物探方法在检测采空区注浆充填效果中的应用——以山东章丘某建设场地为例

王宁，李正，田光彩，李志峰，李坤，杨传伟

(山东省鲁南地质工程勘察院(山东省地质矿产勘查开发局第二地质大队)，山东 济宁 272100)

0 引言

我国矿产资源丰富，矿产资源的开发带来了经济效益，促进了社会经济的发展，但同时带来了采空塌陷问题，存在地质灾害隐患。随着城市化进程的不断加快，建设用地需求不断增加，如何充分利用历史遗留矿区土地，妥善处理采空区、采掘巷道等问题，使其变废为宝，转化为可供利用的建设用地成为关键问题。

目前，采空区处理措施有全充填注浆法、注浆柱、井下砌墩柱、桩柱及桩基支撑覆岩及地表建筑物法、释放老采空区沉降潜力法、注浆加固和强化采空区围岩结构等方法。其中以注浆法应用最广泛、效果最好[1]。但同时，注浆法也存在着隐蔽、不可见的弊端，因此，注浆完成后的注浆效果检测工作显得尤为重要。本文通过对山东省济南市章丘区某建设场地注浆效果的检测，分析可控源音频大地电磁法和高密度电法在注浆检测中的应用效果，以期为后续类似工作提供借鉴。

1 工程概况

建设场地位于济南市章丘区西南，为村民安置工程拟建场区，场地南北长约200m，东西长67～180m。因场地范围涉及煤矿采空区，采空区引发的地面塌陷地质灾害威胁地面建设，因此需对拟建场地用地范围煤矿采空区进行注浆充填治理。

据前期勘查工作钻探揭露，场区地层从上至下依次为第四系(厚度10～20m)、石炭系(厚度140m左右)和奥陶系(厚度800m)，岩性以泥岩、粉砂岩和灰岩为主，石炭纪本溪组为主要含煤层，主要含煤9-2、煤10-1，煤层倾向约230°，倾角小于15°。其中，煤9-2采空区厚2.50～3.60m，埋深39.20～83.10m，煤10-1采空区厚0.50～3.00m，埋深87.50～96.00m。拟建场区内有一条断裂(F28)穿过。

设计注浆工程注浆孔深度102m，治理工程注浆采用水泥粉煤灰浆液。

为了检测采空区充填注浆效果，结合工程实际情况，在充填注浆前后分别采用可控源音频大地电磁法和高密度电法在研究区进行测量，对比分析前后2次测量结果，对充填注浆效果进行推断评价，并利用钻探取芯对检测推断成果进行了验证。

2 地球物理特征

研究区地层自上而下主要为第四系、石炭系、奥陶系。从电性上分析，区内地层整体电阻率整体呈浅部低深部高且似层状的分布特征。测区内浅部第四系以砂质黏土为主，电阻率一般不大于30Ω·m，表现为低电阻率特征；石炭纪太原组、本溪组及山西组以页岩、砂岩、粉砂岩和泥灰岩为主，电阻率一般在30～260Ω·m之间，整体表现为相对高电阻率特征；深部奥陶系以灰岩为主，较上伏地层呈明显的高电阻率特征，电阻率一般大于300Ω·m之间。

3 检测方法及工作布置

地球物理勘查方法应用于工程检测、地质灾害监测方向，已逐渐成为行业发展趋势，也是目前工程技术研究热点。近年来，物探方法在采空区治理效果检测方面得到了一定的应用[2-7]。本次采空区充填注浆效果检测工程，结合检测深度、施工场地条件，兼顾施工成本与效率，主要选择了可控源音频大地电磁法和高密度电法2种技术方法。

3.1 可控源音频大地电磁法

可控源音频大地电磁法(简称CSAMT)是以人工接地电偶极子发射不同频率的信号为电磁源，在测点上测量接收电磁场的正交分量，进而依据不同频率电磁信号计算不同深度的电阻率值，即该方法为一种人工源频率域电磁测深勘探方法。按照卡尼亚电阻率公式计算视电阻率，公式(1)为:

(1)

式中:ρs为视电阻率；f为发射频率；|Ex|为沿x方向电场强度；|Hy|为沿y方向的磁场强度。

基于电磁波传播理论和麦克斯韦方程组，根据电磁波的趋肤效应，可以获得趋肤深度公式(2)为:

(2)

式中:ρs为岩石电阻；f为发射频率。从中可以看出电磁波的趋肤深度随着电阻率的增高与频率的降低而增大，因此，可以通过改变发射频率来改变探测深度，以达到频率测深的目的[8]。

本次可控源音频大地电磁工作采用V8多功能电法工作系统测量施工，主要采用标量TM测量模式。为达到探测深度并兼顾较高的信噪比，收发距选取为3.5km左右。测量电极距10m，点距10m，选取测量频率为1～8192Hz。

3.2 高密度电法

高密度电法是以常规电法为基础发展起来的阵列式勘探方法，以岩土介质的导电性差异为基础[9-16]，通过观测和研究人工建立的地下稳定电流场的分布规律以解决相应的地质问题[2]。野外测量时需将全部电极置于测点上，利用程控电极转换开关和微机工程电测仪，便可实现数据的快速和自动采集，增加了空间供电和采样的密度，提高了纵横向分辨能力和工作效率。

本次工作中最小电极距为5.0m；采用串联干电池箱(270V)供电，供电脉宽为0.5s，周期2s；数据采集装置为单边三极装置，最大采集层数16层，无穷远极垂直测线布设，距测线约900m左右，装置形式如图1所示。

图1 高密度电法三极装置示意图

3.3 测线布置

可控源音频大地电磁法在采空区布设2条测线(L10、L12)，均为近东西向布设，测线长度均为180m左右，线距约20m，点距10m(图2)。

1—研究区范围;2—可控源音频大地电磁法测线;3—高密度电法测线;4—验证钻孔;5—解译断层图2 测线及验证钻孔布置图

高密度电法：高密度电法测线布设1条测线(G10)，近东西向布设，线长为175m，与可控源音频大地电磁法测线L10线重合，点距为5m。

4 检测成果分析

煤层开采后，上覆岩体易发育垮落带、断裂带和弯曲带，即为采空区影响区域；地下水由此渗入岩体破碎区和采空区内，从而使得采空区及其影响区域视电阻率大幅降低，相比完整围岩，采空区及其影响区域表现为封闭、半封闭的低阻异常[17-21]。

经注浆充填后，水泥粉煤灰浆液被注入采空区域。若注浆充填密实，采空区及其影响区域的电阻率将显著升高；若未注浆充填或充填不密实，采空区及破碎区域的电阻率将不发生变化或变化相对不明显。此即利用可控源音频大地电磁法及高密度电法进行采空区充填注浆效果检测的分析推断原则。

4.1 可控源音频大地电磁法检测

可控源音频大地电磁法测线(L10、L12线)均位于场区南部。采空区注浆充填前，浅部视电阻率等值线呈现似层状特征，为埋深0～10m第四纪地层反应。

在埋深10～100m左右，视电阻率60Ω·m以上，推断为石炭纪页岩、砂岩和泥岩为主的层状地层。煤层局部采空区后，视电阻率等值线呈现闭合或半闭合低阻状，推断为采空区及其影响区域。采空区注浆充填前推断的采空区及其影响区域，在注浆后视电阻率明显升高，视电阻率等值线整体上相对连续，视电阻率闭合、半闭合异常消失，推断采空区已充填浆液，且充填相对密实。

断层F28埋深大于10m深度，视电阻率等值线呈明显“U”型低阻异常，结合区域构造发育形态及特征，推测识别断裂构造F28发育位置。如L10线，测点30～90m处(图3、图4)。采空区注浆充填后，断层F28发育位置深部视电阻率等值线仍呈明显的近“U”型低阻异常。

(a—注浆充填前;b—注浆充填后)1—推断采空区及其影响区域;2—视电阻率等值线及标注(Ω·m);3—推断断裂位置;4—验证钻孔;5—验证钻孔见浆区域图3 L10线视电阻率等值线图

L12线剖面显示2处低视电阻率异常区，解释为受断裂破碎带影响区域或者注浆不密实区域(图4b)。

4.2 高密度电法检测

G10线位于场区南部，与可控源音频大地电磁法L10线位置、长度基本一致(图5)。采空区及其影响区域注浆充填前视电阻率等值线呈半闭合低阻状。采空区注浆充填后，采空区及其影响区域视电阻率由原来的20Ω·m提升到40Ω·m左右，可控源音频大地电磁法L10线上的形态与高密度法视电阻率断面图上的形态相似，视电阻率断面图上无明显的封闭型低阻异常，视电阻率整体上比较连续，推断采空区已进行了注浆，且注浆较密实、效果较好。

(a—注浆充填前;b—注浆充填后)1—推断采空区及其影响区域;2—视电阻率等值线及标注(Ω·m);3—推断断裂位置;4—验证钻孔;5—验证钻孔见浆区域图5 G10线视电阻率等值线图

4.3 钻孔验证

为验证注浆充填效果的物探推断成果，研究区内选取分布于测线周围验证钻孔5个(YZK9、YZK10、YZK11、YZK13、YZK14),终孔深度均达到102m，未揭穿石炭纪地层，全孔取芯(表1)。

表1 物探推断成果与钻孔验证情况一览表

根据验证钻孔取样结果，石炭系多为风化泥岩、粉砂岩，厚度在100m以上，与可控源音频大地电磁法和高密度电法测线电阻率等值线图反映基本吻合。5个验证钻孔均揭露破碎岩层，均揭露水泥浆充填物，且采取率均大于95%，见浆深度范围基本能与检测推断成果基本吻合(部分由于钻孔位置与测线不重合，导致见浆深度有出入)。其中，YZK11钻孔位于注浆后L12可控源音频大地电磁等值线解译低视电阻率异常区，该区域在埋深65.00～69.60m揭露充填粉煤灰。

5 结论

本次可控源音频大地电磁法和高密度电法充填注浆检测推断成果与钻孔验证情况基本吻合，检测推断成果得到较好的验证，但也存在一些问题。

(1)在无采空区干扰下，区内地层视电阻率整体呈浅部低深部高且似层状的分布特征。采空区及其影响区域由于充水原因造成区域电阻率降低，主要分布于石炭纪页岩、砂岩和泥岩地层中，电阻率等值线呈现由于采空区充水而形成的闭合或半闭合低阻状。注浆后采空区及其影响区域电阻率明显升高，电阻率等值线整体上比较连续，无明显的封闭型低阻异常，据此可推断原采空区已被注浆充填。

(2)注浆前后的电阻率等值线存在明显差异，物探检测结果与验证钻孔取样结果基本吻合，验证了将物探检测方法综合应用在采空区注浆充填效果检测中是合理的、可行的。

(3)煤层上下存在泥岩、页岩等低阻地层时，将对采空区及其影响范围的圈定产生严重干扰；并且当注浆场区内存在断层构造时，可控源音频大地电磁法和高密度电法电阻率等值线视呈明显“U”型低阻异常，亦会对场地注浆后通过2种方法对注浆效果检测产生干扰；此外，注浆充填前后2次物探电法成果，由于地下水水位变化等原因造成电阻率背景值存在一定变化，对推断解释存在一定干扰，推断解释工作主要进行了定性分析，检测成果的使用尚需结合一定钻孔验证。

(4)高密度电法反映效果较可控源音频大地电磁法检测效果相对较好，横向和纵向检测定位的准确度相对较高。但是高密度电法的探测深度较可控源音频大地电磁法相对要小的多，在此后的注浆充填检测工作中应注意方法选取。