综合物探技术在铁路采空区探测中的应用

郝喆,李喜林,王来贵

(1.辽宁有色勘察研究院，沈阳 110013；2.辽宁工程技术大学力学与工程学院，阜新 123000)

综合物探技术在铁路采空区探测中的应用

郝喆1,李喜林2,王来贵2

(1.辽宁有色勘察研究院，沈阳 110013；2.辽宁工程技术大学力学与工程学院，阜新 123000)

采空区探测是其评价、治理和质量监控的基础。随着采空区探测精度要求的不断提高、问题的复杂性和难度加大，单一物探方法已难以满足新形势的要求，根据地质体的密度、电性、弹性等多种物性，对采空区进行综合探测，是采空区探测技术发展的必然要求。本文以包神铁路下伏采空区探测工程为例，开展综合物探技术在采空区探测中的应用研究：对采空区探测方法进行综述；阐释综合物探方法的选择原则；在瞬变电磁法初步探测基础上，确定采用反射波法、共偏移距地震法、人工源面波法和天然源面波法相结合的综合探测方法，开展现场采空区探测；通过物探解译，给出采空区空间分布规律；通过钻孔验证和局部开挖，剖析综合物探方法的可靠性和准确性。

综合物探；采空区；反射波法；共偏移距法；人工源面波法；天然源面波法

2.College of Mechanics and Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000,China)

1 引言

采空区是矿产资源开采后的地下空间及其围岩失稳而产生位移、开裂、破碎垮落，直到上覆岩层整体下沉、弯曲所引起的地表变形和破坏的地区或范围[1]。采空区大小不一、形态各异、层位复杂，特别是一些老空区，由于资料不全、丢失或不足，无法确定位置和边界，给工程建设带来了极大安全隐患[2]。目前采空区问题研究主要集中在4个方向：采空区探测技术、稳定性评价技术、治理技术和质量监控技术[3]。探测技术是稳定性评价技术、治理技术和质量监控技术的基础，而物探方法作为经济快捷有效的探测手段，在采空区探测中日益得到应用和推广。

随着采空区探测研究的不断深入，精度要求不断提高，问题复杂性和难度不断加大，单一物探方法已不能满足新形势的要求[4]，尽管有的方法优点明显，但单一方法往往对地质异常体很难定性，因此多种方法相结合的综合物探技术成为采空区探测的客观要求。综合物探法根据地质体的密度、电性、弹性等多种物性对采空区进行多角度全方位探测，通过各种方法相互印证，具有全面、可靠、快速、信息丰富等特点。

本文以神华包神铁路下伏采空区探测工程为依托，在前期瞬变电磁法初步探测的基础上，综合应用4种物探方法开展详细探测，为采空区综合物探工作提供原则、思路、方法和依据，建立起适合铁路采空区的探测技术和稳定性评价技术。通过剖析现场铁路下伏煤层采空区的分布特征、发展过程与规律，对减少矿山灾害的发生、保护生存环境具有重要现实意义。

2 工程概况

神华包神铁路为内蒙古包头至陕西神木县大柳塔，运营里程172 km，正线延展长度263.789 km。铁路沿线地形总体地貌特征为低山丘陵区。海拔标高在1 401.8～1 325.0 m，相对高差76.8 m。地形切割较为剧烈，沟谷极为发育，基岩裸露，植被稀疏[3]。

包神铁路是内蒙及陕西优质煤炭的运输线，按国家I级专用铁路设计，原设计年输送能力1 000×104t。沿线广泛分布有正在开采和已废弃的煤窑、古煤窑、小窑采空区等，引起地表多处变形和采空区塌陷，影响铁路路基稳定，危害人民生命财产安全，引发后果严重。

为探明包神铁路沿线采空区的分布状态，2011年首先对沿线采空区开展瞬变电磁法物探调查，圈定采空异常地段56处，有的采空区跨过铁路，有的采空区在铁路一侧。以C12地段采空区为例，瞬变电磁法解译表明：C12采空区位于铁路K 75+100～K 75+600，属于包神铁路北段，开采煤层为4#煤层，采深在30～40 m之间，煤厚在2～4 m。本文在瞬变电磁法初步探测技术上，侧重以C12为研究对象，开展4种方法相结合的综合物探和钻孔验证工作，总结该区段铁路路基下伏煤层采空区的分布特征，为进一步的治理工程设计和施工提供可靠依据，确保铁路运输安全。

3 物探方法确定

3.1 采空区物探技术综述

国内外对采空区的探测，目前主要以采矿情况调查、工程钻探、物探为主，辅以变形观测、水文试验等。美国等西方发达国家以物探为主，而我国迄今仍以钻探为主，物探为辅[5]。

美国的采空区探测技术全面，电法、电磁法、微重力法、地震法等都有很高的水平，其中高密度电阻率法、高分辨率地震勘探技术尤为突出，且近年来在地震CT技术方面也发展迅速。日本应用最广泛的是地震波法，此外，电法、电磁法及地球物理测井等方法也应用得比较多，特别是日本VIC公司20世纪80年代开发研制的GR-810型佐藤式全自动地下勘察机，在采空区、岩溶等空洞探测中效果良好，后续推出的一系列产品都处于国际领先水平[6]。欧洲各国工程物探技术也较全面，在采空区探测上，俄罗斯多采用电法、瞬变电磁法、地震反射波法、井间电磁波透射、射气测量技术等，英、法等国家以地质雷达方法应用较好，微重力法、浅层地震法也有使用[7]。

在国内，采空区探测问题近年来引起了地球物理学者的关注。煤炭科学研究院用高密度电法对石-太高速公路1、3号矾土矿采空区进行探测，表明对于探测地下采空区及孤立地质体，能得到较为清晰的二维图像；山西电力勘察设计院用甚低频电磁法对阳城电厂下铁矿采空区进行探测，证明该法对地下采空区探测的有效性；河北建筑科技学院和煤炭科学总院用地质雷达对大柳塔煤矿采空区导水裂隙带进行探测，确定了工作面采空区上方导水裂隙带具体位置，用电磁波CT成像法确定出邵武煤矿采空区的垮落带及裂隙带位置与高度，用甚低频电磁法对兴隆庄煤矿进行探测，得到了地层及垮落带分布情况等资料；成都勘测设计研究院采用甚低频电磁法对云南石林的地下溶洞与暗河进行了探测；穆满根、石晓红[8]用氡射气法对阳泉城关镇一号煤矿采空巷道进行探测，有效确定采空巷道位置；河北煤炭科学研究院运用浅层地震法对邢台邱县西庞村煤矿采空区进行探测，对于浅部煤矿采空区探测效果良好；交通部第一勘察设计院在太-旧高速公路沿途煤矿、铁矿及矾土矿采空区的勘探中，运用高密度电法、瞬变电磁法、地震层析法、面波法、微重力法、氛射气法等进行了探测，得到了许多有意义的成果[9]。以上所列的工程实例表明，工程物探越来越成为我国探明地下采空区的一项重要有力的勘探手段。

3.2 综合物探方法选择原则

瞬变电磁法是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间利用线圈或接地电极观测地下介质中引起的二次感应涡流场，探测介质电阻率的一种方法[10]。瞬变电磁法装置简单、探测方便、施工效率高、造价低，适于用作采空区的初步探测和范围圈定。

在瞬变电磁初步探测基础上，探索采空区详细圈定的综合物探方法，确定其选择原则如下：

(1) 应以技术先进、快速、高效、低成本为特点，首先考虑基于复杂地质背景条件和地震地质条件的综合弹性波勘探技术，实施铁路沿线采空区的探测。首选的详细探查方法应为地震勘探，通过观测和研究激发的弹性波在岩石中的传播规律，来解决工程及环境地质问题的地球物理方法。

(2) 综合地震勘探方法探测同一地质目的物，应以各种方法的地球物理前提，提取识别探测目的物的地震波场特征，相互印证，取长补短，提高物探解释的准确性和可靠性。

(3) 地震勘探空间采样需考虑两个问题：一是观测系统必须能正确处理接收信号，即获得足够的分辨率和振幅保真度；二是必须能有效压制各种可能出现的噪声，即以最佳的方式记录信号和尽可能地压制噪声。

(4) 为提高勘探的分辨率和保真度，应采用加密地震数据采集的空间采样密度，并减小野外激发和接收组合来实现；采用单点激发、单点接收、避免组合时差对高频的影响，从而提高分辨率；提高所获得有效信号的频率和频带，可通过装备的改进、方法的改变和参数的选择，实现有效信号最大频率的获得；应对低视速度的各类异常有效波(回转波、绕射波、线性噪声等)能充分采样。

(5) 地震勘探空间采样技术力争实现信号单点接收，而不进行组合接收。数字检波器因具有振幅呈线性响应、动态范围大、低畸变、抗电磁干扰等优点，而适宜于高密度地震勘探。

3.3 综合物探方法确定

基于上述原则，包神铁路采空区探测被确定为4种方法相结合的综合物探技术，分别为：反射波法、共偏移距法、人工源面波法和天然源面波法，各自特点阐述如下。

3.3.1 反射波法探测

由于煤层具有低速、低密度的物理性质，反射波法地震勘探成为采空区详细探测行之有效的方法之一。但由于煤层被采空后，采层岩土力学差异、时间差异、开采方式差异，赋存状况复杂，并非简单的形成一个所谓“空洞”。在地震反射时间剖面上呈反射波同相轴减弱、频率低、不连续，甚至缺失。由于浅层反射波不易得到，所以反射波法在探测煤层采空区中也存在某种局限性。

3.3.2 共偏移距法探测

共偏移地震法利用多道接收不同偏移距的处理，得到不同偏移距多种地震波的时间剖面。根据时间剖面上各种地震波的发育和特征，可以解释、确定浅(或深)部地层的赋存形态、构造发育、物理状态等地质信息和现象。多道共偏移法依据不同地震波(面波、声波、直达波、折射波、反射波等)各自具有相应“最佳接收窗口”的思路，接收采集最近至最远道不同偏移距的地震波数据信息，通过处理，获得的相应偏移距的共偏移距剖面，该剖面保留了所接收的各种地震波原有特征，利用特征信息解译可得到地下采空区情况，但无法获得利用多道反射叠加处理取得的地震波叠加波速。

3.3.3 人工源面波探测

研究发现，面波能量主要集中在一个波长的范围内，波长越长的面波，其振动穿透深度越大。面波作为一种地震波，在纵向、横向速度不均匀介质中也会发生散射。利用面波的这一特征，在遇到采空区会产生反射、透射、散射及中断等，可直接通过原始的面波记录来探测异常体，也可利用面波频散曲线、反演面波速度剖面等成果资料推断解释地下不均匀地质体的埋深及范围。人工源面波勘探就是利用人工激发产生面波信号，并按一定方式接收记录面波信息，经计算处理获得成果资料并进行地质解译。通常所说的“面波勘探”即指“人工源面波勘探”。

3.3.4 天然源面波探测

天然源面波勘探，亦称微动勘探，是近几年发展起来的一种新的物探方法技术。它利用的是地球表面无时无刻都存在的震动，称为微动。这种微动是由于人类的日常活动及自然现象所产生的，其中蕴含震源信息、传播路径信息和测点处地下结构信息等。所以，采集记录微动，利用其频谱特性和其中占绝对优势的面波成分，处理得到各记录点的频谱分析图和排列的面波频散曲线，并利用面波频散曲线反演计算地下介质速度结构，推断解释地层结构。

4 现场测试

4.1 物探布置

现场物探布置方法：

(1) 测线布置基本与铁路平行。

(2) C12采空区由7条测线控制。

(3) 基本线距20 m。反射波勘探和多道共偏移勘探道距2 m，炮点距4 m；天然源面波勘探道距6 m。

(4) 测线起止点以瞬变电磁法推测的采空区异常范围向外延100 m。如两异常区相邻间距不足200 m，则两测区联为一体，探测施工连续进行。

(5) 全部炮点、检波点坐标和高程采用GPS测量定位。

现场工作经历两个阶段，历时90 d，物探实物工作量如下：

(1) 反射波勘探：测长80.58 km，记录21 397张。

(2) 多道地震共偏移距勘探：测长80.58 km，记录21 397张。

(3) 天然源面波勘探：测长81.86 km，记录787张。

(4) 人工源面波勘探：测长0.658 km，记录299张。

4.2 反射波法

C2采空区由地震D4、D5、D6、D7线控制，在各类解释成果上采空区边界点显示清晰，揭示边界点12个，其中A级点9个，B级点3个。图1是C2采空区D6线地震纵波反射勘探偏移时间剖面的显示。采空区边界点T2波在桩号245～292能量变弱。

4.3 共偏移距法

图2是D6线地震勘探共偏移时间剖面图。由图可见，桩号220～296面波出现时间变大、面波呈现离散分布，表征下伏地层分布有不均匀三度体，为煤层采空区。

4.4 人工源面波法

图3是D6线人工源面波勘探视S波速度剖面图。由图3可见，采空区位置呈面波速度低速异常。

4.5 天然源面波法

图4是D6线桩号240、246、276、282频谱分析图，高频成分丰富反映为煤层赋存良好，低频频成分丰富反映为煤层被采空。可见桩号240与282煤层反映，桩号246、276为无煤层反映，由所获得的频谱资料显示桩号246～276可推断为采空区。

4.6 综合物探分析

各测区4种方法的探测资料经综合解释，获得各测线综合解释剖面图。在此基础上，编绘各测区煤层底板等高线平面图和各测区采空区分布平面及剖面图等地质成果图件。绘制C12采空区平面图(图5)，剖面图(图6)。可见，该采空区位于包神铁路K72+540里程桩附近，平面呈不规则形态，控制南北长约80 m，东西长约65 m，控制面积3 930 m2。控制可靠，穿过铁路。

5 物探结果验证

5.1 钻探验证

为检验物探成果，评价探测方法技术的可靠性和精度，在C12区选择5处进行钻探验证，孔位布置见图7。其中：验2孔为地层调查孔，验1、验3、验4和验5为反射波异常验证孔。

验1：位于D3线桩号258西7 m，孔深82.50 m。进尺至66 m为煤层底板，煤层取芯率低，钻探中有掉钻、漏水现象。

验2：位于D3线桩号328，孔深81.0 m，得到区内煤层赋存情况及正常地层结构。进尺43.2～45.2 m、46.5～47.4 m、59.2～62.0 m和71.4～73.1 m见4组煤层。该孔成果达到设计要求。

验3：位于D1线桩号248，孔深81.0 m。孔深62.5～66.5 m为煤层，但未取到岩芯，钻探中有掉钻、卡钻、漏水现象。

验4：位于D5线桩号248，该孔地表高于验1号孔15 m，孔深96.40 m。该孔取芯率低，钻探中有掉钻、漏水现象。该孔进行了综合测井，解释该孔19.03～23.02 m、53.43～55.09 m、71.00～74.24 m、80.81～82.82 m等段为煤层。

验5：位于D1线桩号244，孔深81.0 m。进尺至66.0 m左右为煤层底板，未取芯，钻探中有掉钻、漏水现象。

C12区钻探施工过程中，除验2孔外，出现漏水、掉钻现象，说明相应孔位存在煤层采空区。加之验4孔进行了综合测井，表明存在煤层采空区。

5.2 开挖验证

图8为试验区局部开挖揭露的老采空区现场照片。由图可见：试验区存在采空区，但采空率很低，留下的安全煤柱约为采区范围的40%。

6 结语

(1) 在瞬变电磁法圈定C12区的初步探测基础上，确定4种探测方法相结合的多波综合物探技术进行煤层采空区勘探，建立了一套针对采空区地震波场的识别模式，为今后的煤层采空区地球物理勘查提供了方法借鉴和判识标准。

(2) 首次将面波波场形态变化和频谱特征分析成果用于判定煤层采空区，较精确地控制了采空区的范围。在实施过程中，首创L型18道6 m小道距天然源面波采集系统，相对双环(内径50 m，外径100 m)型7道天然源采集系统，既方便工作布置，又具有较大的探测深度，同时还可以利用小道距单道频谱分析成果，更高精度地反映采空区的范围。

(3) S-LAND全数字化双源面波勘探数据采集与处理系统为国内首创，取得了良好的探测效果。采用高分辨率反射波勘查与双源面波勘查相结合、相互印证、相互补充，可以研究煤层被采空后围岩的变化影响范围；研究煤层采空区及周围岩、土体剪切波、纵波的速度变化，圈出煤层采空区对地面的影响范围，这对评价地面铁路路基稳定性及运输安全十分重要。

(4) 4种物探方法相结合的综合物探技术，适用于铁路沿线采空区探测。本方法较好地实现了C12试验异常区的探测，进一步查明了包神铁路沿线采空区的分布情况，确定C12为煤层采空区。

(5) 探测的地下采空区范围，已超出引起地表下沉的工作面长度临界值，从而引起地裂缝或塌陷，必须开展采空区治理。铁路下采空区治理应在示范区首先进行，并统一规划、分步实施。建议通过采空区注浆减少不均匀沉降量，提高地基岩土体整体性能。注浆孔宜按梅花形布设，为不影响铁路正常运行，可在靠近铁路直孔内插斜孔，实现浆液注至铁轨下部，保证注浆效果。

[1] 吴成平,胡祥云.采空区的物探勘查方法[J].地质找矿论丛,2007,22(1):19-22.

[2] 闫长斌,徐国元,中国生.复杂地下空区综合探测技术研究及其应用[J].辽宁工程技术大学学报,2005,24(4):481-484.

[3] 郝哲,李喜林,王来贵.铁路下采空区覆岩稳定性模型试验研究[J].现代矿业,2015,(6):112-114.

[4] 马志飞,王祖平,刘鸿福.应用综合物探方法探测煤矿采空区[J].地质学报,2009,29(1):118-121.

[5] 郝智坚.地震反射法空区探测及三维建模与可视化[D].东北大学硕士学位论文,2011,6.

[6] 何进,张亚峰,韦建江.煤矿采空区综合地球物理方法探测[J].物探与化探,2012,36(增):96-101.

[7] 宗志刚.地震勘探方法在探测煤矿采空区中的应用研究[D].中国地质大学硕士学位论文,2006,5.

[8] 穆满根.多层复杂采空区稳定性研究[D].中国地质大学博士学位论文,2009,5.

[9] 山西省交通厅.高速公路采空区勘察设计与施工治理手册[M].北京:人民交通出版社,2005.

[10]成剑文.瞬变电磁法在煤矿应用中的研究[D].太原理工大学硕士学位论文,2007,5.

APPLICATION OF COMPREHENSIVE GEOPHYSICAL PROSPECTING TECHNIQUES IN GOAF DETECTION UNDER RAILWAY

HAO Zhe1,LI Xi-lin2,WANG Lai-gui2

(1.Liaoning Nonferrous Geological Exploration and Research Institute, Shenyang 110013,China;

Goaf detection is the basis of stability evaluation, management and quality control. With constant improvement of the goaf prospecting precision requirements, increase of the complexity and difficulties of the problems, the single geophysical prospecting method has been difficult to meet the requirements of the new situation. Based on density, electrical, elastic, and other physical properties of geologic body, the integrated detection of goaf became inevitable requirement of detection technology development. With detection of BAOSHEN railway goaf as an example, application study on integrated geophysical exploration technique in goaf was conducted. The goaf detection methods were summarized. The choice principle of comprehensive geophysical prospecting method was illustrated. On the basis of preliminary detection of transient electromagnetic method, four detection comprehensive methods using the reflection wave method, offset seismic method, artificial source surface wave method, the natural source surface wave were used to prospecting goaf in site. By geophysical interpretation, goaf spatial distribution was given. By verification of drilling and partial excavation, the reliability and accuracy of the integrated geophysical exploration method were analyzed.

Comprehensive geophysical prospecting; goaf; reflection wave method; offset seismic method; artificial source surface wave method; natural source surface wave method

1006-4362(2015)04-0060-07

2015-08-09改回日期：2015-10-05

P642;U216.41

A

郝喆(1972- )，男，辽宁沈阳人，博士、教授级高工。从事岩土工程和矿山环境治理领域的研究工作。E-mail：626447443@qq.com