大定源瞬變電磁法在鐵路采空區勘察中的應用

2013-11-29 07:50:20趙廣茂周學明

鐵道勘察 2013年6期

趙廣茂周學明

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

1 概述

采空區對于鐵路建設及運營危害極大，尤其是中深部大型采空區，必須在鐵路勘察階段將采空區的埋深和邊界準確查明，才能保證鐵路的建設及運營安全。

中深部大型采空區的形成往往發生在大型及特大型的煤礦，機械化程度較高，采掘率在85%以上，開采面積大，采空區在重力和地層應力作用下，頂板塌落，形成冒落帶、裂隙帶和彎曲帶等，使得采空區被上層塌落的松散物充填而地球物理特征發生變化，往往采空區內部充水，采空區會表現為低電阻率［1，2］。另一方面煤層下伏地層為灰巖，采空區與下伏灰巖相比，電阻率差異較大［3］。基于電阻率的差異可以采用電阻率方法進行采空區探測，在電阻率方法中以大定源瞬變電磁法最優。瞬變電磁法具有對低阻體反映明顯、高密度時序采樣、分辨率較高、發射源及接收點采用不接地回線、不受地表接地條件限制等優點。瞬變電磁法在上世紀30年代由前蘇聯科學家提出［1，4］，到 50～60年代才開始進入實用階段;在國內，從70年代開始研究瞬變電磁法，但主要應用于金屬礦床探測，近年來逐漸用于煤田陷落柱的探測［5-9］。

2 大定源瞬變電磁法原理

瞬變電磁法(TEM)屬于時間域人工源電磁方法，是以大地中巖(礦)石的導電性和導磁性為物性前提，根據電磁感應原理觀測，研究電磁場空間和時間分布規律，以尋找地下異常體或解決相關地質問題的一種勘察方法。

瞬變電磁法測量導體內渦流的過渡過程，觀測在脈沖間歇期間進行，不存在一次場源的干擾，觀測參數為純二次場，是電磁法中唯一可采用同點裝置的方法。探測目標耦合最緊，獲得的響應最強，因而異常更直接、探測效果更明顯、原始數據的保真度更高。

3 中深部采空區勘察應用

(1)測區地質及測線布置概況

測區位于吉林省通化市二道江區，線路基本位于渾江河谷階地區，沿渾江蜿蜒延伸，地勢中間低，兩側高，向西南方向緩傾，見圖1。主要出露地層為第四系、白堊系、二疊系鐵廠統、石炭二疊系大崗統、石炭系中統本溪組、奧陶系、寒武系、長城系等。

本工區含煤地層為古生代石炭－二疊系大崗統煤系、石炭系中統本溪組含煤層，埋深約200 m。古生代石炭－二疊系大崗統煤系一般厚10～68 m(局部變薄區僅為1～10 m)，主要由頁巖，砂巖，灰巖等組成，一般含煤層3層，局部未發育煤層，一般不可采。石炭系中統本溪組含煤層一般厚20～90 m，主要有頁巖，砂巖，灰巖等組成，含煤層2層，均為局部可采。

圖1 線路及工區位置

根據鐵路線位及煤礦位置，在煤礦與鐵路線之間與線路平行布置瞬變電磁法測線3條，以圈定采空區位置及埋深，從而判斷線路是否安全，布置見圖2，圖2中粉色線為瞬變電磁測線，紅色粗線為鐵路線位。

圖2 測線布置

(2)探測方法參數

瞬變電磁法采用大定源回線裝置，采集儀器為加拿大Geonics公司Protem系列瞬變電磁儀，如圖3所示，發射回線邊長一般取勘探深度的1～1.5倍，該區域勘探深度約為200～300 m，所以發射線框選擇300 m×300 m進行觀測。在中心位置1/2范圍內觀測，點距10 m，線距50 m，發射頻率25 Hz，電流10 A，關斷時間160μs。

圖3 瞬變電磁數據采集設備(發射機、接收機)

圖4 TE－150測線瞬變電磁反演結果

圖5 煤層出露點現場照片

(3)勘探成果

如圖4可以看到淺層100 m范圍內為河灘卵石以及第四系覆蓋層反映，下伏基巖起伏較大，基巖頂界面深度在200 m左右。

在測線650號點現場有開挖地基，有煤層出露，見圖5，在瞬變電磁反演結果圖中煤層對應顯示為低電阻率，因此，圖4中下部低電阻部分應為煤層反映，在175～275號點之間低電阻率部分下降，與兩側具有高差，深度為150～200 m，厚度約50 m，且下部為較高電阻率反映，巖性應為灰巖，與煤系地層的形成規律相符，同時與調查深度及厚度一致，由此綜合判斷175～275號點150～200 m深度范圍內為采空區段落，且從相鄰兩條測線的結果(見圖6和圖7)，可以得知該采空區為南北走向，從而判斷出鐵路線下可能存在采空的位置(如圖8所示)，可以有針對性的布置鉆探或其他手段去驗證鐵路線下是否存在采空區。