公路工程下伏煤矿采空区物探方法研究.pdf

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2014年8月铁道工程学报Aug2014第8期(总191)J0URNALOFRAILWAYENGINEERINGSOCIETYNO．8(Ser．191)文章编号：1006—2106(2014)08—0027—05公路工程下伏煤矿采空区物探方法研究林明安赵祖栋(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300142)摘要：研究目的：煤矿采空区是制约公路工程建设的瓶颈因素之一，采空区的探测是亟待研究和解决的工程科技难题。采空区具有隐伏性强、空间分布特征规律性差等特点，给公路工程带来较大安全隐患。物探方法是探测采空区的有效手段。本文结合工程实践，对煤矿采空区物探方法进行探讨，旨在为类似工程提供借鉴和参考。研究结论：(1)利用瞬变电磁法、地震反射波法、活性炭测氡法探测煤矿采空区是可行和有效的；(2)由于采空区自身的特殊性和地球物理方法的局限性、多解性，单一物探方法往往对地质异常体很难定性，采取多种方法相结合的综合物探技术显得尤为必要；(3)采空区勘察应采用资料搜集、地质调绘、物探、钻探等综合勘察手段，以达到相互补充、相互验证的目的；(4)实际应用效果表明，综合物探技术已成为解决煤矿采空探测的首选技术，能够较准确地圈定煤矿采空区范围，从而为公路采空区勘察及工程选线、采空区处治提供依据。关键词：公路工程；采空区；地球物理勘探；瞬变电磁法；地震反射法；测氡法中圈分类号：U442．2文献标识码：AStudyofDetectionforCoalMineGoafunderHighwaywithGeophysicalExplorationMethodsLINMing—an．ZHA0Zu—dong(TheThirdRailwaySurveyandDesignInstituteGroupCorporation，Tianjin300142，China)Abstract：Researchpurposes：Thecoalminegoafhazardshavebecomeoneofthebottleneckproblemsthatconstraintheconstructionofhighwayengineering．Thedetectionofcoalminegoalunderhighwayhasbecomeanimportantscientificandengineeringproblemtobestudiedandsolvedurgently．Thegoalisofsomecharacteristics，suchashardtodetect，poorspatialdistributionregularity，whichbringsgreatersecurityrisksforhighwayengineering．Usinggeophysicalexplorationmethodsfordetectingmined—outareahasbecomeaneffectivemeans．Combingwithengineeringpractice，thispaperdiscussesseveralgeophysicalexplorationmethodsofcoalminegoaf，toprovideareferenceforsimilarprojects．Researchconclusions：(1)Thedetectionofcoalminegoafusingthetransientelectromagneticmethod(TEM)，theseismicreflectionmethodandtheradonmeasurementmethodbyactivecharcoalisfeasibleandeffevtive．(2)0nthebasisofgeophysicalcharacteristicsofgoafandbymeansofthetransientelectromagneticmethod，itisnecessarytodeteetwithavarietyofintegratedgeophysicaltechnology．(3)Thedetectionofcoalminegoafshouldusetheintegratedgeophysicalmethodofcollectingdata，geologysurveygeophysicalprospectingandmiseringtoachievemutualeomplementationandverification．(4)Practicalapplicationdemonstratesthattheintegratedgeophysicaltechnologyhasbecomethepreferredtechnologyforsolvingthedetectionofthecoalminegoafarea．Thescopeofcoalminegoafcanbedelimitedaccuratelyusingintegratedgeophysicaltechnology，whichcouldprovidethebasisforthealignmentselection，收稿日期：2014—03—03作者简介：林明安，1984年出生，男，工程师；赵祖栋，1971年出生，男，高级工程师。 28铁道工程学报2014年8月coalminegoafinvestigationandtreatment．Keywords：highwayengineering；goal；geophysicalexploration；transientelectromagneticmethod(TEM)；seismicreflectionmethod；radonmeasurementmethod的弯曲变形超过抗弯强度时，因离层和断裂，而产生的1引言楔形连通裂隙(有时为层状裂隙)带，叫裂隙带。采空区对矿山的安全生产、工程建设和人民的生弯曲带：裂隙带上方，在自重作用下，只产生弯曲命财产造成严重威胁。由于地下采空区具有隐伏性沉落变形的那部分岩层叫弯曲带。此带内岩层变形较强、空间分布特征规律性差、采空区顶板冒落塌陷情况轻，裂隙密闭，不连通，导水性弱。复杂等特点，采空区的探测已经成为一项重要的研究我国幅员辽阔，采空区分布广泛，采空区的变形、课题。用物探方法探测采空区的分布，为采空区危害沉降和塌陷给公路工程带来较大安全隐患和造成工程性评价、工程选线设计及采空区处治提供依据是十分造价增加，且采空区问题复杂，勘察难度大。对于资料有意义的。缺少的矿区、开采不规范的采空区及老矿区，采用传统的钻探等方式对采空区进行勘探有一定的局限性，需2采空区垂直分带特征及物探方法要结合物探方法对采空区的分布范围进一步查明。物采空区是指地下固体矿床开采后的空间及其围岩探方法具有适应范围广、方法多、设备轻便、效率高的失稳而产生位移、开裂、破碎垮落，直到上覆岩层整体特点。下沉、弯曲所引起的地表变形和破坏的地区或范物探，全称为地球物理勘探，是以地球为研究对象围⋯。地下矿层大面积采空后，矿层上部失去支撑，的一门应用物理学，依赖多种物理场，主要有：重力场、平衡条件被破坏，采空区上方岩体随之将产生较为复电磁场、地震波、放射性，在场的激励下，采集信号，然杂的移动和变形。采空区上方岩体的变形，总的过程后经过一系列算法处理数据，获取地表以下介质的物是自下而上逐渐发展的盆状沉落。按岩体的破坏、移理参数，最后判断地下岩层、地质体的物理形态。动程度，自下而上划分为三个不同的影响带，即冒落探测煤矿采空区常用的物探方法有微重力法、瞬带、裂隙带、弯曲带。变电磁法、地震反射波法、氡气测量法等。在各种物探冒落带：在自重及上覆岩层作用下，变形、破碎、坍方法中，由于其所研究地球物理场的不同，在采空区异落至采空区的那部分顶板岩层叫冒落带。常解译特征、适用条件、成果输出形式等方面各不相裂隙带：当冒落带上部的岩层在重力作用下产生同，具体如表1所示。表1典型采空区物探方法一览表＼项目物探方、、～解译特征适用条件成果形式资料来源采空区因开采形成质量亏损，从而只能圈定采空区平面范围，但受交布格重力异微重力法形成重力低值异常直流电干扰和振动干扰较小，有较常曲线文献[2]好的应用前景采空区未充填时表现为高阻异常视电阻率剖瞬变电磁法封闭圈，如有水体存在则表现为相适合中等深度采空区探测文献[3]对低阻异常封闭圈面图采空区充气或为空洞时，视电阻率高密度电法与围岩相比呈高阻异常，充水时为适于探测较浅的采空区电测剖面图文献[4，5]低阻异常地震反射波地震反射波频率降低，波形紊乱，适合近地表浅层采空区探测地震时间剖文献[6产生中断—9]、绕射、畸变回氡气测量测氡曲线常表现为“高氡值异常”场地适应性强，且不受电磁影响，测氡曲线文献[3探测深度较大，l0，l1]目前世界上先进的采空区整体解决方案是利用瞬大概位置，再使用激光扫描设备对采空区进行数字化变电磁法、高密度电法等地球物理方法探测采空区的和可视化，达到科学探测采空区的目的。 30铁道工程学报2014年8月石的表现，部分表现为高阻；50—1201TI之间为低阻，测点号水平分布，可能为含水较丰富的砂岩、泥岩等，100m210230250270290200220240260280300左右至高阻灰岩表现为中低阻。根据区域地质资料和地质调绘结果(局部地段煤层出露)，中低电阻率部分应为煤层反映，在175～275号测点之间低电阻率部分下降，与两侧具有高差，由此推断该部分为采空区位置，深度为150—200m。3．2用地震反射波法探测煤矿采空区地震反射波法是利用人工激发的地震波在地层的传播过程中，在波阻抗界面上产生的反射信号进行分析，用以推断界面深度、构造形态及其物性参数。煤层采空区及其顶板遭受破坏后，对地震波有很强的吸收图3地震水平叠加时间剖面衰减作用，使反射波频率降低，波形紊乱，产生中断、绕取出吸附器，并将吸附器放人仪器测量其氡的衰变子射、畸变，采空区顶板由于岩层相对完整而变化不明体放射出伽马射线的强度，从而了解氡气浓度的高显。在地震时间剖面上，可以从以下三个方面识别煤低。氡气可以由地下深部迁移至地表，并可显示出层采空区：地层深部的地质信息。当煤系地层存在采空区时，由3．2．1反射波中断于采空区改变了地下地质体的应力状态，促使地质体煤层采空区造成反射波中断，同相轴变的不可追发生形变，从而改变了地下气体的运移与集聚环境，对踪，跨越采空区后，反射波恢复，同时由于采空区底板氡气的运移与富集起到了一定的控制作用。通过储岩层未遭开采破坏，仍能保持原有良好的反射波同相气、集气和通道作用，氡气向采空区运移，因此可在采轴而可连续追踪。地震时间剖面上反射波同相轴产生空区形成浓度很高的氡。由于氡气具有很强的垂直向中断、空白或绕射而不能连续追踪是识别采空区的重上运移能力，加之采空区顶部裂隙较发育，为氡的运移要标志提供了良好的通道，可在地表形成一个与采空区形态3．2．2反射波频率降低相应的氡异常区。因此，通过测量地表附近氡的浓度，煤层采空区引起的上覆岩层破坏对地震波的能量可准确圈定采空区的位置。在测氡剖面上，测氡曲线吸收衰减作用明显，导致地震时间剖面上反射波的频常表现为“高氡值异常”。率较低。在山西省阳城市某公路工程的勘察过程中，采用3．2．3反射波波形变化o活性炭测氡法对煤矿采空区进行了探测。为了解勘探采空区顶板围岩的破坏对地瑚震波的姗衰减作用还表区煤层采空的地球物理特征，在煤矿已知采空区上布现为反射波波形变的不规则、紊乱甚至产生畸变，而采设了s试验测线，将高吸附活性炭埋入地下40C1TI深空区底板则由于岩层保持相对完整而变化不明显。山西省晋城市某高速公路在勘测阶段，采用地震的坑中，待5～7d后取出，由活性炭测氡仪测量3min反射波法探测下伏煤矿采空区的分带隋况。根据反射记数，并对原始数据进行保存与处理。波组特征，对剖面范围内能量较强、连续性较好并可能在s线测氡剖面上，部分测点氡值在900计数范具有一定地质意义的各反射波组进行了对比追踪和层围上下变化，变化幅度较大，呈跳跃状，解释为煤矿采位标定，并定名为T1(中风化基岩底反射界面)、I2空区的反映。测氡曲线局部为相对低值变化段，氡值(弱风化基岩底反射界面)界面，如图3所示。在800个计数范围上下小幅度变化，为仪器在正常地从图3可以看出，煤层采空区异常(CH1—1、CH1层氡气背景值附近的正常统计起伏，属未采区的反映。—2)在时间剖面上多出现在100—200ms之间，表现两条典型测氡曲线Q和Q的测氡成果如图4所示。为反射波组的紊乱、断续，同相轴上凸下凹以及波组能其中，Q测线1～23号测点为高氡值异常段，氡量突变等特征。经钻探验证，CH1—1、CH1—2物探异值在700～1900个计数范围内起伏变化，变化幅度较常区域为煤层采空区。大，测氡曲线整体表现为高氡值异常相间，1～23点解3．3用活性炭测氡法探测煤矿采空区释为煤矿采空区，如图4(a)所示。Q测氡剖面上，在采空区探测中常用的放射性方法是氡气测量。1—18号测点为低氡值平缓变化段，解释为煤矿未采活性炭测氡法是氡气测量方法中一种静态、累积的测区，如图4(13)所示。这与搜集到的煤矿采空资料和钻氡方法，其原理是将活性炭吸附器埋于地下一段时间，探验证结果基本相符。 第8期林明安赵祖栋：公路工程下伏煤矿采空区物探方法研究GeophysicalandGeochemicalExploration，2008(6)：1OO661—664．900700[4]李士华，李忠社，王登元．高密度电法结合钻探在采空区50o勘查中的应用[J]．地质灾害与环境保护，2012(4)：81—85．士30o口LiShihua，LiZhongshe，WangDengyuan．Combining100昌900ntheHighDensityElectricityMethodwithDrillingtoL封700500ExploreGobAreas[J]．JournalofGeologicalHazardsandEnvironmentalPreservation，2012(4)：81—85．Q：测线点号[5]张胜，韩许恒，李秉强，等．高密度电法在采空区勘测中(a)测氡曲线Qz的应用[J]．灾害学，2005(4)：64—66．ZhangSheng，HanXuheng，LiBingqiang，etc．The2100ApplicationoftheHighDensityResistivitySurvey19001700SysteminSurveyingMined—outAreas[J]．Journalof籁1500Catastrophology，2005(4)：64—66．1300·≥1100[6]张华，陈小宏，刘松．地震勘探技术在公路采空区调查中900的应用[J]．地下空间与工程学报，201l(2)：371—374．增70050oZhangHua，ChenXiaohong，LiuSong．ApplicationofSeismicProspectingTechnologyininvestigationontheQs测线点号GoafunderHighway[J]．ChineseJournalof(b)测氡曲线QsUndergroundSpaceandEngineering，2011(2)：371—374．图4测氡曲线[7]徐国苍．浅层地震反射波法在采空区探测中的应用[J]．地质与勘探，2004(z1)：110—115．4结论XuGuocang．AnApplicationofShallowSeismicRenectionMethodtoDetectionofExhaustedZonesin(1)利用瞬变电磁法、地震反射波法、活性炭测氡Coalfields[J]．GeologyandProspecting，2004(z1)：法探测煤矿采空区是可行和有效的。110—115．(2)由于采空区自身的特殊性和地球物理方法的[8]王立会，潘冬明，张兴岩．三种探测煤层采空区的方法局限性、多解性，单一物探方法往往对地质异常体很难[J]．物探与化探，2008(3)：291—294．定性，因此采取多种方法相结合的综合物探技术显得WangLihui，PanDongming，ZhangXingyan．Three尤为必要。通过相互验证，提高采空区探测的准确性。TechniquesforDetectingUndergroundMined—-out(3)采空区勘察应采用资料搜集、地质调绘、物Areas[J]．GeophysicalandGeochemicalExploration，探、钻探等综合勘察手段，达到相互补充、相互验证的2008(3)~291—294．目的。[9]周海滨，李志华．困难地形条件下地震反射在煤矿采空区的技术研究[J]．铁道工程学报，2010(2)：18—21．参考文献：ZhouHaibin，LiZhihua．TechnicalResearchontheSeismicRenectioninCoalSeamGobunderDifficult[1]JTG／TD31一O3—2011，采空区公路设计与施工技术细则TerrainCondition[J]．JournalofRailwayEngineering[S]．Society，2010(2)：18—21．JTG／TD31一O3_2011．GuidelinesforDeignandConstructionofHighwayEngineeringintheMined—-out[10]吴成平，胡祥云．采空区的物探勘查方法[J]．地质找矿论丛，2007(1)：19—23．Area[S]．WuChengping，HuXiangyun．GeophysicalMethodson[2]潘瑞林．采空区物探方法新探[J]．铁道勘察，2010(6)：SurveyofMined—outArea『J]．Contributionsto23—26．PanRuilin．NewApproachesofGeoph3sicalGeologyandMineralResourcesResearch，2007(1)：19—23．ExplorationforMiningZone[J]．RailwayInvestigationandSurveying，2010(6)：23—26．[11]严易会，王洪．氡气测量在贵州煤矿采空区圈定中的应[3]杨建军，申燕，刘鸿福．测氡法和瞬变电磁法在探测煤矿用[J]．贵州地质，2013(1)：61—64．采空区的应用[J]．物探与化探，2008(6)：661—664．YanYihui，WangHong．ApplicationofRadonYanJianjan，ShenYan，LiuHongfu．TheApplicationMeasurementinCoalGapAreaDeterminationinofRadonMeasurementandTransientElectromagneticGuizhou[J]．GnizhouGeology，2013(1)：61—64．MethodinDetectionofCoalMineGoaf『J]．(编辑曹淑荣)