瞬变电磁与变形监测浅析

2013-04-13安春城韩玉雷

铁道勘察 2013年5期

安春城　韩玉雷

(中铁隧道勘测设计院有限公司，天津　300133)

河南省平顶山市石龙区某村村民房屋出现不同程度的裂缝，个别居民家中房屋裂缝达几厘米，其原因可能为煤矿开采造成地面沉降，引起墙体裂缝。

1　瞬变电磁地层电性原理及特征

地层中的煤层被开采以后，在地下岩层间形成一定的空间，采空区上方岩层在重力作用下发生塌陷，造成煤层上覆岩体失去原有平衡状态而发生一定程度岩移，破坏了岩石的完整性、连续性，致使岩层破碎和出现大量的空隙和裂隙，故该处电阻率会偏高于完整岩石处的电阻率，不明显时则会出现视电阻率等值线的波动，明显时表现出相对的高阻特性；而采空区域的空隙被水或泥质所充填后，该处的电阻率将明显低于周围完整岩石的电阻率，表现出一定的低阻特征，可以依据这些电性异常反映来划分采空区。

瞬变电磁法利用不接地回线或接地电偶源向地下发送一次场，在一次场的间歇期间利用回线或电偶极观测二次涡流场的方法。其基本工作方法是：于地面或井下设置通以一定波形电流的发射线圈，从而在其周围空间产生一次磁场，并在地下导电岩矿体中产生感应电流。断电后，感应电流由于热损耗而随时间衰减，衰减过程一般分为早、中和晚期。早期的电磁场相当于频率域中的高频成分，衰减快，趋肤深度小；而晚期成分则相当于频率域中的低频成分，衰减慢，趋肤深度大。通过测量断电后各个时间段二次场随时间变化的规律，可得到不同深度的地电特征。

1.1　电性断面图分析

图1为1200线视电阻率断面图，纵坐标表示深度，横坐标表示测点；青色—黄色—红色的过渡表示低阻—高阻的变化。据已知资料，煤层埋深大约280 m左右。

图1　1200线视电阻率断面

纵向上看，断面图具体反映了测区内的地层电性结构：从浅至深视电阻率呈先降低再升高，反映了典型华北石炭—二叠系煤田的地电特征。浅部高阻特征为二叠系上部中粗砂岩含量较引起，下部随着泥岩成分增加，视电阻率值逐渐降低，深部石炭系和奥陶系地层为灰岩视电阻率较高。

横向上看，各测点间的视电阻率差异，分别表示了不同地段地层的电性差异，当煤层被采空后，会出现明显电性差别，通过对各断面图的分析和本次收集到的已知资料对比，认定为高阻采空的反映，说明采空区内不含水或水量很少。

1.2　电性切片分析

为了更好地了解测区内采空区在平面的分布情况，绘制了280 m深视电阻率水平切片图(如图2)，图2中青色—黄色—红色的过渡表示低阻—高阻的变化。整体上看，测区南部为高阻异常反映，西北部和东北部也为高阻异常反映，按照物探资料解释由已知到未知的原则，经过下井调查和收集的井上下对照图，测区南部高阻有煤矿巷道进入，推测为煤矿采空区的反映。测区西北部也有煤矿巷道进入，也为高阻异常反映，推测为采空区。另外在测区东北部也为高阻异常反映，在地面房屋出现裂缝较严重，推测该异常也为采空区反映。

图2　280 m深视电阻率水平切片

2　勘测结果及影响范围

煤层被开采后，可导致覆岩移动，并常引起地面沉降、开裂与陷落等不良影响，造成地面建筑物和设施破坏。

地下采煤时，在采煤回采过程中，巷道及采空区的围岩支护是临时性的，不能制止覆岩的变形发展，使得松动带的半径或塌陷拱的高度很大，并在采空区上覆岩体中形成明显的三带：即冒落带、裂隙带和弯曲带，它们都是由地下采掘所引起的上覆岩体的松动范围，称它为采动区。采动区的三带，由于采深、采厚、及采空区面积不同，不一定同时存在。采空区较浅，采厚和采空区面积较大时，冒落带可直达地面，形成地面塌陷坑。采空区不太深，裂隙带有时可达地面，在地面出现大量导水裂隙；采空区相当深，涉及到地面的主要表现为弯曲变形造成的地面沉降，或者对地面实际上并无影响。

煤矿采空区形成的塌陷盆地按地面变形破坏程度不同，可划分为边界区、危险区和断裂区。边界区中地面仅发生很小的下沉，一般不影响地面建筑的正常使用；而危险区内的地面则发生显著变形，将影响一般建筑物的正常使用；断裂区中则地面发生一系列裂缝，建筑物将发生破坏或塌陷。本区中煤层埋深在280 m左右，按上覆岩层厚度小于300 m，查得地表失稳时危险角为73°，则采空区外围影响距离为：280 m×ctg73°=85.6 m。