綜合地球物理方法在淺地表高阻采空區探測中的應用

楊楠,曲澤良

(山東省煤田地質規劃勘察研究院,山東 濟南 250102)

0 引言

一直以來,煤炭都是中國的主要能源和重要戰略物資,2021年,傳統化石能源(石油、天然氣及煤炭等)占中國一次能源消費比重高達83%,煤炭占比高達55%[1]。煤炭資源對我國經濟發展起到了不可替代的作用[1-3]。但在煤礦開采后形成了大量的煤礦采空區,嚴重危及國家安全、群眾生命和財產安全,而且使中心城區被限制在狹小的空間,嚴重限制了城市的布局發展。近年來,隨著經濟的快速發展,城市用地日趨緊張,城區面積急劇擴張,原來的煤礦采空區可能成為未來的工程建設中心,工業與民用建筑工程建設已無法避讓煤礦采空區[4]。探明采空區位置、深度及范圍,及時采取措施進行治理,消除安全隱患,對工程建設具有重要意義[5]。

目前采空區探測方法很多,利用鉆探方法為主進行采空區勘察具有直觀的優點,但投入工作量大、效率低。而物探方法具有快速、無損探測等優勢而得到廣泛應用[6]。目前大埋深、大尺度充水采空區的探測方法較多,主要采用瞬變電磁法、2D或3D地震勘探、CSAMT、被動源面波法及跨孔地球物理方法等[7-16]。

而采用地球物理方法探測淺地表小尺度非充水高阻采空區研究相對較少。本文針對小埋深、小尺度、非完全塌陷、非充水的空廢棄斜巷為研究對象,以高阻低介電常數的空巷道與圍巖存在明顯的物性差異為基礎,運用高密度電阻率法和地質雷達綜合地球物理方法對采空區進行勘察,取得了較好的應用效果,利用多種成熟的物探方法進行采空區勘察,可以克服單一物探方法本身的缺陷,相比新型物探技術,具有更好的可靠性、經濟性和適宜性特點[6]。

1 地質概況及地球物理特征

1.1 區域地質概況

本勘探場地下方分布的基巖為石炭系本溪組、太原組,二疊系山西組、下石盒子群、上石盒子群,上覆第四系松散土層。受采煤地面塌陷的影響,目前場地北部地面塌陷區域地面高程一般在29.5～30.5m,南部未塌陷區域地面高程一般在31.5～32.5m。擬建場地位于大吳背斜北翼,地層總體走向NW—SE,傾向NE,傾角35°～50°。場內斷裂構造主要為SE向的F13斷層,從場地中部通過,走向SE 20°,傾向NE,傾角75°～80°,落差150～250m,屬正斷層,區域長度3.2km。該斷層隱伏于第四系之下,為非全新活動斷裂(圖1)。

1—用地范圍;2—3煤工作面;3—3煤下層煤工作面;4—3煤工作面編號及開采年代;5—3煤層頂標高等值線;6—3煤煤巷;7—3煤巖巷;8—鉆孔;9—采煤立井;10—擬探測區域;11—斜井井口

勘探場地位于原瓦莊煤礦礦界內,擬建場地下方巷道分布極為復雜,根據資料及現場調查,擬探測廢棄斜巷呈直墻半圓拱形,漿砌石支護,拱部噴漿支護。斜井曾發生過幾次冒頂事故,并于2003年9月在深度30m位置冒落到地表,形成塌陷坑,采用支護后回填處理。

1.2 地球物理場特征

完整的煤系地層具有典型的層狀結構,當煤層開采形成采空區或巷道后,將形成局部的不連續異常結構體,其原有的應力平衡狀態也將被破壞,上覆巖層在無支撐狀態或臨時支護逐漸失效過程中開始發生塌陷、冒落變形,從采空區的底板開始由下而上形成了冒落帶、裂隙帶和彎曲帶3個不同的變形單元[16],同時地層的電性將發生明顯變化。若以采空區圍巖地層為背景場,采空區充水則表現為低阻高介電常數特征,若采空區無水、少水、被干燥的冒落帶坍塌物或空氣充填,則高阻低介電常數特征明顯。結合已知的地質資料分析,本次探測的廢棄巷道局部垮塌為非充水空洞,與圍巖相比表現為高阻電性特征。因此廢棄斜巷與周圍巖層存在明顯的電阻率差異,為利用高密度電法探測廢巷提供良好的地球物理前提[17]。

本次探測廢棄巷道埋深0～30m,屬于淺地表勘探。由地質資料可知,廢棄巷道周圍為黏土層,相對介電常數15～30,如果巷道充水,介電常數會顯著增大,可達到50以上。如果巷道為空腔非充水狀態,相對介電常數與空氣相同接近于1,加之巷道周圍的支護多為致密的硬度較大巖塊或混凝土,相對介電常數為8左右,因此無論是巷道周邊支護還是巷道空腔均與周圍的黏土地層的電性存在較大差異,為運用地質雷達探測空氣充填空腔狀廢棄巷道采空區奠定了理論基礎。

2 野外工作方法

本次探測目標體為廢棄斜巷,埋深地表井口標識位置沿巷道方向逐漸增加,斜巷截面積較小,為了達到理想的效果,擬采用小電極間距高密度電阻率法和高分辨分辨率的地質雷達進行綜合探測。

2.1 高密度電阻率法基本原理

高密度電阻率法原理與常規電阻率法相同。它利用地下介質間的電性差異,通過供電電極A、B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(圖2)。根據實測的視電阻率剖面進行計算分析,便可獲得地層中的電阻率分布情況,從而可以劃分地層,確定異常地層等[18]。

圖2 電阻率法勘探原理示意圖

K為裝置系數,是一個只與電極的空間位置有關的物理量[19]。

高密度電阻率法是將傳統的電測深法和電剖面法相結合,該方法擁有多裝置、多極距的特點,所以一次布極,便可進行多裝置數據采集,并且利用比值參數,使得異常信息更為清晰。與傳統的電阻率方法相比,高密度電法具有數據采集量大、效率高、成本低、智能跑極、抗干擾能力強等優點,在數據采集過程中可以很大程度上避免人為操作出現的誤差[20]。

目前高密度電阻率法常用的裝置包括四極排列的溫納裝置(α裝置)、偶極裝置(β裝置)、微分裝置(γ裝置)及三極裝置和二極裝置(圖3)。本次測量采用溫納裝置進行[21]。

(a)—溫納(α)裝置;(b)—偶極(β)裝置;(c)—微分(γ)裝置;(d)—三極裝置;(e)—二極裝置

2.2 地質雷達基本原理

探地雷達法是通過發射天線向地下發射高頻電磁波,電磁波在地下介質中傳播時遇到存在電性差異的界面時發生反射,由于地下介質的介電常數和分布形態的不同,電磁波在介質中的傳播路徑、場強與波形也不同。分析電磁波的旅行時間、幅度與波形等資料,來推斷介質的結構及電性等信息。當地下有空洞、裂縫或富水帶時,該類介質的介電常數會發生顯著變化,與圍巖相比存在明顯電性差異,地質雷達在地表能接收到明顯的反射波,成果剖面上表現為波形多次震蕩且雜亂分布、強反射等特征,由此,便可定位地質異常體(圖4)。

(a)—野外數據采集圖;(b)—地質雷達剖面

地質雷達的野外觀測方式包括剖面法、多次覆蓋法和寬角法,其中剖面法發射天線(T)和接收天線(R)以固定間隔沿測線同步移動的一種觀測方式,發射天線和接收天線同時移動一次便獲得一個記錄,施工效率高、工作方便,是目前地質雷達最常用的野外工作方法[22-23]。

2.3 測線布置

為了達到探測煤礦廢棄斜巷的目的,在距廢棄巷道入口(已知)位置35.0m范圍內,利用地質雷達分辨率高、施工方便的優點布置測線6條,因施工場地地表條件復雜,測線根據現場情況布置,間距3.0～7.0m不等,隨斜巷埋深的增加測線間距逐漸增大。距離巷道入口較近的區域的D1-D4測線采用100MHz屏蔽天線進行探測,隨著斜巷深度的增大,探測深度達到了100MHz天線的極限,故D5和D6測線采用大深度的40MHz非屏蔽天線進行探測,以獲取深部地質信息。隨著斜巷深度進一步加大,地質雷達采集數據的信噪比顯著降低,為了進一步明確巷道的走向和埋深信息,在距離巷道入口31.0m和46.0m處分別布置2條高密度電阻率法測線L1和L2,線間距為15.0m,進一步查明巷道深部延展信息(表1)。

表1 工作量統計表

3 資料處理與解釋

3.1 高密度電阻率法數據處理解釋

高密度電阻率法實測數據首先進行測點坐標和數據格式轉換,其次采用畸變點剔除或滑動平均方法消除隨機干擾的影響,最后運用Res2dinv軟件進行初始模型構建,采用最小二乘法進行反演計算[24],獲取每條測線的視電阻率斷面圖。淺地表巷道為不充水巷道,呈現高阻特征,第四系土層為低阻特征。依據以上原則對反演剖面進行定量解釋,劃定了本次勘探的異常區(表2)。

表2 高密度電阻率剖面異常統計表

測線L1、L2在場地中心位置近EW走向,從圖5、圖6可以看出,埋深6.0m以上地層視電阻率呈高阻特征,橫向分布不連續,主要與廢棄礦區雜填和地表不均勻塌陷有關,8.0m以下地層電阻率呈現低阻特征,主要為第四系土層的反應,其中測線L1水平位置36.0～45.0m,埋深22.0～26.0m,測線L2水平位置40.0～50.0m,埋深26.0～30.0m,存在2處相對高阻區,橫向視電阻率斷面圖等值線色譜不連續,推測該異常為未充水廢棄斜巷的反映。

3.2 地質雷達數據處理與分析

地質雷達數據處理主要包括背景噪聲去除、直達波拾取、指數增益、帶通濾波、反褶積、電磁波速度估算、探測深度計算,探測成果為雷達發射波剖面。

通過現場已知點條件實驗及速度分析技術,時深轉換的電磁波傳播速度取0.09m/ns。

如圖7、圖8所示,地質雷達成果圖存在5處異常區(表3),該類區域雷達波同相軸錯斷特征明顯、反射波能量顯著增強,低頻信號較豐富[25],雷達剖面橫向對比變化特征明顯,推測為煤礦斜井的異常特征。選取有代表性的D1、D5剖面進行解釋。

表3 地質雷達剖面異常統計表

(a)—測線D1地質雷達探測成果圖(100MHz天線);(b)—測線D2地質雷達探測成果圖(100MHz天線);(c)—測線D3地質雷達探測成果圖(100MHz天線)

(a)—測線D4地質雷達探測成果圖(40MHz天線);(b)—測線D5地質雷達探測成果圖(40MHz天線);(c)—測線D6地質雷達探測成果圖(40MHz天線)

3.2.1 100MHz地質雷達天線典型剖面解釋

測線D1采用的是高分辨率100MHz屏蔽天線,有效探測深度為12.0m左右。成果剖面如圖7所示,異常區A橫向分布范圍12.0～16.0m,埋深5.0～8.0m,結合勘探區域地層概況,推測該異常為廢棄斜巷的反映。

3.2.2 40MHz雷達天線典型剖面解釋

為達到探測目標深度,測線D5采用40MHz非屏蔽天線,有效探測深度約22.0m。D5測線如圖8(b)所示,異常區E的橫向分布范圍為12.0～14.0m,埋深15.0～18.0m。結合勘探區域地層概況,推測異常E為廢棄斜巷的反映。測線D6剖面埋深22.0m以下幾乎沒有有效信號,說明40MHz天線有效探測深度為22.0m(圖8c)。

3.3 綜合分析

結合地質任務,根據高密度電阻率法和地質雷達法各自的特點,充分利用了地質雷達和高密度電阻率法分辨率高的優點,最終獲得了廢棄斜巷的位置、埋深及走向。該方案兼顧場地條件、施工效率和勘探精度等因素,將高密度電阻率法和復合天線地質雷達法有機結合,取得較好的探測效果,調查成果的綜合解釋圖如圖9。

1—高密度測線;2—高密度探測異常區;3—地質雷達測線;4—雷達探測異常區;5—驗證鉆孔;6—斜井井口;7—斷層;8—3煤頂板等高線;9—采空區邊界;10—礦界;11—推測斜巷位置

為驗證探測效果,在XJ1和XJ2位置布設兩個驗證鉆孔,其中XJ1孔在20.0m位置揭露斜井拱頂,在24.0m位置揭露了斜井井底,且在23.0m附近出現了斜巷殘余浮煤。XJ2孔位置在27.4～29.6m位置揭露了斜巷直墻,漿砌石砌筑,砌體為灰巖塊石,充分驗證了探測成果的準確性。

4 結論

本文采用高密度電阻率法和復合天線地質雷達綜合地球物理方法進行淺地表小尺度、非充水高阻廢棄巷道進行探測,充分利用了地質雷達分辨率高、施工效率高和高密度電阻率法分辨率高、對高阻異常體靈敏等優點,實現了不同深度地下目標體的快速、無損、精細探測,查明了擬建場地斜巷的位置、走向及埋深,為后續鉆探工作提供指向作用,節約了時間,降低了經濟成本。

淺地表小尺度非充水高阻采空區的調查一直以來是地球物理探測的難點,本文采用高密度電阻率法和復合地質雷達方法,實現了對廢棄斜巷的快速高效探測,后經鉆探驗證探測成果準確可靠。本文的研究成果為淺地表小尺度煤礦采空區的探測提供了一個切實可行的技術方法,尤其對淺地表高阻采空區的探測具有重要的借鑒意義。