TEM在煤礦采空區(qū)注漿效果檢測中的應(yīng)用研究

魏 勇，婁佰信，張開元，周 耀

(1.河南省地球物理空間信息研究院，河南 鄭州 450009； 2.河南省地質(zhì)物探工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450009；3.河南省地下空間探測信息工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450009)

某地需要在煤礦老舊采空區(qū)上建造建筑物，勘探前已委托其他單位對采空區(qū)預(yù)注漿，為保障建筑安全在注漿區(qū)域開展TEM檢測。當?shù)叵旅簩娱_采后，上覆巖層失去支撐而導(dǎo)致平衡狀態(tài)被破壞，為達到新的平衡，應(yīng)力重新分布，造成地表或地下呈現(xiàn)出大范圍地面沉陷、巖移、地裂縫、礦震等地質(zhì)災(zāi)害[1]，成為了危及礦區(qū)及周邊人民群眾生命及財產(chǎn)安全的最典型問題[2]。近年來，通過對老舊采空區(qū)采取注漿治理并利用治理后的土地進行建設(shè)開發(fā)，不僅解除了采空區(qū)地質(zhì)災(zāi)害帶來的危險，又能為工程建設(shè)提供大片土地資源，這一思路漸漸成為采空治理的一種發(fā)展趨勢。

目前，國內(nèi)探測和評價采空區(qū)主要采用高密度電法、電磁法、地震法[3-8]：高密度電阻率法是一種陣列式勘探方法[9]，以巖體、土體之間電性差異為前提[10]，野外測量時將電極置于測點上，然后利用電測儀實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集和快速處理，并給出地層剖面、巖土體分布的各種物理解釋，通過測量地下介質(zhì)的電阻率，推斷地下地質(zhì)構(gòu)造，是一種解決工程地質(zhì)問題的方法，該方法施工快捷，數(shù)據(jù)量大，分辨率高[11]，但其效果受施工區(qū)的接地條件影響較大[12]，現(xiàn)場主要為水泥硬化地面且注漿區(qū)域有限，極大地影響接地電阻以及探測深度；地震勘探是根據(jù)地震波在不同地層界面及介質(zhì)中傳播的運動學(xué)和動力學(xué)特征差異，勘探地質(zhì)構(gòu)造及巖體埋深的一種物探方法。該方法利用地震折射波及反射波特征判定斷層、采空區(qū)、塌陷的存在并確定其產(chǎn)狀等基本參數(shù)，具有較高的勘探精度[13]。但其易受周圍人文強干擾的影響，獲得高質(zhì)量的數(shù)據(jù)需要較大的炸藥震源，會造成周圍環(huán)境的破壞[14]。綜合分析對比各種物探方法的局限，TEM受周圍地質(zhì)環(huán)境影響小[15]，抗干擾能力較強、靈敏度、信噪比、縱向分辨率高[16]，工作效率高，在周圍巖體電阻率電性差異較大時成圖效果更優(yōu)良[17]，同時儀器輕便，幾乎不受場地條件的限制，適合于在房屋密布、接地條件不好、電磁波干擾大的村莊、城鎮(zhèn)等地方開展工作，是探測巖溶、采空區(qū)、活動斷層的有效手段。

綜合對比分析各種物探方法，決定在建筑范圍內(nèi)運用TEM方法探測注漿效果，經(jīng)后期鉆探驗證表明該方法能夠很好地檢測注漿效果，為以后相似工程注漿效果的檢測提供了參考。

1 勘探原理及工程概況

1.1 勘探原理

瞬變電磁法屬于時間域電磁感應(yīng)法，它利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)送一次脈沖場，在一次脈沖場間歇期間利用回線或電偶極接收感應(yīng)二次場，該二次場是由地下良導(dǎo)地質(zhì)體受激勵引起的渦流所產(chǎn)生的非穩(wěn)電磁場，通過對觀測到的隨時間變化的二次場信號的變化，就可以判斷出地下地層的電性變化及不均勻地質(zhì)體的分布情況，如圖1所示。

圖1 磁場在地下半空間擴散Fig.1 Diffusion of magnetic field in underground half space

1.2 工區(qū)地質(zhì)及地球物理特征

1.2.1 工區(qū)地質(zhì)

根據(jù)工區(qū)已知鉆孔資料顯示采空區(qū)主要位于地面下60 m左右，地層情況見表1。

表1 工區(qū)地層詳情Tab.1 Stratigraphic details of work area

1.2.2 地球物理特征

地下煤層被開采后，在地下巖體中形成一定的空間，在重力作用下，采空區(qū)上方的巖層由于失去支撐而產(chǎn)生斷裂，造成采區(qū)上覆巖體不同劇烈程度的破壞和移動，破壞了天然巖體的結(jié)構(gòu)而出現(xiàn)大量的空隙、裂隙(圖2)，導(dǎo)致該區(qū)域的巖體電阻率高于周圍相對完整巖層的電阻率。而在區(qū)域邊緣，由于巖體移動程度低和裂隙數(shù)量少，電阻率的差異相對不大，在電阻率等值線圖上呈現(xiàn)層狀延伸，當老采空區(qū)的孔隙被水或泥質(zhì)充填后，其電阻率呈現(xiàn)低阻現(xiàn)象。因此，利用采空區(qū)周圍巖體具有的電性異常，就能夠探測采空區(qū)的注漿效果。

圖2 采空區(qū)的地質(zhì)模型示意Fig.2 Schematic diagram of geological model of goaf

1.3 工程布置及各孔注漿量

在工區(qū)建筑范圍采取高壓注漿的方式，對采空區(qū)進行治理，采空區(qū)及注漿孔位置如圖3所示，各鉆孔注漿量見表2，為探測注漿效果場地內(nèi)由南向北共布設(shè)5條勘探線，如圖3所示。

表2 各孔注漿量統(tǒng)計Tab.2 Statistical of grouting amount of each hole

圖3 勘探點、采空區(qū)及注漿孔位置Fig.3 Location map of exploration point，goaf and grouting hole

2 成果分析

2.1 1000線視電阻率剖面

1000線視電阻率剖面如圖4所示，該線視電阻率變化不大，成層性很好。地表至地下60 m，視電阻率曲線沒有發(fā)生大的波動變化，地層成層性很好；地下60～100 m，點號100—150之間，視電阻率連續(xù)成層性好，沒有發(fā)現(xiàn)“拱形”現(xiàn)象，推測該段沒有空洞；點號150—180之間，電阻率呈現(xiàn)高阻現(xiàn)象，推測為注漿后引起的地電反映。該線整體視電阻率連續(xù)，變化不大，成層性好，推測該線注漿效果良好。

圖4 1000線視電阻率剖面Fig.4 Apparent resistivity profile of 1000 line

2.2 1010線視電阻率剖面

1010線視電阻率剖面如圖5所示，該線視電阻率變化不大，成層性很好。地表至地下50 m，視電阻率曲線沒有發(fā)生大的波動變化，地層成層性很好；地下50～100 m，點號100—130，視電阻率連續(xù)成層性好，沒有發(fā)現(xiàn)“拱形”現(xiàn)象，推測該段沒有空洞；130—180之間，電阻率呈現(xiàn)高阻現(xiàn)象，推測為注漿后引起的地電反映。

圖5 1010線視電阻率剖面Fig.5 Apparent resistivity profile of 1010 line

該線整體視電阻率連續(xù)，變化不大，成層性好，推測該線注漿效果良好。

2.3 1020線視電阻率剖面

1020線視電阻率剖面如圖6所示，該線視電阻率變化不大，成層性很好。地表至地下50 m，視電阻率曲線沒有發(fā)生大的波動變化，地層成層性很好；地下50～100 m，點號100—140，視電阻率連續(xù)成層性好，沒有發(fā)現(xiàn)“拱形”現(xiàn)象，推測該段沒有空洞；點號140—180，電阻率呈現(xiàn)高阻現(xiàn)象，推測為注漿后引起的地電反映。

圖6 1020線視電阻率剖面Fig.6 Apparent resistivity profile of 1020 line

該線整體視電阻率連續(xù)，變化不大，成層性好，推測該線注漿效果良好。

2.4 1030線視電阻率剖面

1030線視電阻率剖面如圖7所示，該線視電阻率變化不大，成層性很好。地表至地下50 m，視電阻率曲線沒有發(fā)生大的波動變化，地層成層性很好；地下50～100 m，點號100—140，視電阻率連續(xù)成層性好，圖7中120點附近為已知掉鉆區(qū)域，視電阻率斷面呈現(xiàn)高阻，推測為注漿后的地電反映；點號140—180電阻率呈現(xiàn)高阻現(xiàn)象，推測為注漿后引起的地電反映。該線整體視電阻率連續(xù)，變化不大，成層性好，推測該線注漿效果良好。

圖7 1030線視電阻率剖面Fig.7 Apparent resistivity profile of 1030 line

2.5 1040線視電阻率剖面

1040線視電阻率剖面如圖8所示，該線視電阻率變化不大，成層性很好。地表至地下60 m，視電阻率曲線沒有發(fā)生大的波動變化，地層成層性很好，圖中，120點附近為已知掉鉆區(qū)域，視電阻率斷面呈現(xiàn)高阻，推測為注漿后的地電反映；地下60～100 m，電阻率呈現(xiàn)高阻現(xiàn)象，推測為注漿后引起的地電反映。該線整體視電阻率連續(xù)，變化不大，成層性好，推測該線注漿效果良好。

圖8 1040線視電阻率剖面Fig.8 Apparent resistivity profile of 1040 line

2.6 注漿量等值線及-60 m視電阻率等深切片

勘探區(qū)注漿量等值線如圖9所示。在已知采空區(qū)、主巷道和溶洞區(qū)域，工程施工單位采取加密注漿孔和加大注漿量的措施，使注漿孔漿液能夠充分注入。

-60 m視電阻率等深切片如圖10所示。由圖10可知，該深度視電阻率呈現(xiàn)西南小，東北大，中間呈現(xiàn)過度變化的趨勢，高阻區(qū)域呈現(xiàn)與勘探區(qū)注漿位置和注漿量相一致，推測其為注漿引起的地電反映。曲線整體連續(xù)，沒有發(fā)現(xiàn)采空區(qū)特有現(xiàn)象。

圖9 注漿量等值線Fig.9 Contour map of grouting volume

圖10 -60 m視電阻率等深切片F(xiàn)ig.10 -60 m apparent resistivity isometric slice chart

綜上所述，根據(jù)各測線視電阻率剖面數(shù)據(jù)，推測該區(qū)域注漿效果良好，沒發(fā)現(xiàn)空洞。

3 結(jié)論

(1)TEM對于工業(yè)用電、廠房、來往車輛等人文干擾較大場所，具有很好的壓制作用，能夠取得很好的勘探效果。

(2)整理分析該區(qū)域成果資料研究表明：利用采空區(qū)特有現(xiàn)象，通過采取TEM方法對注漿區(qū)域開展物探工作，檢測注漿效果的方式是一種有效的檢測方式，能夠取得很好的效果。