综合物探在小煤窑采空区勘察中的应用

2016-12-30刘文才

铁道勘察 2016年6期

关键词：雷波煤窑测线

刘文才

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

综合物探在小煤窑采空区勘察中的应用

刘文才

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

小煤窑采空区由于年代久远，资料匮乏等自身的特点是铁路勘察的难点之一。物探是小煤窑采空区的重要勘探手段，弥补了其他勘探手段的不足。高密度激电法和瞬态瑞雷波法是工程勘察中经常用到的物探方法，也是采空区勘察的有效物探方法。介绍这两种方法的原理，结合其在某小煤窑勘察中的实际应用，阐述综合物探在小煤窑勘察中的重要作用。

小煤窑综合物探高密度电法瞬态瑞雷波法

采空区勘察是铁路勘察工作的重点之一，在地下矿体被采出后，自顶板岩层向上形成垮落带、导水裂隙带和弯曲带，形成地表沉陷等，对铁路运营构成巨大威胁和隐患，查明采空区平面及空间位置将直接关系到铁路线路方案及后期运营的安全。小煤窑基本是私自开采，没有固定的采集范围和时间，且年代相对久远，资料匮乏，所以小煤窑采空区勘察一直是采空区勘察的难点之一。

钻探勘察可以准确反映采空区空间状态，包括深度、周围岩性等，由于采空区边界的不确定性，面积性钻探成本大、周期长，因而物探技术成为采空区勘探的重要手段。前人的研究成果已经表明，物探方法在采空区勘察中起到重要作用[1-3]。多种物探技术相结合，相互验证，有利于资料的解释。

介绍高密度激电法、瞬态瑞雷波法两种物探方法的简要原理，结合它们在某小煤窑采空区勘察中的应用效果，阐述综合物探在小煤窑采空区勘察中的重要作用。

1 方法介绍

1.1 高密度激电法

激电法是根据岩石激发极化效应的差异，观测和研究在人工电场作用下地下岩(矿)石产生的极化电场，以达到解决地质问题的一种电法勘探方法。激发极化法勘探过程中，接收机能同时观测在激励场作用下的一次场、断电以后的二次场及其衰减规律。观测的参数多是激电法的优势，包括视电阻率、视极化率、视充电率、视衰减度等参数，多参数互相验证，互相补充，从而提高勘探精度。

高密度激电法是在单点直流激电测深的基础上发展而来的，用新型的发电机作为电源供电，发射、接收为分体式，多通道同时接收的直流激电法称为高密度激电法[4]。高密度激电法在采空区勘察、滑坡勘察、断层等地质构造勘察、黄土陷穴勘察、路堑地下水位勘察等铁路不良地质勘察领域已取得较好的效果[6，7]。

在采空区勘探中，没有水的采空区表现为高电阻率，低极化率，如果采空区遇水松散，则表现为低电阻率，高极化率，这是激电法勘探的物理前提。

1.2 瞬态瑞雷波法

瑞雷面波勘探是新发展起来的一种工程地球物理勘探方法。根据震源的不同，瑞雷波法可以分为瞬态瑞雷波法和稳态瑞雷波法[8]。瞬态瑞雷波法利用重锤冲击在地表激发点产生垂向脉冲作用，从而在介质中激发出具有一定频率带宽的混频瑞雷波动。瑞雷波沿地面表层传播，同一波长的瑞雷波传播特性反映了地质条件在水平方向的变化情况，不同波长瑞雷波的传播特性反映着不同深度的地质情况[9]。利用频谱分析技术提取各个单频成分的瑞雷波相速度，即可得到瑞雷波的频散曲线，进而反演得到不同地质条件对应的波速，达到勘探的目的。

瞬态瑞雷波勘探具有分辨率高、受场地限制小、抗干扰能力强、轻便快捷等特点，被广泛应用在工程勘察和工程无损检测等领域中[10]。

瑞雷波在不同岩层表现速度不同，这是瑞雷波法勘探的物理前提。在坚硬完整岩层中表现为高速特征，在采空区或者采空引起的塌陷软弱地层表现为低速特征，通过这一特征可以识别采空区位置。

2 应用实例

2.1 工区概况及野外采集

某小煤窑采空区位于山西省襄垣县，煤矿开采于20世纪四五十年代，由人工以矿井口为中心向多个方向开挖，巷道埋深10～20 m，宽度1 m左右，高度1～2 m。场地整体地势平坦，局部有少量陡坎，出露地层主要为新黄土。前期在矿井口附近的钻探工作已揭示存在多个辐射状分布的巷道。随着勘探范围的增大，钻探布孔遇到了棘手的问题，在距离矿井口五六十米的位置靠直径只有10 cm左右的钻孔去寻找宽度只有1 m的采空巷道难度很大，因此决定采用高密度激电法和瞬态瑞雷波法进行勘探。

前期钻探工作已经定位了采空区的某些位置，为了确定小煤窑的巷道及采空的范围，在已知钻孔揭示有采空的位置周围布置物探测线，测线上异常位置与已知采空钻孔的连线即推测为巷道的位置，从而确定采空的范围。高密度电法仪器为多通道大功率直流激电仪，采用单极-偶极模式，测点点距2 m，偶极极距2 m，供电周期8s。在高密度激电圈定的异常位置，进行瞬态瑞雷面波勘探验证，瞬态瑞雷面波仪器为NZ-24地震仪，采用12道检波器接收，道间距2 m，偏移距4 m，采用锤击震源。

野外工作要严格按照《铁路工程物探规范》施测，保证野外采集数据的准确性。

2.2 资料解释

小煤窑采空区是煤矿采集形成的空洞，相比于围岩，应表现为高电阻率异常，由于采空区多填充水、泥、土等低阻物质，相比于围岩多表现为低阻，波速降低，这些物性差异是采空区勘探的前提。

数据处理采用两种专业配套软件进行综合处理，数据处理过程中尽量遵循原始成果，避免过度处理，只对个别畸变点做了剔除，在反演过程中使用较小的平滑系数和较小的限制条件。受场地电磁干扰，激电法只用了电阻率这一参数，瞬态瑞雷波法用波速这一参数。下面以IS-2和RL-2测线为例进行解释分析。

从图1中分析得到，从深度上可以大致分为三层，上覆地层为土层，中间为电阻率高的基岩层，下面为电阻率偏低的基岩层。采空区在电阻率成果图中表现为电阻率等值线低阻闭合圈。在图1中，采空区位于第三层基岩层中，水平位置48～66 m，深度在10～16 m位置处为低阻闭合圈，深度与前期钻孔资料基本一致，推断这一位置为采空巷道。

图1 IS-2测线电阻率成果

图2 RL-2测线瑞雷波速成果

为了验证电阻率所圈定的异常位置准确性，在电阻率测线42～78 m位置进行瞬态瑞雷波勘探。采空区巷道表现为低速特征。从图2可以看出，地表浅层土层表现为低速特征，这与实际符合；在深度10～20 m范围内，在水平位置42～48 m和65～78 m两处瑞雷波速为高速，推测为坚硬围岩；在48～66 m位置表现为低速特征，这与电阻率成果一致，说明两种方法的可靠性。根据两种方法的结果，划定本测线水平位置48～66 m处为异常位置。

2.3 综合解释

综合高密度激电法和瞬态瑞雷波法共同确定的异常即为推断采空巷道的位置，如果高密度激电法确定的某些异常，瞬态瑞雷波法在这个位置没有反应，则不把这个位置定为最终的异常位置。把两种方法共同确定的异常位置画在平面图上有利于直观分析解释结果。划定的测线上异常位置与已知采空钻孔的连线即推测为巷道的位置。如图3所示，IS测线为高密度激电法测线，RL测线为瞬态瑞雷波测线，根据各测线物探结果在测线上确定7处异常，已知采空钻孔与测线异常位置的连线区域位置即为推断采空区位置。