斜井上部流砂层塌陷空洞纳米瞬变电磁法探测∗

高晓耕

(1.天地科技股份有限公司,北京市朝阳区,100013; 2.北京中煤矿山工程有限公司,北京市朝阳区,100013)

斜井上部流砂层塌陷空洞纳米瞬变电磁法探测∗

高晓耕1,2

(1.天地科技股份有限公司,北京市朝阳区,100013; 2.北京中煤矿山工程有限公司,北京市朝阳区,100013)

为了获得斜井井筒流砂层塌陷地下空洞的分布情况,采用新型纳米瞬变电磁法进行勘探。工作装置为中心回线型,垂直于井筒走向共布置17条测线。考虑干旱季节流砂层塌陷空洞呈高阻特征,由视电阻率剖面圈定了井筒流砂层段地下空洞的范围。纳米瞬变电磁法探测结果表明：主斜井与副斜井流砂层段均存在两处空洞异常。结合井筒施工流砂层统计数据,综合划定了井筒区域流砂层塌陷空洞范围,为井筒及周边建筑物稳定性评价及治理提供了依据。

斜井 流砂层塌陷 空洞探测 纳米瞬变电磁法

西部矿区井筒建设时常遇到第四系风积流砂层。流砂层对应力变化敏感,若控制不当,井筒流砂层段开挖时常出现冒顶片帮、井底冒砂,甚至导致井筒淹没、地表塌陷的严重事故。流砂层掏空塌陷形成的塌陷空洞不仅对井筒支护和防治水不利,而且还威胁地表建筑物的稳定性。探明地下空洞分布范围是流砂层塌陷治理的前提条件。

通常情况下,流砂层塌陷空洞埋深不大,受地表水体及大气降水补给,地下空洞一般含水丰富。目前,地下空洞探测技术较多,但各有其优缺点,应根据现场的实际情况合理选用。牛跟彦介绍了浅层地震技术在小窑采空区探测的应用,地震勘探技术基于层状均匀地质模型,对界面敏感、探测深度大,而流砂层塌陷水沙混合物界面不明显,采用地震勘探效果难以保证;地质雷达在探测城市地下空洞的应用较多,李福胜通过数值模拟研究了地质雷达在底板破坏深度的应用,但其探测距离有限;高密度电法、瞬变电磁法等技术对含水构造低阻异常敏感,若地下空洞没有充水,则地下空洞与高阻围岩不易区分。为了探测小型浅埋目标地质体,近年来纳米瞬变电磁法在采空区探测中得到了一些应用。本文考虑宋新庄煤矿流砂层埋深和富水情况,采用纳米瞬变电磁法对井筒区域流砂层塌陷空洞进行探测,为制定相应治理措施提供了依据。

1 工程概况

宋新庄煤矿3个斜井井筒均穿过多层流砂层,具体统计情况见表1。

表1 斜井井筒穿越流砂层统计情况

以主斜井为例,井筒施工过程中共揭露流沙层7层,埋深为21.0～131.4 m,单层厚度为1.0～7.3 m。为通过流砂层,井筒掘砌采用超前管棚、钢架、锚网索和喷射混凝土的联合支护方式强行通过,施工过程中曾出现涌水、溃沙等问题。副井、风井进行了局部注浆堵水,主井未采取任何措施。由于井筒长时间涌水、漏砂,造成井筒流砂层段形成大量空洞,最终导致井筒区域发生大面积沉降和塌陷。地表出现多条裂缝,主井井筒正上方出现一塌陷坑,如图1所示。

图1 主斜井上方流砂层塌陷坑

该塌陷坑直径5 m、深4.5 m、距离井筒垂距约37 m。塌陷坑附近有3个永久建筑物,距离塌陷坑水平距离约8 m,对井筒和建筑物构成较大安全隐患。为了给流沙层塌陷治理提供依据,必须查明井筒周边塌陷空洞的分布情况。

2 纳米瞬变电磁法勘探布置

2.1 纳米瞬变电磁法简介

纳米瞬变电磁法(NanoTEM)是一种新型瞬变电磁探测方法。瞬变电磁法探测原理是通过关断人工激发的一次场,测量二次场随时间衰减的规律来推测目标地质体的空间赋存情况。常规瞬变电磁法发射线圈半径大,瞬变响应衰减慢,瞬变的早期受关断的时间影响大,难以满足探测小型浅埋目标地质体的需要。纳米瞬变电磁法采用小线框实现了一次场快速关断、二次场快速取样,在关断时间和采样间隔上与常规瞬变电磁法明显不同,能记录较多的浅层地质信息,具有探测浅层目的物时纵向分辨率更好的优点。

2.2 测线布置

纳米瞬变电磁法属时域电磁测深法,在一次场的间歇期间,通过测量二次场随时间的变化达到寻找各种地质目标的目的。瞬变电磁法勘探线的布置原则包括：测线尽量垂直地层走向或地质构造;测线尽量避开各种电磁干扰较大的地段布置,铁路、高压线等地段原则上不布置瞬变电磁勘探点。依据以上原则,本测区取基本线距20 m,基本点距5 m (加密区域点距为2 m),具体测线布置方式如图2所示,垂直于井筒走向共布置瞬变电磁法测线17条、坐标点1413个,控制面积1.36×105m2。

2.3 工作装置及采集参数

瞬变电磁法采用能够同时兼顾剖面测量和测深的工作原理,具有较好的稳定性。瞬变电磁法常用的工作装置包括：重叠回线装置、中心回线装置、偶极装置、大定源回线装置等。中心回线装置能实现最佳耦合,具有异常幅度大、横向分辨率高、接收回线较小、作业灵活等优点。为了高质量、高效率地完成地质任务,决定在本勘探区内选择中心回线装置进行探测。采集参数的取值以提高采集数据的信噪比和分辨率为核心,采用适合的发射频率和叠加次数,同时能够在不加大工作强度的情况下获得更为丰富的地下信息。经过现场试验,最终选择发射线框为20 m×20 m、接收线框为5 m×5 m、发射频率为4 Hz、压制的叠加次数为32次。

3 勘探数据处理

3.1 数据处理流程

数据处理流程主要包括原始数据整理及格式转换、滤波、时深转换、视电阻率反演、成果解释等处理步骤。滤波的目的在于消除噪声,对资料进行去伪存真;时深转换及视电阻率反演是根据二次场电位差随时间变化转换成电阻率随深度的变化;成果分析阶段通过全区采集的数据绘制各种参数图件,首先就是绘制各测线视电阻率断面图,并圈定异常范围,然后将各剖面图的异常展布到相应的平面图上,最后再对各异常进行组合分析。

图2 纳米瞬变电磁法测线布置

3.2 数据反演

由于纳米瞬变电磁法观测数据是各测点各个时窗(测道)的瞬变感应电压,需换算成视电阻率、视深度等参数,才能对资料进行解释。视电阻率ρt的计算公式为：

式中：ρt——视电阻率,Ω·m;

u0——磁导率,H/m;

t——时窗时间,us;

m——发射磁矩,A/m2;

q——接收线圈的有效面积,m2;

V(t)——感应电压,V。

视纵向电导St和视深度ht的计算表达式分别为：

式中：St——视纵向电导,s;

ht——视深度,m;

V(t)/I——归一化感应电压,V;

A——发射回线面积,m2;

d[V(t)/I]/dt——归一化感应电压对时间的导数。

4 勘探结果分析

视电阻率剖面图反映了沿测线方向地下地质体横向和垂向上的电性分布变化特征,根据视电阻率等值线或色谱的形态、规模、变化特征及数值的大小,可以推断地下空洞的分布情况。经过滤波消噪、时深转换得到各测线视电阻率剖面图。瞬变电磁法对含水构造低阻异常敏感,流砂层富水性良好,故表现为低阻特性。考虑本次探测在处于该地区的旱季,流砂层塌陷空洞充水程度低,相对表现为高阻特性。

纳米瞬变电磁法13线视电阻率反演剖面图见图3(a)。副井在该剖面的250 m处,主井在该剖面的300 m处,从剖面成果图来看,视电阻率等值线基本上呈有规律展布,但在剖面290～310 m、垂深40～60 m处有相对高电阻率电性特征反映,推断为地下空洞(由图中粗虚线圈定),同时,在剖面245～255 m、垂深25～35 m处也有相对高电阻率电性特征反映,亦推断为空洞反映。15线视电阻率反演剖面图见图3(b)。从剖面成果图来看,视电阻率等值线基本上呈有规律展布,但在剖面240～265 m、垂深20～40 m处有相对高电阻率电性特征反映,推断为空洞反映。

图3 视电阻率等值线图及异常圈定

根据纳米瞬变电磁法探测结果,分析得到各条测线的视电阻率综合剖面图,然后将各条测线上的空洞异常展到平面上,最后,对各空洞异常进行综合分析,圈出空洞异常带。结合井筒施工期间流砂层层位信息,对各空洞异常进行综合分析,得到流砂层塌陷空洞异常带平面图见图4。

图4 推测井筒区域内流砂层塌陷空洞分布范围

从中可以看出主井与副井均存在2处推断空洞异常,依次编号为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。Ⅰ号空洞异常中心距主井井口239.6 m,埋深为20～40 m、面积约4677.04 m2。Ⅱ号空洞异常中心距主井井口385.5 m,埋深为40～60 m、面积约1693.32 m2。Ⅲ号空洞异常中心距副斜井井口150.0 m,埋深为20～30 m、面积约2409.24 m2。Ⅳ号空洞异常中心距副斜井井口223.5 m,埋深为40～60 m、面积约1986.48 m2。

5 流砂层塌陷空洞治理建议

斜井流砂层塌陷空洞的处理需从井下封堵和地面充填两个方面入手。井下封堵主要针对流砂层段的涌水点,先采取井下注浆封堵涌水、加固围岩,然后对漏水的井壁进行修复或重新砌筑,避免流砂层砂粒的继续流失。地面充填主要针对塌陷空洞,考虑本工程流砂层塌陷空洞埋深不大,可采用地面充填注浆技术,对于体积较大的地下空洞可考虑先进行投砂,再注入浆液对填砂进行固结。由于地下空洞分布在井筒上方,故治理过程中必须进行井筒及地面建筑物的保护,防止治理措施不当诱发灾害事故。

6 结语

本次纳米瞬变电磁法探测在井筒区域圈定4个流砂层塌陷空洞异常,均分布在主斜井与副斜井上部。主斜井上部Ⅰ号空洞异常面积约4677.04 m2,Ⅱ号空洞异常面积约1693.32 m2;副斜井上部Ⅲ号空洞异常面积约2409.24 m2,Ⅳ号空洞异常面积约1986.48 m2。推断的流砂层塌陷空洞距离集控综合楼、材料库、机修间等建(构)筑物较近,可能导致建筑物倾斜、开裂等破坏,同时地下空洞不利于井筒的长期稳定性和使用安全,建议对井筒流砂层涌水点进行封堵,杜绝流砂层砂粒的继续漏失,同时将流砂层塌陷空洞充填密实,消除地面塌陷的隐患。本次勘查成果为井筒及地面建筑稳定性评估和加固治理提供了依据。

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Research on detecting collapse holes in quicksand layer above inclined shaft by NanoTEM

Gao Xiaogeng
(1.Tiandi Science and Technology Co.,Ltd.,Chaoyang,Beijing 100013,China; 2.Beijing China Coal Mine Engineering Co.,Ltd.,Chaoyang,Beijing 100013,China)

To obtain the distribution of underground collapse holes in quicksand layer above inclined shaft,new Nano TEM(nanometer transient electromagnetic method)was used in detecting.Central loop mode system was taken as the working device and 17 survey lines were perpendicular to the trend of the shaft axis.In view of the high resistance characteristics of collapse holes in arid season,the range of collapse holes in quicksand layer above the inclined shaft was deduced from apparent resistivity profiles.The Nano TEM detecting results indicated that there were respectively two holes in the quicksand layer over the main inclined shaft and auxiliary inclined shaft.Combining the statistic data of the quicksand layer form shaft construction,the ranges of collapse holes in quicksand layer over shaft area were determined,which provided basis for stability estimation and control of shaft and nearby buildings.

inclined shaft,quicksand layer collapse,hole detecting,Nano TEM

P631

A

高晓耕(1981-),男,四川自贡人,助理研究员,副所长,硕士,主要从事煤矿水害防治、地灾治理的研究。

(责任编辑 郭东芝)

中国煤炭科工集团有限公司科技创新基金(2013QN009),天地科技股份有限公司技术创新基金(KJ-2014-BJZM-03)