接在一起放入鉆孔中，采用偶極子天線，以360°方向輻射和接收反射信號。數據解釋與地面雷達數據基本一樣，只是其信號是全空間的。從數據中無法得知反射體的方向，只能得到反射體的距離，是否呈面狀分布及平面體與鉆孔的夾角等信息，具體原理如圖2 所示。

圖2 孔中電磁波法示意圖

3.3 地質雷達法

地質雷達法是一種用于確定地下介質分布的廣譜電磁波技術，通過發射電線發射高頻電磁波，經過地下電性差異界面或目標體后反射后返回地面，由接收天線接收。高頻電磁波在介質中傳播時，其路徑、電場強度與波形隨著通過的介質的電性特性及幾何形態而變化，通過對時域波形的采集、處理和分析可確定地下分界面或結構異常體的空間位置，具體原理如圖3 所示。

圖3 地質雷達法示意圖

4 資料采集及解釋

4.1 資料采集

本次跨孔電磁波CT 法使用HX-JDT-02B 型井下無線電波透視儀，孔中電磁波法使用的儀器為瑞典瑪拉公司生產的RAMAC 系列雷達，使用100MHz 鉆孔雷達天線，地質雷達法使用的儀器為加拿大Sensors & Software Inc 公司生產的收發分離式雷達，本次選用天線主頻：50MHz。本次測量區間為K53 至K54 號孔之間，里程YDK10+844.4～ YDK10+866.4，總長22 米。

4.2 成果綜合解釋

三種方法的探測結果如圖4-5 所示。

圖4 跨孔電磁波CT 成果圖圖4-2 地質雷達成果圖

4.2.1 跨孔電磁波CT 法

成果圖上顯示在地下目標埋深區域內存在兩處異常區，初步判斷為填充型采空區或破碎帶。

4.2.2 孔中電磁波法K53 與K54 號孔成果圖上顯示在埋深13m 位置處均出現連續長異常區，初步判斷為連通型破碎帶發育區或采空區；22m 處存在較弱異常區，需結合其他方法進行分析。

4.2.3 地質雷達法

地質雷達成圖上顯示存在兩處異常區，其中埋深20m 處存在強反射同相軸，初步推測為采空區；13m 處存在局部范圍內同相軸錯段、同相軸能量缺失，判斷該區域為破碎帶。通過三種方法綜合分析對比，并結合實際鉆孔資料得到如下結論：

強風化層界線標高為：1111.63～1112.78。

采空區1：最大寬度約1.85 米 （YDK10 +849.2 ～+851.05），最大洞高約0.82 米（1102.52～1103.34），為粘土充填型采空區。周圍存在破碎帶，其最大寬度約24.92 米，頂標高約1104.26，向下發育。

采空區2：最大寬度約3.92 米（YDK10 +864.43 ～+868.35 段），最大洞高約2.26米（1097.94～1100.2），為粘土充填型采空區。于K54 鉆孔標高1097.94～1100.2 處揭露。周圍存在破碎帶，其最大寬度約6.89 米，最大高度3.95 米。

破碎帶1：最大寬度約24.92 米（YDK10 +844.4 ～+869.32 段），最大洞高約3.06米（1101.2～1104.26）。K53 鉆孔揭露該處巖芯呈碎塊狀，可見溶孔和溶蝕裂隙。

K54 鉆孔揭露該處巖芯呈碎塊狀，可見溶孔和溶蝕裂隙。

圖5 孔中電磁波法波形圖

破碎帶2：最大寬度約6.89 米（YDK10+862.93～+869.82 段），最大洞高約3.95 米（1197.62～1101.17）。k54鉆孔揭露該處巖芯呈碎塊狀，可見溶孔和溶蝕裂隙。

5 結論

5.1 通過綜合物探方法對地下采空區、異常區及影響施工的探測盲區進行了全方面探查，通過多種方法對比驗證，準確地標定出異常區域的空間位置，綜合推斷分析出異常體的成因，提供準確的先驗信息，做好為后期施工服務的準備工作。

5.2 施工后續開挖中驗證了本次綜合物探所探測到的異常區，表明綜合探測方法在未知區域地下采空區探查中具有良好的結果，特別針對喀斯特地貌地下水發育堅強，容易擴張采空區范圍的地區，具有良好的針對性和準確性。

5.3 綜合多種物探方法的探測能提供更準確的地下信息，改善過去由于先驗信息不足或者單一方法局限性產生的相關施工事故，具有廣闊的應用前景。