高密度电法在乌鲁木齐东北某煤田采空区注浆效果检测中的应用

赵利华+安然+金刚+陈璐旺+赵鸿宇+刘杉杉

摘要：本文以高密度电法在工程勘查中的应用为基础，以乌鲁木齐某区的高速公路采空区注浆治理工程为例，应用高密度电法检测地下100m左右的采空区注浆范围和加固效果，通过野外布线采集数据，绘制视电阻率等值线，结合已知地质资料进行地球物理反演，得到主要测线的高密度电法电阻率等值线图，借用钻孔资料进行验证，以提高煤田采空区的评价准确性。探索最优化的布极方式和反演模型，增强高密度电法在工程地质勘查中应用的可靠性。

关键词：高密度电法；采空区注浆加固；探测效果

引言

高密度电阻率法可以一次性完成多点位自动测量，具有测点密集、成本低、效率高、地质信息丰富、高分辨、高精度、勘探能力强等特征，因此在工程地质勘查中备受青睐。目前针对高速公路下伏采空区注浆检测问题的研究，国内，石家庄一太原、晋—焦、乌鲁木齐一奎屯及京一福高速公路徐州东西绕城段、河北保阜公路等，国外，美国在科罗拉多州的某公路上进行了采空区问题的研究。

近年来，乌鲁木齐城市基础建设不断扩大，城市交通网建设已扩展到六道湾、米东区、西山等煤矿采空区，其中G30乌鲁木齐绕城高速公路（东线）工程是国家高速公路网重要组成部分，该线起自甘泉堡工业园区，接吐乌大高速公路（甘泉堡互通），经乌鲁木齐东，止于吐乌大高速公路乌拉泊互通，路线全长约62.5km，见图1。应用物探方法准确探测采空区问题是解决乌鲁木齐基础城建的重要手段，具有重要的现实意义。本文通过实例，运用高密度电法检测米东区某煤田采空区注浆范围及加固效果。

1.工区工程地质概况

1.1地形地貌

工区位于米东区铁厂沟镇，属低山丘陵区，总体地势南高北低，部分地段有煤田采空塌陷区，局部已回填，可见较多塌陷坑。

1.2地层岩性

地层在勘探范围内自上而下依次为：

①杂填土：工区大量分布，松散、疏松，采空区塌陷区回填主要成分为粉质黏土、砂砾石，混杂有大量煤矸石、煤灰及建筑、生活垃圾。厚度5m-100m。力学性质较差，未经处理不可作为道路路基，不可作为建筑物天然地基；②黄土状粉土：整个工区均有分布，层位稳定，力学性质一般，经处理后可作为道路路基和建（构）筑物天然地基；③卵石：大部分场地均有分布，层位较稳定，力学性质好，可作为道路路基建（构）筑物天然地基和持力层；④强风化基岩：整个工区均有揭露，风化剧烈，力学性质较好，可作为建（构）筑物天然基；⑤煤：整个工区均有揭露，埋深及厚度变化较大，岩体基本质量级别为V级，力学性质一般，可作为道路路基持力层；⑥中一微风化基岩：整个工区均有揭露，力学性质良好，为良好的下卧层。

1.3工区水文地质概况

铁厂沟井田内无常年河流，在西界外铁厂沟溪水自南向北流过，常年有水，溪水面标高+765m-750m，年均流量134L/s。井田以东白杨河（溪）为一季节性河溪，大量融雪和雨季时有洪水通过，冬春季有时断流。平时流量很小仅24L/s-49L/s，年均流量32L/s。工作区主要由松散岩土类和碎屑岩类组成。目前受煤层采动影响，煤层与含水层导通后，形成降落漏斗，地下水渗入井下，被人工抽排出煤田，但随着煤矿停采封井，水位将会逐年上升，将对公路工程造成不利影响。

2.采空区注浆检测

2.1检测方法的选择

工区有村庄，地下采空区距离村庄较近，地震勘探法放炮时对已加固的区域会有破坏，可能会坍塌，形成次生灾害，用锤击检测深度达不到有效检测深度，且其费用非常昂贵，同时注浆区域内地层倾角大于45°，最大达80°，第四系覆盖层砂砾石层较厚，因此从经济、技术方法、安全上考虑该区域内地震勘探（检测）方法不适用，宜采用高密度电法检测，辅以钻孔资料验证。

2.2野外数据采集

本次高密度电法检测采用重庆地质仪器厂生产的DUK-2A高密度电法测量系统，针对本次检测场地的地质条件和技术要求，本次检测中采用温纳测量装置进行数据采集并分析，并与钻孔资料比对，最后显示测量效果较好。

2.2.1高密度电法测线布置

注浆前背景值的试验点布置在注浆区域外平行于路线方向布置，注浆后以K22+550为中间点平行于路线方向均匀布线。本次检测区域共布置5条高密度电法测线，采用温纳剖面装置。电极距10m，每条测线120个电极，共计600个电极，每条测线长1190m，总长度为5950m，有效探测深度为120m。注浆前背景值1条为GMD05，注浆后4条GMD01至GMD04。

2.3检测质量要求

高密度电法测量结果为地层二维视电阻率，根据视电阻率的差别，推断出注浆范围及评价加固效果。通过在明显采空区位置进行高密度电法试验得到的采空区注浆体的电阻率与标准值（注浆前实地测试）比较，评价工程注浆效果质量。

（1）85%的测试值达到质量评价标准；

（2）小于质量评价标准85%的测试值不超过5%，且不集中，可认定为注浆质量合格。

3.高密度电法解释成果

GMD01至GMD04测线：视电阻率相对较低，整体表现为浅部电阻率相对较高中部略低深部高，有煤层分布段较低的特征。测线263m-924m段为本次注浆段，该段整体视电阻率值较未注浆区域有所升高，物探推测该测线所在位置注浆效果整体较好。测线250m-550m段、660m-960m段视电阻率值整段略低，推测为受煤层（低阻）影响所致。其中：

（1）GMD01测线275m-330m段推测深度范围内深部，出现视电阻率团块状低阻异常；测线380m～530m段探测深度范围内中部出现视电阻率条带状异常；测线835m～895m段探测深度范围内深部出现视电阻率条带状异常，结合钻探资料推测为注浆效果一般区域，见图2。

（2）测线GMD04：测线400m～500m段探测深度范围内中部、540m～565m段探测深度范围内中部视电阻率值更低；测线820m～855m段探测深度范围内深度出现视电阻率值低阻异常，物探推测为注浆效果一般区域，见图3。

（3）GMD05测线：该测线视电阻率值较低，呈浅部低中部较低深部较高的特征，为未注浆区域的试验测线。该测线地表覆盖层主要为第四系冲洪积粉土、卵石土，部分地段基岩出露，电阻率相对较低，下伏基岩主要为西山窑组砂岩，厚度不均，探测深度范围内下伏基岩上部主要为全一强风化层，下部主要为中风化层，电阻率值高。测线里程240m～290m段出现带状低阻异常区域，推测为采空回填区、富水；测线里程300m～460m段、500m～580m段出现电阻率值带状低阻异常，结合地调资料推测为受含煤地层影响而表现电阻率值较低；测线里程730m～1000m段探测深度范围内深部出现电阻率值带状低阻异常，结合地调资料推测为富水区，见图4。

4.結论及建议

①注浆后钻孔岩芯采取率在75%～90%之间，大于等于设计要求的75%；注浆后区域内的视电阻率值较未注浆区域整体有所升高；②地基处理施工结束后，随着地下水的上升，在道路运行过程中，路基长期受各种外部因素影响，加固区路基仍不可避免存在继续变形可能，建议必须尽快设置监测点，开展监测工作，掌握路基的变形动态，确保道路安全运营；③路线里程K21+480右幅距注浆边界约8m处发现塌陷坑，塌陷坑直径约10m，深度约12m。该处地势较低，如果常年受雨水和融化雪水的影响，塌陷坑有向路基方向扩大塌陷的可能，建议对该塌陷坑进行处理。

5.存在的问题及进一步思考

（1）温纳装置的主要缺点是，如果要探测较深部位，需要更长的测线和更多的电极，采空区深度范围大多在80m～350m左右，建议野外探测中，深度在120m以内的使用高密度电法，100m～350m使用瞬变电磁法（TEM）检测。

（2）物探反演的多解性决定了必须要结合钻孔资料和地质信息才能得出正确的结论。endprint