趙廣茂 周學(xué)明
(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津 300251)
采空區(qū)對于鐵路建設(shè)及運(yùn)營危害極大,尤其是中深部大型采空區(qū),必須在鐵路勘察階段將采空區(qū)的埋深和邊界準(zhǔn)確查明,才能保證鐵路的建設(shè)及運(yùn)營安全。
中深部大型采空區(qū)的形成往往發(fā)生在大型及特大型的煤礦,機(jī)械化程度較高,采掘率在85%以上,開采面積大,采空區(qū)在重力和地層應(yīng)力作用下,頂板塌落,形成冒落帶、裂隙帶和彎曲帶等,使得采空區(qū)被上層塌落的松散物充填而地球物理特征發(fā)生變化,往往采空區(qū)內(nèi)部充水,采空區(qū)會表現(xiàn)為低電阻率[1,2]。另一方面煤層下伏地層為灰?guī)r,采空區(qū)與下伏灰?guī)r相比,電阻率差異較大[3]?;陔娮杪实牟町惪梢圆捎秒娮杪史椒ㄟM(jìn)行采空區(qū)探測,在電阻率方法中以大定源瞬變電磁法最優(yōu)。瞬變電磁法具有對低阻體反映明顯、高密度時(shí)序采樣、分辨率較高、發(fā)射源及接收點(diǎn)采用不接地回線、不受地表接地條件限制等優(yōu)點(diǎn)。瞬變電磁法在上世紀(jì)30年代由前蘇聯(lián)科學(xué)家提出[1,4],到 50~60年代才開始進(jìn)入實(shí)用階段;在國內(nèi),從70年代開始研究瞬變電磁法,但主要應(yīng)用于金屬礦床探測,近年來逐漸用于煤田陷落柱的探測[5-9]。
瞬變電磁法(TEM)屬于時(shí)間域人工源電磁方法,是以大地中巖(礦)石的導(dǎo)電性和導(dǎo)磁性為物性前提,根據(jù)電磁感應(yīng)原理觀測,研究電磁場空間和時(shí)間分布規(guī)律,以尋找地下異常體或解決相關(guān)地質(zhì)問題的一種勘察方法。
瞬變電磁法測量導(dǎo)體內(nèi)渦流的過渡過程,觀測在脈沖間歇期間進(jìn)行,不存在一次場源的干擾,觀測參數(shù)為純二次場,是電磁法中唯一可采用同點(diǎn)裝置的方法。探測目標(biāo)耦合最緊,獲得的響應(yīng)最強(qiáng),因而異常更直接、探測效果更明顯、原始數(shù)據(jù)的保真度更高。
(1)測區(qū)地質(zhì)及測線布置概況
測區(qū)位于吉林省通化市二道江區(qū),線路基本位于渾江河谷階地區(qū),沿渾江蜿蜒延伸,地勢中間低,兩側(cè)高,向西南方向緩傾,見圖1。主要出露地層為第四系、白堊系、二疊系鐵廠統(tǒng)、石炭二疊系大崗統(tǒng)、石炭系中統(tǒng)本溪組、奧陶系、寒武系、長城系等。
本工區(qū)含煤地層為古生代石炭-二疊系大崗統(tǒng)煤系、石炭系中統(tǒng)本溪組含煤層,埋深約200 m。古生代石炭-二疊系大崗統(tǒng)煤系一般厚10~68 m(局部變薄區(qū)僅為1~10 m),主要由頁巖,砂巖,灰?guī)r等組成,一般含煤層3層,局部未發(fā)育煤層,一般不可采。石炭系中統(tǒng)本溪組含煤層一般厚20~90 m,主要有頁巖,砂巖,灰?guī)r等組成,含煤層2層,均為局部可采。
圖1 線路及工區(qū)位置
根據(jù)鐵路線位及煤礦位置,在煤礦與鐵路線之間與線路平行布置瞬變電磁法測線3條,以圈定采空區(qū)位置及埋深,從而判斷線路是否安全,布置見圖2,圖2中粉色線為瞬變電磁測線,紅色粗線為鐵路線位。
圖2 測線布置
(2)探測方法參數(shù)
瞬變電磁法采用大定源回線裝置,采集儀器為加拿大Geonics公司Protem系列瞬變電磁儀,如圖3所示,發(fā)射回線邊長一般取勘探深度的1~1.5倍,該區(qū)域勘探深度約為200~300 m,所以發(fā)射線框選擇300 m×300 m進(jìn)行觀測。在中心位置1/2范圍內(nèi)觀測,點(diǎn)距10 m,線距50 m,發(fā)射頻率25 Hz,電流10 A,關(guān)斷時(shí)間160μs。
圖3 瞬變電磁數(shù)據(jù)采集設(shè)備(發(fā)射機(jī)、接收機(jī))
圖4 TE-150測線瞬變電磁反演結(jié)果
圖5 煤層出露點(diǎn)現(xiàn)場照片
(3)勘探成果
如圖4可以看到淺層100 m范圍內(nèi)為河灘卵石以及第四系覆蓋層反映,下伏基巖起伏較大,基巖頂界面深度在200 m左右。
在測線650號點(diǎn)現(xiàn)場有開挖地基,有煤層出露,見圖5,在瞬變電磁反演結(jié)果圖中煤層對應(yīng)顯示為低電阻率,因此,圖4中下部低電阻部分應(yīng)為煤層反映,在175~275號點(diǎn)之間低電阻率部分下降,與兩側(cè)具有高差,深度為150~200 m,厚度約50 m,且下部為較高電阻率反映,巖性應(yīng)為灰?guī)r,與煤系地層的形成規(guī)律相符,同時(shí)與調(diào)查深度及厚度一致,由此綜合判斷175~275號點(diǎn)150~200 m深度范圍內(nèi)為采空區(qū)段落,且從相鄰兩條測線的結(jié)果(見圖6和圖7),可以得知該采空區(qū)為南北走向,從而判斷出鐵路線下可能存在采空的位置(如圖8所示),可以有針對性的布置鉆探或其他手段去驗(yàn)證鐵路線下是否存在采空區(qū)。
圖6 TE-200測線瞬變電磁反演結(jié)果
圖7 TE-100測線瞬變電磁反演結(jié)果
另外在650號點(diǎn)下部出現(xiàn)一局部高阻區(qū)域,同時(shí)北側(cè)為廢棄的斜井,該位置有可能是空氣洞穴,隨著測線的逐漸向南移動(dòng),高阻區(qū)域逐漸縮小,說明該空洞在北邊大、南邊小,采煤系從北向南。
圖8 勘察成果平面
(1)在鐵路中深部采空區(qū)探測中,利用大定源瞬變電磁法可圈定采空區(qū)的位置、埋深、走向,為鐵路線位安全提供有效勘察資料。
(2)對于空氣洞穴,大定源瞬變電磁法具有一定的探測效果,所以在實(shí)際勘察過程中不能只關(guān)注低阻洞穴,同時(shí)要多測線綜合考慮高阻異常是否為空洞。
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