综合物探法在平朔东露天矿铁路专用线煤窑采空区探测的应用

刘 波，高永涛，，金爱兵，，白 哲，邓富根

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083；2.北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083)

东露天矿是中煤平朔公司继安太堡、安家岭露天矿开发后的又一个大型现代化露天矿，设计能力20.0Mt/a。东露天煤矿一旦建成，将成为世界上单座剥采总量最大的露天煤矿，中煤平朔公司拟新建东露天煤矿专用线，连接东露天矿装车站与平朔支线，其在路网中有着重要意义和作用，远景输送能力将达4000万t/a，是北同蒲线集运煤炭的稳定可靠煤源点，是对大秦线扩能后运量来源的有力支持，在“三西”地区煤炭外运铁路网中有着重要地位。平朔东露天铁路专用线桥基位于平朔矿区范围以外，该地区由于早期民采无序，导致煤矿采空区的分布情况不明。随着时间的推移，该部分煤矿采空区深埋地下，逐渐被松散沉积物覆盖，而由于这些不明采空区的存在，导致桥基建设存在很大的安全隐患。平朔东露天铁路专用线桥基涉及范围大，服务年限长，对路基的稳定性和变形有较高的要求。桥基下采空区一旦失稳，将对生命、财产安全带来巨大的损失。为了最大限度地减少采空区的安全隐患，针对上述实际情况，在相关研究的基础上[1-3]，对工程范围内的四座桥基进行工程周边采空区综合物探是非常有必要的，本文将以四座桥基之一的赵家口3号桥为列进行详细说明。

1 测区概况

1.1 工程概述

中煤平朔煤业有限责任公司新建东露天矿铁路专用线工程，拟在DK7+437.11修建一座3～32m单线钢筋混凝土梁桥，桥址位于赵家口水库坝前和赵家口煤矿处。

1.2 工程地质情况

桥址位于赵家口煤矿前的冲沟之上，地势起伏较大，表面树枝状冲沟发育。

2 方法原理及工程布置

2.1 EH4电磁成像原理

EH4大地电导率成像系统是美国著名的Geometrics公司和EMI公司联合研制的双源型电磁/地震系统。仪器设计精巧、坚实，特别适合地面2D、3D连续张量式电导率测量，在技术上率先突破传统单点测量壁垒，走向电磁测量拟地震化、联合2D、3D连续观测和资料解释，其测深可达1000多m。该系统广泛地应用于地下水调查、环境监测、矿产与地热资源调查以及工程地质调查等。

其原理主要是利用宇宙中的太阳风、雷电等入射到地球上的天然磁场信号作为激发场源，又称一次场，该一次场是平面电磁波，垂直入射到大地介质中，由电磁场理论可知，大地介质中将会产生感应电磁场，此感应电磁场与一次场是同一频率[4]。地面电磁波发送到地下，电磁波在岩土中的传播遵循Maxwell方程。

如果假设大多数地下岩土为无磁性物质，并且宏观上均匀导电，不存在电荷积累，那么Maxwell方程就可简化为：

(1)

(2)

式(1)和式(2)称为亥姆霍兹方程。其中：

(3)

式(3)称作复波数或传播系数。这时可将K写成K=α+ιβ。α称为相位系数，β称为吸收系数。在EH4测量的电磁波频率范围内(0.1Hz～100kHz)，通常可以忽略位移电流，这时K进一步简化为：

(4)

由亥姆霍兹方程变化的磁场感生出变化的电场，我们有磁电关系：

(5)

表面阻抗Z定义为地表电场和磁场水平分量的比值。在均匀大地的情况下，此阻抗与入射场的极化无关，与地电阻率以及电磁场的频率有关。

(6)

式中，f是频率，ρ是电阻率，μ是磁导率。式(7)可用于确定大地的电阻率。

(7)

式中，ρ的单位是Ω·m，E的单位是mv/km，i的单位是nT。

对于水平分层大地，此表达式不再适用，用该公式计算得到的电阻率将随频率改变而变化，因为大地的穿透深度或趋肤深度与频率有关。

(8)

式中，δ的单位是Ω·m。此时，由(8)式计算得到的电阻率称视电阻率。在一个宽频带上测量E和H，并由此计算出视电阻率和相位，可确定地下构造。

2.2 AGI高密度

高密度电阻率法是以不同岩土体之间导电性能差异为基础，通过观测和研究人工电场的地下分布规律和特点，实现解决各类地质问题的一种勘探方法[5]。高密度电阻率法实质是通过接地电极在地下建立电场，用电测仪器观测因不同导电地质体存在时地表电场的变化，从而推断和解释地下地质体的赋存状态，达到解决地质问题的目的。和常规电阻率法一样，它通过A、B电极向地下供电流I，然后在M、N极间测量电位差ΔV，从而可求得该点(M、N之间)的视电阻率值ρs=KΔV/I。根据实测的视电阻率剖面，进行计算、分析，便可获得地下地层中的电阻率分布情况，从而可以划分地层，判定异常等。

2.3 探地雷达

探地雷达(Ground Penetrating Radar，简称GPR)方法是基于地下介质的电性差异，向地下发射高频电磁波，并接收地下介质反射的电磁波进行处理、分析、解释的一种探测地下介质分布的广谱(1～2GHz)电磁技术。

探地雷达是利用高频电磁脉冲波的反射来探测目的体，它通过发射天线向地下或目的体发射高频宽带短脉冲电磁波，经过地下地层或目的体反射后返回地面，为接收天线所接收。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态的变化而变化。因此，根据接收到波的旅行时间、幅度与波形等资料，可探测地下介质或目的体的结构、构造及目的体的埋藏深度等[6]。

探地雷达接收到的信号通过模数转换处理后送到计算机，经过滤波、增益恢复等一系列数据处理后形成雷达探测图像。探地雷达图像是资料解释的基础图件，只要目的体与周边介质中存在电性差异，就可以在雷达图像剖面中反映出来，通过同相轴追踪可以测定目的体的反射波旅行时间T。根据地下介质的电磁波速V和反射波旅行时间T，由式(9)可计算目的层的深度h。

(9)

式中,h为目的层的深度；x为发射天线和接收天线间距；V值为介质中的电磁波速度。

图1为探地雷达发射探测基本原理示意图，雷达图形常以脉冲反射波的形式记录，图2为波形记录的示意图，图上对照一个简单的地质模型，画出了波形的记录，在波形记录图上各测点均以测线的铅垂方向记录波形，构成雷达剖面(GPR剖面)，经过资料的后处理就可得到地下不同介质的分布情况及介电常数变化面的位置等参数。

图1 反射探测原理

图2 雷达记录示意图

探地雷达的工作前提是探测对象与周围介质间存在着明显的电性差异，雷达波在介质中的传播速度V与介质的电磁性参数有式(10)近似关系。

(10)

式中,V为介质中的电磁波速度；c为真空中的光速(m/ns)；εr为介质的相对介电常数；μr为介质的导磁率。

2.4 工程布置

由于探测现场地形复杂，地貌凹凸不平、沟壑纵横，另一方面一些平坦的工作现场摆放施工堆积物，占据了很多空间，致使一些测线不能布设，并影响探测的精度。根据现场复杂地形情况以及工作任务，选择采用探地雷达、AGI高密度电法及EH4电磁成像系统相结合的综合物探法，沿着桥梁两侧及桥墩之间进行布线。赵家口3号桥共布置探地雷达测线70条，AGI高密度电法测线2条，EH4电磁成像系统测线4条。其中，在探测过程中使用的探地雷达天线为25MHz超强地面耦合天线(RTA)，探测深度范围为30～40m，探地雷达使用比较灵活，测线布置覆盖面广，对测量环境要求低，在地形复杂、空间狭小的情况下都能布线测量。AGI高密度电法对测量场地环境要求高，必须要有宽阔的场地进行布线，两条测线极距都是4m，每条测线都采用偶极排列和温纳排列两种方法测量，探测深度范围为测线长度的1/6～1/5。EH4电磁成像系统对测量环境要求低，并具有较深的探测能力，其探测深度达1000m，测点单臂距离为10m，极距为20m。

3 探测结果解释

从赵家口3号桥雷达探测反演结果可以看出，图3中所标A区域内，雷达波反射信号强烈，但同相轴较连续，可能为不同岩土介质分层。所标B区域内，上部有强的雷达波界面反射信号，在其下部仍有强反射界面信号，两组信号时程差较大，推断为疑似空区或溶洞。

图3 赵家口3号桥25MHz天线异常雷达图像

从赵家口3号桥AGI探测反演结果可以看出，图4探测剖线反演图中电阻率变化范围在10.6～10000Ω·m，在距测线起点40m，埋深为10m和32m处有两个明显高阻异常体，这两个高阻异常体均位于隧道口堆渣区西侧附近。浅部异常为表层堆渣造成，深层异常位于桥墩附近，推断疑似空洞或溶洞。

图4 赵家口3号桥AGI测线3-2偶极排列反演结果图

从赵家口3号桥EH4电磁成像系统探测反演结果可以看出，图5中,电阻率自上而下逐步增大；图5中100m以下地层范围中电阻率梯度明显增加，出现多处高阻异常区。在深度70m至90m范围内，电阻率梯度增加较缓，但也表现为逐步增加，推断为疑似松散体影响导致的；在深度96m至105m及深度95m至120范围存在明显高阻异常体，推断为疑似空洞或松散体影响导致的；考虑到采空区对桥梁的影响范围，对于深度在100m以下的采空区不予考虑。

图5 赵家口3号桥EH4测线3-2反演图形

图6中，电阻率自上而下逐步增大；在距测线起始点10m，深度30m至45m范围内地层范围中电阻率梯度明显增加，表现为高阻异常区，推断为疑似空洞或松散体影响导致的，并且该高阻区域与AGI高密度电法的测线3-2剖面图中的异常区域位置为同一区域。

图6 赵家口3号桥EH4测线3-3反演图形

4 结论

1)探地雷达法能够获得测区浅层高分辨率的雷达波形图，在地形复杂、空间狭小的情况下都能布线测量，测线布置覆盖面广。高密度电法对浅层采空区具有较强的探测能力，并对低电阻敏感，但对现场环境要求严格。电磁成像系统对深层采空区具有较强的探测能力。三者综合运用，能够互相补充、互相验证，提高了探测的准确度和精度，基本查明了采空区的层位、分布和范围。

2)物探成果解析必须掌握充分的已知地质信息，排除各种干扰，才能得到正确的结果。

3)综合勘探能提高勘探精度，减少多解性，是地球物理未来的发展趋势，但实际工作中，往往因为综合勘探增加其成本，其可行性低，阻碍了综合物探的发展。

4)综合物探方法在平朔东露天矿铁路专用线煤窑采空区的应用实践中，取得了令人满意的成果，为后期有针对性地、有目的性地对采空区进行治理提供了条件。

[1]刘海涛，杨娜，董哲，等.综合物探方法在煤矿采空区探测中的应用[J].工程地球物理学报，2011，8(3)：362-365.

[2]闫长斌，徐国元.综合物探方法及其在复杂群采空区探测中的应用[J].湖南科技大学学报：自然科学版，2005，20(3)：9-14.

[3]宋英慧，刘鸿福.综合物探技术在煤矿采空区探测中的应用[J].山西煤炭，2011，31(5)：73-75.

[4]管旭东，白英，孙进忠.EH4电磁成像系统在岩体深部采空区勘查中的应用[J].内蒙古农业大学学报，2008，29(1)：223-226.

[5]张进国，徐新学.高密度电法在地下煤矿采空区探测中的应用[J].西部探矿工程，2004(8)：65-66.

[6]龚术，全朝红，陈程.探地雷达在采空区探测中的应用[J].西部探矿工程，2011(8)：167-169.