綜合物探法在平朔東露天礦鐵路專用線煤窯采空區探測的應用

劉 波，高永濤，，金愛兵，，白 哲，鄧富根

(1.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083；2.北京科技大學金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083)

東露天礦是中煤平朔公司繼安太堡、安家嶺露天礦開發后的又一個大型現代化露天礦，設計能力20.0Mt/a。東露天煤礦一旦建成，將成為世界上單座剝采總量最大的露天煤礦，中煤平朔公司擬新建東露天煤礦專用線，連接東露天礦裝車站與平朔支線，其在路網中有著重要意義和作用，遠景輸送能力將達4000萬t/a，是北同蒲線集運煤炭的穩定可靠煤源點，是對大秦線擴能后運量來源的有力支持，在“三西”地區煤炭外運鐵路網中有著重要地位。平朔東露天鐵路專用線橋基位于平朔礦區范圍以外，該地區由于早期民采無序，導致煤礦采空區的分布情況不明。隨著時間的推移，該部分煤礦采空區深埋地下，逐漸被松散沉積物覆蓋，而由于這些不明采空區的存在，導致橋基建設存在很大的安全隱患。平朔東露天鐵路專用線橋基涉及范圍大，服務年限長，對路基的穩定性和變形有較高的要求。橋基下采空區一旦失穩，將對生命、財產安全帶來巨大的損失。為了最大限度地減少采空區的安全隱患，針對上述實際情況，在相關研究的基礎上[1-3]，對工程范圍內的四座橋基進行工程周邊采空區綜合物探是非常有必要的，本文將以四座橋基之一的趙家口3號橋為列進行詳細說明。

1 測區概況

1.1 工程概述

中煤平朔煤業有限責任公司新建東露天礦鐵路專用線工程，擬在DK7+437.11修建一座3～32m單線鋼筋混凝土梁橋，橋址位于趙家口水庫壩前和趙家口煤礦處。

1.2 工程地質情況

橋址位于趙家口煤礦前的沖溝之上，地勢起伏較大，表面樹枝狀沖溝發育。

2 方法原理及工程布置

2.1 EH4電磁成像原理

EH4大地電導率成像系統是美國著名的Geometrics公司和EMI公司聯合研制的雙源型電磁/地震系統。儀器設計精巧、堅實，特別適合地面2D、3D連續張量式電導率測量，在技術上率先突破傳統單點測量壁壘，走向電磁測量擬地震化、聯合2D、3D連續觀測和資料解釋，其測深可達1000多m。該系統廣泛地應用于地下水調查、環境監測、礦產與地熱資源調查以及工程地質調查等。

其原理主要是利用宇宙中的太陽風、雷電等入射到地球上的天然磁場信號作為激發場源，又稱一次場，該一次場是平面電磁波，垂直入射到大地介質中，由電磁場理論可知，大地介質中將會產生感應電磁場，此感應電磁場與一次場是同一頻率[4]。地面電磁波發送到地下，電磁波在巖土中的傳播遵循Maxwell方程。

如果假設大多數地下巖土為無磁性物質，并且宏觀上均勻導電，不存在電荷積累，那么Maxwell方程就可簡化為：

(1)

(2)

式(1)和式(2)稱為亥姆霍茲方程。其中：

(3)

式(3)稱作復波數或傳播系數。這時可將K寫成K=α+ιβ。α稱為相位系數，β稱為吸收系數。在EH4測量的電磁波頻率范圍內(0.1Hz～100kHz)，通?？梢院雎晕灰齐娏?，這時K進一步簡化為：

(4)

由亥姆霍茲方程變化的磁場感生出變化的電場，我們有磁電關系：

(5)

表面阻抗Z定義為地表電場和磁場水平分量的比值。在均勻大地的情況下，此阻抗與入射場的極化無關，與地電阻率以及電磁場的頻率有關。

(6)

式中，f是頻率，ρ是電阻率，μ是磁導率。式(7)可用于確定大地的電阻率。

(7)

式中，ρ的單位是Ω·m，E的單位是mv/km，i的單位是nT。

對于水平分層大地，此表達式不再適用，用該公式計算得到的電阻率將隨頻率改變而變化，因為大地的穿透深度或趨膚深度與頻率有關。

(8)

式中，δ的單位是Ω·m。此時，由(8)式計算得到的電阻率稱視電阻率。在一個寬頻帶上測量E和H，并由此計算出視電阻率和相位，可確定地下構造。

2.2 AGI高密度

高密度電阻率法是以不同巖土體之間導電性能差異為基礎，通過觀測和研究人工電場的地下分布規律和特點，實現解決各類地質問題的一種勘探方法[5]。高密度電阻率法實質是通過接地電極在地下建立電場，用電測儀器觀測因不同導電地質體存在時地表電場的變化，從而推斷和解釋地下地質體的賦存狀態，達到解決地質問題的目的。和常規電阻率法一樣，它通過A、B電極向地下供電流I，然后在M、N極間測量電位差ΔV，從而可求得該點(M、N之間)的視電阻率值ρs=KΔV/I。根據實測的視電阻率剖面，進行計算、分析，便可獲得地下地層中的電阻率分布情況，從而可以劃分地層，判定異常等。

2.3 探地雷達

探地雷達(Ground Penetrating Radar，簡稱GPR)方法是基于地下介質的電性差異，向地下發射高頻電磁波，并接收地下介質反射的電磁波進行處理、分析、解釋的一種探測地下介質分布的廣譜(1～2GHz)電磁技術。

探地雷達是利用高頻電磁脈沖波的反射來探測目的體，它通過發射天線向地下或目的體發射高頻寬帶短脈沖電磁波，經過地下地層或目的體反射后返回地面，為接收天線所接收。電磁波在介質中傳播時，其路徑、電磁場強度與波形將隨所通過介質的電性質及幾何形態的變化而變化。因此，根據接收到波的旅行時間、幅度與波形等資料，可探測地下介質或目的體的結構、構造及目的體的埋藏深度等[6]。

探地雷達接收到的信號通過模數轉換處理后送到計算機，經過濾波、增益恢復等一系列數據處理后形成雷達探測圖像。探地雷達圖像是資料解釋的基礎圖件，只要目的體與周邊介質中存在電性差異，就可以在雷達圖像剖面中反映出來，通過同相軸追蹤可以測定目的體的反射波旅行時間T。根據地下介質的電磁波速V和反射波旅行時間T，由式(9)可計算目的層的深度h。

(9)

式中,h為目的層的深度；x為發射天線和接收天線間距；V值為介質中的電磁波速度。

圖1為探地雷達發射探測基本原理示意圖，雷達圖形常以脈沖反射波的形式記錄，圖2為波形記錄的示意圖，圖上對照一個簡單的地質模型，畫出了波形的記錄，在波形記錄圖上各測點均以測線的鉛垂方向記錄波形，構成雷達剖面(GPR剖面)，經過資料的后處理就可得到地下不同介質的分布情況及介電常數變化面的位置等參數。

圖1 反射探測原理

圖2 雷達記錄示意圖

探地雷達的工作前提是探測對象與周圍介質間存在著明顯的電性差異，雷達波在介質中的傳播速度V與介質的電磁性參數有式(10)近似關系。

(10)

式中,V為介質中的電磁波速度；c為真空中的光速(m/ns)；εr為介質的相對介電常數；μr為介質的導磁率。

2.4 工程布置

由于探測現場地形復雜，地貌凹凸不平、溝壑縱橫，另一方面一些平坦的工作現場擺放施工堆積物，占據了很多空間，致使一些測線不能布設，并影響探測的精度。根據現場復雜地形情況以及工作任務，選擇采用探地雷達、AGI高密度電法及EH4電磁成像系統相結合的綜合物探法，沿著橋梁兩側及橋墩之間進行布線。趙家口3號橋共布置探地雷達測線70條，AGI高密度電法測線2條，EH4電磁成像系統測線4條。其中，在探測過程中使用的探地雷達天線為25MHz超強地面耦合天線(RTA)，探測深度范圍為30～40m，探地雷達使用比較靈活，測線布置覆蓋面廣，對測量環境要求低，在地形復雜、空間狹小的情況下都能布線測量。AGI高密度電法對測量場地環境要求高，必須要有寬闊的場地進行布線，兩條測線極距都是4m，每條測線都采用偶極排列和溫納排列兩種方法測量，探測深度范圍為測線長度的1/6～1/5。EH4電磁成像系統對測量環境要求低，并具有較深的探測能力，其探測深度達1000m，測點單臂距離為10m，極距為20m。

3 探測結果解釋

從趙家口3號橋雷達探測反演結果可以看出，圖3中所標A區域內，雷達波反射信號強烈，但同相軸較連續，可能為不同巖土介質分層。所標B區域內，上部有強的雷達波界面反射信號，在其下部仍有強反射界面信號，兩組信號時程差較大，推斷為疑似空區或溶洞。

圖3 趙家口3號橋25MHz天線異常雷達圖像

從趙家口3號橋AGI探測反演結果可以看出，圖4探測剖線反演圖中電阻率變化范圍在10.6～10000Ω·m，在距測線起點40m，埋深為10m和32m處有兩個明顯高阻異常體，這兩個高阻異常體均位于隧道口堆渣區西側附近。淺部異常為表層堆渣造成，深層異常位于橋墩附近，推斷疑似空洞或溶洞。

圖4 趙家口3號橋AGI測線3-2偶極排列反演結果圖

從趙家口3號橋EH4電磁成像系統探測反演結果可以看出，圖5中,電阻率自上而下逐步增大；圖5中100m以下地層范圍中電阻率梯度明顯增加，出現多處高阻異常區。在深度70m至90m范圍內，電阻率梯度增加較緩，但也表現為逐步增加，推斷為疑似松散體影響導致的；在深度96m至105m及深度95m至120范圍存在明顯高阻異常體，推斷為疑似空洞或松散體影響導致的；考慮到采空區對橋梁的影響范圍，對于深度在100m以下的采空區不予考慮。

圖5 趙家口3號橋EH4測線3-2反演圖形

圖6中，電阻率自上而下逐步增大；在距測線起始點10m，深度30m至45m范圍內地層范圍中電阻率梯度明顯增加，表現為高阻異常區，推斷為疑似空洞或松散體影響導致的，并且該高阻區域與AGI高密度電法的測線3-2剖面圖中的異常區域位置為同一區域。

圖6 趙家口3號橋EH4測線3-3反演圖形

4 結論

1)探地雷達法能夠獲得測區淺層高分辨率的雷達波形圖，在地形復雜、空間狹小的情況下都能布線測量，測線布置覆蓋面廣。高密度電法對淺層采空區具有較強的探測能力，并對低電阻敏感，但對現場環境要求嚴格。電磁成像系統對深層采空區具有較強的探測能力。三者綜合運用，能夠互相補充、互相驗證，提高了探測的準確度和精度，基本查明了采空區的層位、分布和范圍。

2)物探成果解析必須掌握充分的已知地質信息，排除各種干擾，才能得到正確的結果。

3)綜合勘探能提高勘探精度，減少多解性，是地球物理未來的發展趨勢，但實際工作中，往往因為綜合勘探增加其成本，其可行性低，阻礙了綜合物探的發展。

4)綜合物探方法在平朔東露天礦鐵路專用線煤窯采空區的應用實踐中，取得了令人滿意的成果，為后期有針對性地、有目的性地對采空區進行治理提供了條件。

[1]劉海濤，楊娜，董哲，等.綜合物探方法在煤礦采空區探測中的應用[J].工程地球物理學報，2011，8(3)：362-365.

[2]閆長斌，徐國元.綜合物探方法及其在復雜群采空區探測中的應用[J].湖南科技大學學報：自然科學版，2005，20(3)：9-14.

[3]宋英慧，劉鴻福.綜合物探技術在煤礦采空區探測中的應用[J].山西煤炭，2011，31(5)：73-75.

[4]管旭東，白英，孫進忠.EH4電磁成像系統在巖體深部采空區勘查中的應用[J].內蒙古農業大學學報，2008，29(1)：223-226.

[5]張進國，徐新學.高密度電法在地下煤礦采空區探測中的應用[J].西部探礦工程，2004(8)：65-66.

[6]龔術，全朝紅，陳程.探地雷達在采空區探測中的應用[J].西部探礦工程，2011(8)：167-169.