變電站下伏采空區(qū)安全穩(wěn)定性分析

徐 亮，董建軍，樊東峰，李 尊，劉艷生

（1.中國電力企業(yè)聯(lián)合會電力建設(shè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)咨詢中心，北京 100053；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125105；3.礦山熱動力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（遼寧工程技術(shù)大學(xué)），遼寧 葫蘆島 125105；4.國網(wǎng)河南省電力公司，河南 鄭州 450018；5.國網(wǎng)三門峽供電公司，河南 三門峽 472599；6.平頂山電力設(shè)計(jì)院有限公司，河南 平頂山 467001）

采空區(qū)塌陷已成為一種典型的地質(zhì)災(zāi)害，采空區(qū)的存在會導(dǎo)致農(nóng)田、道路、建筑物不同程度的破壞，給人們的生產(chǎn)生活帶來嚴(yán)重隱患的同時(shí)也造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。下伏采空區(qū)的安全穩(wěn)定性對工業(yè)設(shè)施的安全建設(shè)與運(yùn)營具有重要影響，因此必須對下伏采空區(qū)進(jìn)行安全穩(wěn)定性評估。目前，采空區(qū)建設(shè)廠房、辦公樓、住宅等建（構(gòu)）筑物的成功實(shí)例較多，但尚無煤礦采空區(qū)的變電站建設(shè)案例，故開展此方面的研究十分必要。

瞬變電磁法具有探測深度大、受地形影響小和不受高阻基巖出露影響的優(yōu)勢，為采空區(qū)安全穩(wěn)定性分析提供了一種有效的方法。國內(nèi)外已有眾多學(xué)者將瞬變電磁法應(yīng)用于煤礦采空區(qū)地表形變監(jiān)測。梁爽等[2]以陽泉二礦為研究對象，利用瞬變電磁法對采空區(qū)積水情況進(jìn)行探測，通過地層電阻率大小確定出采空區(qū)含水區(qū)域；劉君[3]利用瞬變電磁法和氡氣測量法對井坪鎮(zhèn)某采空區(qū)積水邊界位置進(jìn)行探測，探測結(jié)果與煤礦實(shí)際采掘情況相一致，證明瞬變電磁法能夠?qū)γ旱V采空區(qū)位置結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測；牛宏等[4]以鵲山多層采空區(qū)為研究對象，利用瞬變電磁法對采空區(qū)邊界及積水區(qū)域進(jìn)行探測，探測結(jié)果與巷道掘進(jìn)成果相吻合；和學(xué)軍等[5]利用瞬變電磁法對山西某富水采空區(qū)位置進(jìn)行圈定，提出瞬變電磁法適合在山區(qū)等復(fù)雜地區(qū)進(jìn)行勘探，且能夠探測出采空區(qū)含水異常區(qū)；覃慶炎[6]建立了煤礦積水采空區(qū)理論模型對采空區(qū)瞬變電磁響應(yīng)特征進(jìn)行分析，通過有限差分法實(shí)現(xiàn)了瞬變電磁場時(shí)間域數(shù)值模擬，最終探測得到采空區(qū)異常區(qū)域的分布規(guī)律；Shu等[7]利用中心回線瞬變電磁探測法對煤礦多層充水采空區(qū)結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測，準(zhǔn)確測得采空異常區(qū)位置；常治國等[8]利用瞬變電磁法確定出某煤礦的采空異常區(qū)，為后期治理提供了地質(zhì)信息；張紅權(quán)等[9]根據(jù)電性特征實(shí)驗(yàn)方法確定瞬變電磁參數(shù)，利用瞬變電磁與高密度電法相結(jié)合的方法，探測出江西省某采空區(qū)的多個異常區(qū)分布位置；孫英峰等[10]利用瞬變電磁法確定出探測區(qū)內(nèi)的3 處采空異常區(qū)；趙磊磊[11]基于瞬變電磁法，在廣域范圍布設(shè)大回線源裝置，局域范圍布設(shè)重疊小回線裝置，通過對2 種探測裝置的結(jié)果分析，推斷出村莊采空區(qū)的影響邊界。

鉆孔探測作為一種直觀探測研究區(qū)域地層分布的方法，探測結(jié)果具有較高的可靠性和準(zhǔn)確性。熊彩霞等[12]綜合運(yùn)用鉆孔和殘余沉降對采空區(qū)擬建鐵塔場地進(jìn)行探測，并對鐵塔建設(shè)可行性進(jìn)行分析；葉圖強(qiáng)等[13]利用鉆孔與激光探測儀相結(jié)合的方法，得到采空區(qū)精細(xì)空間數(shù)據(jù)；李學(xué)良[14]利用鉆孔技術(shù)和電導(dǎo)率成像系統(tǒng)對采空區(qū)結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測分析，通過工程實(shí)例驗(yàn)證了將鉆孔探測應(yīng)用到采空區(qū)的可靠性；潘桂海等[15]提出通過工程實(shí)際情況驗(yàn)證鉆探監(jiān)測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)二者得到的采空區(qū)頂板發(fā)展規(guī)律相一致，證實(shí)了鉆探監(jiān)測的可行性；丁亮斌等[16]綜合物探和鉆探方法，探明了煤礦異常積水區(qū)的位置；李寧等[17]利用瞬變電磁與鉆探相結(jié)合的方法，確定出采空區(qū)的數(shù)量及位置分布。

鑒于此，瞬變電磁法結(jié)合鉆孔探測可以有效評價(jià)整個研究區(qū)域的采空塌陷情況和區(qū)域地層分布情況。因此，以平頂山變電站下伏采空區(qū)為研究對象，采用瞬變電磁法及鉆探的方式對研究區(qū)域進(jìn)行探測，分析變電站下伏采空區(qū)的安全穩(wěn)定性。

1 變電站下伏采空區(qū)概況

1）水文地質(zhì)情況。平頂山迎賓110 kV 變電站地處新華區(qū)老采動影響區(qū)，地質(zhì)性質(zhì)較差、環(huán)境復(fù)雜。擬建迎賓變電站位于平頂山市鷹城廣場東部，光明路以西，園林路南部，建設(shè)路以北。擬建區(qū)地勢平坦，交通方便，變電站內(nèi)主要建筑物為配電裝置樓。變電站下伏采空區(qū)區(qū)域?yàn)樾律细矃^(qū)，區(qū)內(nèi)地層由新至老分別為第四系、二疊系、石炭系和寒武系。

2）采空區(qū)煤礦開采情況。擬建變電站位于平煤集團(tuán)七礦井田東翼采區(qū)范圍內(nèi)，七礦在本區(qū)域附近主要開采了己組煤層，該區(qū)域地表標(biāo)高為+85 m 左右，從東南向西北煤層開采深度逐漸增大。開采深度約160 m，開采采厚約3.5 m，開采時(shí)間為1987—1993 年。采用長壁工作面炮采、普采或綜采，全陷法管理頂板。

2 采空區(qū)綜合探測

在明確變電站下伏采空區(qū)基本地質(zhì)條件及開采情況的基礎(chǔ)上，通過瞬變電磁法和鉆探的方式查明采空異常區(qū)域的情況，分析變電站下伏采空區(qū)的安全穩(wěn)定性。

2.1 瞬變電磁法探測

2.1.1 瞬變電磁法基本原理

瞬變電磁法是具有較高的抗干擾能力和分辨率時(shí)間域的人工源電磁法。將發(fā)射線框安裝在地面上，向其中通入直流電，迅速切斷電源，此時(shí)線框中出現(xiàn)電流突變，空間中因瞬態(tài)變化的電流而出現(xiàn)瞬態(tài)的磁場，瞬態(tài)的磁場導(dǎo)致地下產(chǎn)生渦流，隨著時(shí)間的流逝，渦流不停向地下推進(jìn)，擴(kuò)散的速度和地下地層的電阻率相關(guān)，不同時(shí)間擴(kuò)散至不同深度。通過監(jiān)測地下渦流變化（即磁場變化率dB/dt）來完成地下電阻率的解讀。瞬變電磁法原理圖如圖1。

圖1 瞬變電磁法原理圖Fig.1 Schematic diagram of TEM

由此得到的值并非電阻率而是感生電動勢隨時(shí)間的變化值。該值不能直接用來地下結(jié)構(gòu)的推斷，所以可通過下式對這種變化值進(jìn)行轉(zhuǎn)化：

式中：ρt為視電阻率，Ω；μ0為地層介質(zhì)磁導(dǎo)率，H/m；t 為時(shí)間，s；St為發(fā)射線圈面積，m2；Sr為接收線圈面積，m2；V（t）為感應(yīng)電動勢，V；I 為供電電流，A；ht為深度，m；σt為縱向電導(dǎo)，S；V（t）/I 為歸一化感應(yīng)電動勢，V。

視電阻率雖非實(shí)際地層電阻率，但其空間變化特性與真實(shí)地點(diǎn)斷面相一致，能客觀的展示出地下地質(zhì)體的空間分布特性。

2.1.2 現(xiàn)場探測

經(jīng)對變電站下伏采空區(qū)多次現(xiàn)場試驗(yàn)得到了滿足探測要求的發(fā)射頻率為6.25 Hz，發(fā)射線框?yàn)?.5 m×1.5 m，疊加大于512 次。本次探測設(shè)置7 條測線，測線上各點(diǎn)間距10 m；設(shè)置試驗(yàn)點(diǎn)2 個，線上物理點(diǎn)58 個，質(zhì)量檢查點(diǎn)3 個，總計(jì)完成瞬變電磁物理點(diǎn)63 個，剖面總長620 m，探測布置圖如圖2。瞬變電磁探測布置統(tǒng)計(jì)見表1。

圖2 探測布置圖Fig.2 The layout of the detection

表1 瞬變電磁探測布置統(tǒng)計(jì)Table 1 The statistical table of transient electromagnetic workload

本次瞬變電磁法勘探共獲生產(chǎn)探測記錄63 個，其中：甲級探測記錄52 個，甲級率82.5%；乙級探測記錄11 個，乙級率17.5%；合格探測記錄共計(jì)63個，合格率100%。

經(jīng)過對全區(qū)3 個系統(tǒng)質(zhì)量檢查觀測點(diǎn)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)（線上物理點(diǎn)的5%），整個探測區(qū)域相對誤差最大為9.21%，最小為0.11%，全探測區(qū)域總平均相對誤差為4.79%，原始數(shù)據(jù)合格率為100%，達(dá)到了MT/T 898—2000《煤炭電法勘探規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.3 探測數(shù)據(jù)

根據(jù)變電站下伏采空區(qū)中測線的視電阻率等值線剖面圖可知，變電站下伏采空區(qū)域內(nèi)地層的視電阻率斷面等值線和其走向趨勢一致，當(dāng)構(gòu)造發(fā)育或者有其他低阻異常體存在時(shí)，視電阻率等值線在橫向與縱向上均會出現(xiàn)扭曲或梯度變化。當(dāng)采空區(qū)無積水時(shí)，呈現(xiàn)高阻反應(yīng)，反之為低阻反應(yīng)。本變電站下伏采空區(qū)主要開采己16-17 煤層，水源主要來源于灰?guī)r含水層及第四系地表水。結(jié)合已知采空區(qū)資料并進(jìn)行綜合分析后，推斷本探測區(qū)內(nèi)的采空區(qū)存在充水情況，故本探測區(qū)內(nèi)的采空區(qū)會呈現(xiàn)低阻反映。1010 測線電阻率縱向剖面圖如圖3，H100 測線視電阻率縱向剖面圖如圖4。

圖3 1010 測線電阻率縱向剖面圖Fig.3 Longitudinal section view of resistivity of line 1010

圖4 H100 測線視電阻率縱向剖面圖Fig.4 Longitudinal section view of resistivity of line H100

由圖3 可知，1010 探測線的探測點(diǎn)為點(diǎn)號20到100，在點(diǎn)號50 位置，160 m 深度處等值線呈下低阻凹陷，推測存在采空區(qū)異常區(qū)域，位于鷹城廣場羽毛球場彩板房邊，推斷此類異常為彩板房的影響；點(diǎn)號30、點(diǎn)號100 下方，160 m 深度有低阻封閉、半封閉圈，推斷為采空區(qū)異常區(qū)域，如圖3 中紅色虛線所圈部位。

由圖4 可知，H100 探測線的探測點(diǎn)為點(diǎn)號1 000 到1 080，在點(diǎn)號1 010～號點(diǎn)1 030 之間，160 m 深度處呈現(xiàn)低阻凹陷，推斷為采空區(qū)異常區(qū)域，如圖4 中紅色虛線所圈部位。

將數(shù)據(jù)處理后獲得的測線斷面圖數(shù)據(jù)與已收集到的測區(qū)地質(zhì)和煤層開采情況相結(jié)合，對探測區(qū)160、200 m 深度進(jìn)行視電阻率切片，對探測區(qū)電性特征進(jìn)行進(jìn)一步研究，以此分析采空異常區(qū)分布。160 m 深度視電阻率水平剖面圖如圖5，200 m 深度視電阻率水平剖面圖如圖6。

圖5 160 m 深度視電阻率水平剖面圖Fig.5 Horizontal profile of apparent resistivity at a depth of 160 m

圖6 200 m 深度視電阻率水平剖面圖Fig.6 Horizontal profile of apparent resistivity at a depth of 200 m

由圖5 可看出，圖中視電阻率顏色由紅到藍(lán)逐漸降低；變電站下伏采空區(qū)160 m 深度的電性分布，其總體呈現(xiàn)左高右低及下高上低的電性特征，低阻區(qū)如圖5 中紅色虛線所圈部位，分布范圍較為均勻，范圍較大，推測為采空區(qū)異常區(qū)域。

由圖6 可看出，圖中視電阻率顏色由紅到藍(lán)逐漸降低；變電站下伏采空區(qū)200 m 深度的電性分布，其總體呈現(xiàn)左、下、右側(cè)高，上側(cè)相對較低的電性特征，低阻區(qū)如圖6 中紅色虛線所圈部位，推測為采空區(qū)異常區(qū)域；探測出的異常區(qū)位置與160 m 深度視電阻率切片圖上異常位置較重合。

繪制鉆孔深度與視電阻率關(guān)系曲線，1 030 位置地層深度與視電阻率關(guān)系如圖7。由圖7 可知，隨著地層深度的增加，1 030 位置視電阻率整體呈現(xiàn)增加的趨勢，而在-65.50～-75.02 m、-87.73～-94.08 m、-109.95～-119.48 m、-141.7～-158.34 m 的深度內(nèi)出現(xiàn)視電阻率降低的情況。

圖7 地層深度與視電阻率關(guān)系Fig.7 Relationship between stratum depth and resistivity

2.2 鉆孔探測

為進(jìn)一步為地基穩(wěn)定性和地災(zāi)評估提供地層數(shù)據(jù)，采用鉆孔探測揭露變電站下伏采空區(qū)地層基本情況。在場地西北角采空異常區(qū)布置鉆孔，鉆孔位置為瞬變電磁探測點(diǎn)號1 030 位置，鉆孔深度170 m，鉆孔平面位置圖如圖8。

圖8 鉆孔平面位置圖Fig.8 Plane location diagram of drilling

鉆孔探測采用XY-4 型機(jī)械傳動、液壓給進(jìn)式高速鉆機(jī)，0～-60 m 采用泥漿護(hù)壁，巖心管（外徑108 mm）鉆進(jìn)；-60 ～-150 m 采用套管（上部60 m）+泥漿護(hù)壁，巖心管（外徑75 mm）鉆進(jìn)；-150～-170 m采用套管（上部150 m）+泥漿護(hù)壁，巖心管（外徑60 mm）鉆進(jìn)。

鉆孔探測過程中，在-63.32～-75.02 m、-87.73～-94.08 m、-103.60～-116.30 m、-164.38～-170.02 m頁巖巖層中節(jié)理、裂隙較發(fā)育，較破碎，有少量漏水，在105 m 左右位置埋鉆（根據(jù)鉆孔完成后75 m 巖心管拔出后情況確定）。鉆孔探測結(jié)果表明，下部局部位置（頁巖巖層）巖體存在碎裂現(xiàn)象、裂隙較發(fā)育，但仍保留原始巖體結(jié)構(gòu)，骨架顆粒彼此接觸。在物探異常區(qū)進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)鉆探深度在-164.38～-170.02 m 范圍內(nèi)，巖石相對較為破碎，破碎帶被一些流體性物質(zhì)充填，如泥質(zhì)和水等，造成該部位電阻率降低，使物探電性剖面產(chǎn)生電性低阻異常。鉆孔深度與巖心率的關(guān)系曲線如圖9。

圖9 鉆孔深度與巖心率關(guān)系Fig.9 Relationship between drilling depth and core ratio resistivity

通常情況下，巖心率對于一般巖石不低于80%，對于軟巖、破碎巖石應(yīng)不低于65%，本變電站下伏采空區(qū)內(nèi)的巖石屬于一般巖石。由圖9 可知：鉆孔深度在-63.32～-75.02 m、-87.73～-94.08 m、-103.60～-116.30 m、-152.30～-155.32 m（該區(qū)域存在1.6 m煤層）、-164.38～-170.2 m 深度時(shí)巖心采集率小于80%。

3 變電站下伏采空區(qū)安全穩(wěn)定性評價(jià)

采空區(qū)異常區(qū)域如圖10。

圖10 采空區(qū)異常區(qū)域Fig.10 The anomalous area of goaf

對照測線1 010 視電阻率剖面圖中的點(diǎn)號1 030位置，發(fā)現(xiàn)在-65.50～-75.02 m、-87.73～-94.08 m、-109.95～-119.48 m、-141.7～-158.34 m 深度范圍內(nèi)，點(diǎn)號1030 位置所對應(yīng)的電阻率出現(xiàn)閉合現(xiàn)象。鉆孔探測過程中，在-63.32～-75.02 m、-87.73～-94.08 m、-103.60～-116.30 m、-164.38～-170.02 m 頁巖巖層中節(jié)理、裂隙較發(fā)育，較破碎，有少量漏水，在105 m 左右位置埋鉆（根據(jù)鉆孔完成后75 m 巖心管拔出后情況確定）。瞬變電磁探測與鉆孔探測的結(jié)果高度吻合，表明采用2 種方法能夠準(zhǔn)確確定采空區(qū)異常區(qū)域的位置和范圍，進(jìn)而可以對采空區(qū)的安全穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

綜合分析160 m 和200 m 深度視電阻率水平剖面圖、采空區(qū)深度與視電阻率關(guān)系曲線和鉆孔深度與巖芯率關(guān)系曲線，確定的采空區(qū)異常區(qū)域如圖10中粉色陰影區(qū)域，表明變電站下伏采空區(qū)的安全穩(wěn)定性存在不確定因素，需采取有效的采空區(qū)治理措施以保證變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)營。

4 結(jié) 語

采用瞬變電磁法和鉆孔探測對平頂山變電站下伏采空區(qū)進(jìn)行了綜合探測。由瞬變電磁探測得到視電阻率縱向剖面和采空區(qū)深度與視電阻率關(guān)系曲線，在-65.50～-75.02 m、-87.73～-94.08 m、-109.95～-1 19.48 m、-141.7～-158.34 m 深度范圍內(nèi)，點(diǎn)號1 030位置存在低阻異常區(qū)域；由160 m 和200 m 深度視電阻率水平剖面確定了低阻異常區(qū)域的水平范圍。由鉆孔探測得到鉆孔深度與巖心率關(guān)系曲線，確定在-63.32～-75.02 m、-87.73～-94.08 m、-103.60～-116.30 m、-164.38～-170.02 m 頁巖巖層中節(jié)理裂隙較發(fā)育、較破碎、有少量漏水，表明采空區(qū)存在異常區(qū)域。綜合分析瞬變電磁與鉆孔探測結(jié)果，可以確定采空區(qū)異常區(qū)域，表明變電站下伏采空區(qū)的安全穩(wěn)定性存在不確定因素，需采取有效的采空區(qū)治理措施以保證變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)營。