張大明

(河北省煤田地質(zhì)局 物測(cè)地質(zhì)隊(duì)，河北 邢臺(tái) 054000)

城市建設(shè)步伐加快，導(dǎo)致土地資源越來(lái)越緊張，甚至在采空區(qū)場(chǎng)地進(jìn)行工程建設(shè)，地面沉降、塌陷都會(huì)因?yàn)椴煽諈^(qū)的存在而產(chǎn)生，所以建筑在采空區(qū)上的建筑物是不牢固的，容易坍塌甚至引起人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失[1-13]。疑似存在采空區(qū)場(chǎng)地在工程建設(shè)之前進(jìn)行勘查是必要的，查明是否存在采空區(qū)，以及對(duì)擬建建筑物是否存在影響，判定其是否適合作為工程建設(shè)場(chǎng)地[14]。結(jié)合工程實(shí)例，運(yùn)用可控源音頻大地電磁測(cè)深法對(duì)煤礦采空區(qū)進(jìn)行勘查，查明了邢臺(tái)市襄都區(qū)泉北大街與襄都路交叉口東南角地塊建設(shè)場(chǎng)地采空區(qū)的分布情況，并通過(guò)礦方提供資料對(duì)物探成果進(jìn)行驗(yàn)證，再次證明了可控源音頻大地電磁法探測(cè)煤礦采空區(qū)是可行的、有效的。

1 工區(qū)的地質(zhì)和地球物理特征

1.1 工區(qū)地質(zhì)概況

工作區(qū)地處太行山斷塊中段東翼邊緣，處于太行山拱斷束與華北沉降帶的結(jié)合部位上，構(gòu)造復(fù)雜，斷層發(fā)育。斷裂以正斷層為主，按其生成時(shí)間及產(chǎn)狀可分2組：1組為燕山期生成的走向NW25°左右的井田邊界斷層，如邢臺(tái)一號(hào)正斷層及其近似平行的伴生斷層；另1組生成的走向NE-NEE正斷層，該組斷層多為傾向斷層，F(xiàn)19、F23等斷層。區(qū)內(nèi)總體構(gòu)造為略有波狀起伏的單斜構(gòu)造，走向北西，傾向北東。除邊界斷層外小斷層較為發(fā)育，且多為傾向斷層、傾向或近傾向的斷層加寬緩的波狀起伏形成了區(qū)內(nèi)構(gòu)造的基本特點(diǎn)。

1.2 地球物理特征

勘探區(qū)位于太行山東麓，為沖積平原的一部分。測(cè)區(qū)地形西高東低，標(biāo)高+57.343～+62.395 m，地表自然坡度約為3‰，地面沖溝不發(fā)育，區(qū)內(nèi)植被密集。

勘探區(qū)內(nèi)表、淺層地質(zhì)條件一般，比較有利于本次勘探的野外施工。距離襄都路及泉北大街比較近，沿路有220、10 kV等高壓線路通過(guò)，受其產(chǎn)生的電磁場(chǎng)干擾，將對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大影響。勘探區(qū)上部基本上被第四系覆蓋，厚度約250 m。地表黃土層視電阻率值在15 Ω·m左右，第四系下伏地層由淺至深依次為第三系、二疊系、石炭系以及煤系基底奧陶系。地層由上至下地層時(shí)代變老、巖石密度總體呈變密實(shí)的趨勢(shì)。

地層的結(jié)構(gòu)及其完整性會(huì)因?yàn)椴煽諈^(qū)的存在而被破壞，原有地質(zhì)體的地球物理特征也被改變，采空區(qū)與周圍原巖體存在明顯的電性差異，為采用可控源音頻音頻大地電磁法進(jìn)行采空區(qū)探測(cè)奠定了物性基礎(chǔ)。

2 可控源音頻大地電磁法原理及工作參數(shù)

2.1 CSAMT原理簡(jiǎn)述

可控源音頻大地電磁法(CSAMT法)為人工場(chǎng)源頻率域電磁法[5]，交變電流通過(guò)電偶極向地下發(fā)送設(shè)定好的頻率，在遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)通過(guò)觀測(cè)相互正交的電場(chǎng)信號(hào)Ex和磁場(chǎng)信號(hào)Hy，地下介質(zhì)的視電阻率由式(1)計(jì)算：

(1)

式中，f為發(fā)射頻率；ρs為視電阻率。

根據(jù)趨膚效應(yīng)理論，得到深度公式：

(2)

式中，H為趨膚深度；ρ為電阻率。

探測(cè)深度可由發(fā)射頻率改變，這樣便達(dá)到探測(cè)深部地層信息的目的[3-7]?？煽卦匆纛l大地電磁法在市區(qū)等人工電磁干擾強(qiáng)的地方具有較好的抗干擾能力，且能夠穿透高阻層，具有不受高阻層屏蔽等直流電法不具備的優(yōu)勢(shì)。

2.2 工作參數(shù)

野外數(shù)據(jù)采集采用V8多功能電法儀，發(fā)射極距AB=1 000 m，接收極距MN=40 m，頻率范圍設(shè)置為 1～3 840 Hz，頻點(diǎn)間隔均勻分布，在估算的煤層采空區(qū)深度加密了頻點(diǎn)，獲得了更多該深度地質(zhì)信息。CSAMT法裝置如圖1所示。

圖1 CSAMT法裝置示意Fig.1 CSAMT survey array

3 成果解譯

3.1 解譯原則

根據(jù)此次勘探任務(wù)，首先要依據(jù)所測(cè)得的反演電阻率變化規(guī)律，結(jié)合區(qū)內(nèi)已知地質(zhì)、鉆孔等資料，遵循從已知到未知、從點(diǎn)到面、從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，進(jìn)行了綜合對(duì)比分析[15-24]。資料的處理和解釋工作同時(shí)進(jìn)行，這是一種從實(shí)踐到認(rèn)識(shí)的提高過(guò)程。首先依據(jù)三維地震資料確定目的層所對(duì)應(yīng)的電性層位，結(jié)合已知的采空區(qū)資料等，再通過(guò)綜合分析及結(jié)合計(jì)算的反演電阻率反演解釋結(jié)果，最終解釋是否存在采空區(qū)。

3.2 成果分析

3.2.1 典型原始曲線形態(tài)分析

根據(jù)地質(zhì)資料和場(chǎng)地因素情況，物探沿工區(qū)NS向及EW向按40 m×40 m測(cè)網(wǎng)完成可控源音頻大地電磁測(cè)深剖面11條，測(cè)點(diǎn)227個(gè)，選擇有代表性的1號(hào)和2號(hào)剖面曲線進(jìn)行分析。曲線呈明顯的高頻段有一中低阻，表現(xiàn)為淺部中低阻；約16 Hz進(jìn)入拐點(diǎn)，電阻率較低；進(jìn)入低頻段后電阻率變?yōu)槠椒€(wěn)，后尾部逐步升高，淺層視電阻率相對(duì)較高，深部視電阻率升高，基本呈HA形曲線。

從電阻率曲線及相位曲線來(lái)看，主要分為3個(gè)電性層段，淺部中低電性層段，中部中阻層段和尾部高阻層段。整條剖面橫向上曲線有細(xì)微變化，可能與局部存在構(gòu)造有關(guān)(圖2)。

圖2 典型原始曲線類型Fig.2 Typical original curve type diagram

3.2.2 典型剖面解釋

1號(hào)物探剖面位于工區(qū)西部，D2可控源音頻大地電磁剖面方位角為0°，長(zhǎng)度210 m，測(cè)深點(diǎn)28個(gè)。成果圖見(jiàn)圖3(a)中D1線反演電阻率剖面。

圖3 D1線和D2線反演電阻率剖面Fig.3 D1 & D2 inversion of resistivity profile

D1線共布設(shè)28個(gè)測(cè)點(diǎn)，點(diǎn)距40 m，剖面長(zhǎng)度為1 080 m。通過(guò)分析D1線可控源音頻大地電磁剖面(圖3(a))可知，剖面整體視電阻率均從上到下呈“低—中—高”形態(tài)反映，地下電性特征：上部反演電阻率較低，反演電阻率值較小，是第四系、第三系、煤系地層的電性反映；下部電性為高阻反映，電性分布相對(duì)均勻，是奧陶系灰?guī)r的電性反映。反映出第四系、煤系地層、奧陶系基底反演電阻率從淺到深逐漸增大的基本電性規(guī)律。反映的地層序列比較清晰，無(wú)明顯的高阻或低阻閉合異常區(qū)。分析認(rèn)為不存在采空區(qū)。

2號(hào)物探剖面位于工區(qū)中部，D2線可控源音頻大地電磁剖面方位角為0°，長(zhǎng)度1 080 m，測(cè)深點(diǎn)28個(gè)。從反演電阻率剖面圖(圖3(b))上看，上部反演電阻率較低，反演電阻率值較小，是第四系、第三系、煤系地層的電性反映；下部反演電阻率較高，電性分布相對(duì)均勻，是奧陶系灰?guī)r的電性反映。視電阻率呈低—中—高的趨勢(shì)，反映出第四系、第三系、煤系地層、奧陶系基底反演電阻率從淺到深逐漸增大的基本電性規(guī)律。

通過(guò)分析可知，未有表現(xiàn)采空區(qū)和斷裂的電性特征明顯，視電阻率總體范圍變化不大，與地層深度吻合較好，說(shuō)明采集資料可信度較高。從2張剖面圖上看，剖面反映的地層序列比較清晰，未發(fā)現(xiàn)高出圍巖視電阻率3～5倍的高阻或低阻閉合異常區(qū)。分析推斷不存在采空區(qū)，其余測(cè)線剖面與此類似。

3.2.3 平面圖解釋

沿2號(hào)煤層深度橫切面切了平面圖，從等值線圖可以看出，在勘探區(qū)內(nèi)，沒(méi)有明顯高阻異常和低阻異常，分析認(rèn)為不存在采空區(qū)。在勘探區(qū)外平面圖東南角，利用鄰區(qū)資料，探得的采空區(qū)部分視電阻率值徒增到80 Ω·m以上，為高阻異常，且有閉合趨勢(shì)，與采空區(qū)電性特征吻合。

4 效果驗(yàn)證

通過(guò)分析區(qū)域地質(zhì)資料及物探結(jié)果可知，擬建建筑物下部不存在采空區(qū)，揭露和控制區(qū)內(nèi)地層，揭示場(chǎng)區(qū)內(nèi)低阻區(qū)的地質(zhì)特征，查明采空區(qū)的分布情況，工區(qū)地層由新至老為第四紀(jì)、上二疊統(tǒng)上石盒子組、下二疊統(tǒng)下石盒子組、下二疊統(tǒng)山西組、上石炭統(tǒng)太原組、中石炭統(tǒng)本溪組、中奧陶馬家溝組。巖性以泥巖和砂巖為主。據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》(安監(jiān)總煤裝〔2017〕第66號(hào))，對(duì)翔藍(lán)體育中心的建設(shè)用地西側(cè)與北側(cè)為已開(kāi)發(fā)建設(shè)用地，故本次工作范圍以建設(shè)用地東、南兩個(gè)方向的煤炭壓覆范圍，反推采空區(qū)影響范圍。其極值為：圍護(hù)帶范圍+松散層水平移動(dòng)值+基巖上山/下山方向移動(dòng)值(最大值)≈440 m。如圖4所示，采空影響范圍為翔藍(lán)體育中心邊界向東延伸約440 m，向南約440 m。本次電法工作的勘探在勘探區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)采空區(qū)，翔藍(lán)體育中心擬建高層建筑物距離勘探區(qū)外東南角已知2煤采空區(qū)的距離遠(yuǎn)大于440 m，故該處采空區(qū)不會(huì)對(duì)翔藍(lán)體育中心的擬建高層建筑物產(chǎn)生影響。

圖4 采空區(qū)影響范圍示意Fig.4 Mined-out area scope

5 結(jié)論

(1)本文采用可控源音頻大地電磁法，在擬建建筑區(qū)內(nèi)煤礦采空區(qū)的位置進(jìn)行了推測(cè)，明確了擬建建筑區(qū)域不存在采空區(qū)分布，表明應(yīng)用可控源音頻大地電磁法對(duì)煤礦采空區(qū)進(jìn)行勘查效果良好。

(2)數(shù)據(jù)采集參數(shù)及頻率范圍正確選擇獲得高質(zhì)量的原始數(shù)據(jù)。

(3)可控源音頻大地電磁法在市區(qū)范圍內(nèi)受周邊電磁干擾較明顯，對(duì)地層規(guī)模較小的地質(zhì)構(gòu)造等需要進(jìn)一步勘查。