瞬變電磁法在平頂山—魯山大佛景區觀光鐵路勘察中的應用

田占峰, 李耐賓

(中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300308)

工程勘察是安全施工的基礎，也是確保工程運行安全和提高工程服務壽命的前提。為分析平頂山—魯山大佛景區觀光鐵路沿線工程地質條件，本文以瞬變電磁法為基礎進行了沿線工程地質條件研究，主要目的是查明沿途兩個螢石礦采空區的分布規律，為進一步確定治理方案提供詳細、可靠的基礎資料[1]。針對物探環境及探測深度要求，合理選擇物探方法，消減環境干擾，改善耦合條件，準確排除及判釋異常是準確尋找采空區的關鍵[2]。瞬變電磁法是一種成熟的物探方法，在實際應用中取得了良好的探查效果[3]，能滿足平頂山—魯山大佛景區觀光鐵路工程的勘察需求。

1 工程概況

平頂山—魯山大佛景區觀光鐵路線路全長約62.26 km，勘察范圍主要位于CK48+580～CK52+100段，其中CK48+580～CK49+080穿越趙村鄉鑫鈺螢石礦，CK50+830～CK51+800穿越土峰溝螢石礦。兩處均為采礦權項目，目前上述兩礦區均已關閉廢棄。其中，趙村鄉鑫鈺螢石礦，線路于CK48+580～CK49+080段以路基形式穿越其礦權范圍，根據已收集礦區分布圖，本礦礦脈位于線路右側60～70 m處，線路未穿越礦脈，該螢石礦開采采用豎井、橫洞及斜井方式；土峰溝螢石礦，線路于CK50+830～CK51+800段以隧道形式分別正穿、斜穿(夾角約30°)該礦兩條礦脈，該螢石礦主要采用豎井、橫洞及斜井方式開采。為查明平頂山—魯山大佛景區觀光鐵路鑫鈺螢石礦CK48+950～CK49+300段和土峰溝螢石礦第四礦段CK51+600～CK52+100段采空區的平面位置、埋深、延伸等空間分布情況，本文結合瞬變電磁法進行了研究，可為鐵路施工提供基礎資料。

2 研究區基本概況

2.1 地形地貌

線路位于華北平原西南緣，所經區域總體地勢西高東低，南北為低山丘陵，中部為河岸平原，擬建線路主要穿越山前傾斜平原區及伏牛山中低山丘陵區2個地貌單元。CK00+000～CK08+800段屬山前傾斜平原區(高階地壟崗區)，線路跨越南水北調及既有焦柳鐵路；CK08+800～CK18+400段線路穿越丘陵區(傅嶺、魯山坡一帶)，位于鄭堯高速公路北側，基本沿其走行；CK18+400～CK30+800線路主要跨越沙河及其支流幔灘及階地區；CK30+800～CK62+110.061(終點)線路主要穿行于伏牛山東段中低山及山間谷地區，局部地段跨越沙河及其支流階地區。研究區位于伏牛山東段低山丘陵區，該地區自然坡度25°～50°，植被發育，地面高程130～750 m，相對高差50～500 m，地形起伏，山岳連綿不斷，植被茂密，地勢起伏較大，工程地質條件較復雜。

2.2 地質特征

CK00+000～CK08+800段高階地壟崗區地層以第四系中-上更新統(Q2-3)黏土、粉質黏土為主，局部下伏寒武系 (∈) 灰巖、泥灰巖及泥質粉砂巖等；CK09+200～CK18+400段丘陵區以郎店—魯山坡斷層為界(CK12+500左右)，主要出露元古界及寒武系地層。元古界地層主要為震旦系暗紫紅色、灰綠色含礫粉砂質頁巖，夾石英砂巖、粉砂巖以及中元古界汝陽群云夢山組(Pt2y)含礫石英砂巖及紫紅色安山巖等。寒武系地層主要為饅頭組(∈1m)灰色中厚層、薄層灰巖、泥質粉砂巖夾鈣質泥巖等；CK18+400～CK30+800沙河及其支流河床及河漫灘上部為灰色砂礫石層及含礫砂土層，受人工采砂影響，砂層多被采空，松散狀卵礫石層堆積于河床及幔灘區之上；Ⅰ級階地上部為第四系全新統沖洪積(Q4al+pl)黏土及砂土，下部為砂礫石層；沙河兩岸山前平原Ⅱ級階地上以第四系中、上更新統(Q2-3)褐紅色黏土為主。

CK30+800～CK62+262.08(終點)段地層主要為燕山期中粗粒黑云母二長花崗巖，局部地段少量出露有中元古界熊耳群馬家河組(Pt2m)黑云斜長片巖、綠泥片巖等，局部為綠色安山巖夾紫紅色泥質粉砂巖。擬建區域不良地質及特殊巖土主要有礦區采空區、危巖落石及堆積體等。

2.3 地球物理特征

采空區的電阻率與圍巖存在明顯的差異，這是采用電磁類方法的前提[3]。根據礦區現有資料和現場踏勘，采空區埋深基本在50～120 m范圍內，地下水位高程為210 m左右，推斷采空區內充滿積水，呈低阻特征。研究區內基巖主要為花崗巖，結合現場實測，較完整花崗巖的電阻率值在1 000 Ω·m以上，采空區的電阻率值在0～720 Ω·m之間。

3 測線布設及儀器設備特征

3.1 測線布設及數據處理

本次瞬變電磁探測區域為山體段落，根據螢石礦采空區既有調查資料和探測現場具體環境條件，沿線位中線或平行線位布設測線(表1)，測點間距10 m。采用HPTEM-18型高精度瞬變電磁系統配套處理軟件進行處理，反演方法為瞬態弛豫反演法，約束系數為0.6，光滑系數為0.05，初始地表電阻率值為100 Ω·m。

表1 螢石礦采空區瞬變電磁測線布設統計表

3.2 儀器設備

本次瞬變電磁探測設備采用國產HPTEM-18型高精度瞬變電磁系統，主要包括測試主機、控制電腦及發射、接收一體化天線。

HPTEM-18型高精度瞬變電磁系統是以等值反磁通法為基本原理，采用統一標準垂直發射磁源、高靈敏磁感應接收傳感器、高速24位采集卡以及高密度測量等技術實現淺層高精度瞬變電磁勘探，綜合性能處于國際領先地位[4]。該系統發送機采用高度集成的電路結構和高速的開關器件，實現大梯度線性關斷，保證了每次關斷的一致性，形成穩定的一次磁場和渦流，同時，大梯度線性關斷有效縮短了關斷時間，減少了淺層數據的失真。接收機采用程控分段放大，提高了系統的動態范圍，24bit、625KSPS的采樣率保證了數據精度和信號帶寬；傳感器采用超低噪聲放大器，降低了系統噪聲，整個信號通路采用全差分結構，能有效壓制各種外界環境干擾[5]。HPTEM-18型高精度瞬變電磁系統的主要性能指標為：①天線類型為收發一體化等值反磁通天線，具備零互感特性；②發送等效面積為200 m × 200 m；③接收等效面積大于200 m2；④諧振頻率大于200 kHz；過渡過程時間為0 μs；工作溫度介于-40～+70 ℃之間；⑤主機的發送波形為占空比50%的雙極性方波，發送電壓為12 V，發送電流為10 A，發送頻率為0.1～250 Hz，關斷時間為0.5 μs@阻性負載，接收分辨率為24位，接收采樣率為625 kHz，時間道采用最大1 250時間道。

3.3 數據采集

本次數據采集主要參數指標為：發送頻率為6.25 Hz，發送電流為7.0～15.0 A，關斷時間為50 μs，接收頻率為625 000 Hz，疊加次數為400次，重復采樣2次，采用定點測量方式。HPTEM-18系統通過Wi-Fi無線連接主機與平板電腦實現數據采集顯示控制，可實時查看二次場衰減曲線。如發現曲線震蕩畸變情況，立即進行場地環境及設備檢查，排除干擾因素，保證數據采集質量。現場采集時盡量避免強電磁干擾源如大型金屬物體，保持天線水平并與地表耦合緊密。

4 應用成果解譯

4.1 成果分析形式

結合區域水文地質資料和礦區既有資料等，對采空區的判定原則為：在視電阻率剖面中相對于圍巖而言，以較大片狀、帶狀較低阻異常閉合區(橫、豎向梯度變化較大)存在時，推斷為采空區。圖1為TMP-xy-04測線成果圖，以該測線為例，圖中藍色低阻異常區推斷為采空區，標識為XCK-06。

圖1 TMP-xy-04測線成果圖

4.2 推斷解譯成果

4.2.1 鑫鈺螢石礦區

由表1可知，在鑫鈺螢石礦區范圍內共布設了4條瞬變電磁測線，根據上文成果分析原則分別對4條測線沿途的采空區進行了推斷解譯。根據視電阻率剖面特征，沿線地層層狀特征較為明顯，結合地勘資料，地表以下140 m深度范圍可分為3層。其中，第1層為第四系覆蓋層，ρs=0～520 Ω·m；第2層為風化基巖，ρs=520～1 000 Ω·m；第3層為較完整基巖，ρs>1 000 Ω·m。依據物探分析解釋原則，對明顯片狀及條帶狀閉合低阻異常區推斷解釋為采空區。TMP-xy-01測線共解譯出采空區2處，按里程由小到大依次標識為XCK-01和XCK-02，兩處采空區的視電阻率值均為0～400 Ω·m，其發育位置中心里程分別為CK49+188.0 m和CK49+212.0 m，發育中心埋深分別為54.2 m和79.7 m；TMP-xy-02測線共解譯出采空區1處，標識為XCK-03，其視電阻率值為0～400 Ω·m，其發育位置中心樁號為245.0 m，發育中心埋深為89.8 m；TMP-xy-03測線共解譯出采空區2處，按樁號由小到大依次標識為XCK-04和XCK-05，其視電阻率值分別為0～400 Ω·m和480～720 Ω·m，其發育位置中心樁號分別為34.0 m和60 m，發育中心埋深分別為58.9 m和75.7 m；TMP-xy-04測線共解譯出采空區1處，標識為XCK-06，視電阻率值為0～400 Ω·m，其發育位置中心樁號為98.0 m，發育中心埋深為71.6 m。

4.2.2 土峰溝螢石礦區

由表1可知，在土峰溝螢石礦區內共布設4條測線，解譯成果表明：TMP-tf-01測線共解譯出采空區2處，按樁號由小到大依次標識為TCK-01、TCK-02，其視電阻率值分別為0～400 Ω·m和440～640 Ω·m，其發育位置中心樁號分別為122.0 m和214.0 m，發育中心埋深分別為71.1 m和81.9 m；TMP-tf-02測線共解譯出采空區2處，按樁號由小到大依次標識為TCK-03、TCK-04，其視電阻率值分別為560～720 Ω·m和0～400 Ω·m，其發育位置中心里程分別為CK51+776.0 m和CK51+959.0 m，發育中心埋深分別為77.2 m和70.5 m；TMP-tf-03測線共解譯出采空區4處，按樁號由小到大依次標識為TCK-05、TCK-06、TCK-07、TCK-08，其中TCK-05、TCK-06、TCK-08視電阻率值均為0～400 Ω·m，TCK-07視電阻率值為320～520 Ω·m，其發育位置中心樁號分別為99.0、131.0、196.0和219.0 m，發育中心埋深分別為103.4、104.9、79.5和83.2 m；TMP-tf-04測線無明顯采空區異常。

5 結論及建議

綜上所述，本次在鐵路線位途徑螢石礦采空區附近進行了瞬變電磁法探測工作，在鑫鈺螢石礦CK48+950～CK49+300段共推斷6處采空區異常，在土峰溝螢石礦第四礦段CK51+600～CK52+100段共推斷8處采空區異常，采空區中心埋深大部分在60～90 m之間。但是由于地面物探工作會受到場地環境與復雜介質的影響，因此存在一定的多解性和測試誤差。同時，該地區螢石礦開采秩序較為混亂，開采時間久遠，且埋深大，隱伏性強，非法無序的亂采濫挖導致地下采空區空間分布特征規律性差，建議對推斷的采空區進行鉆探驗證，根據驗證情況，綜合分析解譯物探資料，從而為鐵路設計提供了更詳實的基礎地質資料。