地球物理探测技术在北京门头沟小窑采空区勘查中的应用

2010-05-25赵忠海

中国地质灾害与防治学报 2010年1期

赵忠海

（北京市地质研究所，北京 100120）

门头沟是北京地区的主要产煤区，其采煤历史悠久，煤窑众多，这当中有老窑，也有新窑；有国矿，也有私企，此外还有许多私人盗采的小窑。大量的煤层被部分或全部开采，在区内地下的不同层位留下了大量的采空区，特别是那些私人盗采的小窑，由于条件所限，采的都是浅层煤，且开采无序，缺乏安全意识，甚至连安全煤柱都没有预留。有些采空区距地表的深度不足30m，如1988年区内红叶鞋厂建楼时所施工的4个浅震异常验证孔，见空深度分别为20.41m、26.27m、20.88m 和 25.56m。［1］

采空区的变形破坏可在地表造成比较严重的地面塌陷、地裂缝及滑坡等灾害，对人民群众的生命财产安全构成了较大的威胁，特别是小窑采空区，因其距地表较浅而危害更大。故查明小窑采空区的分布情况，对区内城镇和新农村的规划、建设和经济发展十分必要。

1 采空区的变形特征

一般情况下，采空区的变形破坏在垂直方向上可分为“三带”：（图1）

（1）垮落带：煤层采空上部岩层出现坍落；

（2）断裂带：坍落带上方岩体因弯曲变形过大，在采空区上方产生较大的拉应力，两侧受到较大的剪应力，因而岩体出现大量裂隙，岩石的整体性受到破坏；

图1 煤层采空区变形破坏垂直“三带”示意图Fig.1 Cross section of deformation of the gob area

（3）弯曲带：断裂带以上直到地面，在自重应力作用下产生弯曲变形而不再破裂。

如果采空区较深、煤层较薄、上覆岩层坚硬，则坍塌的可能性较小，即使下部发生坍塌，上部弯曲带的变形也较小，对地面的影响不大；反之，则对地面的影响较大。

2 采空区的地球物理特征

煤层被开采后形成采空区，破坏了原有的应力平衡，当开采面积较小、煤层顶板为塑性岩层并保存完整且预残留煤柱较多时，应力转移到煤柱上，未引起地层变形破坏，采空区以充水或不充水的空洞形式保存下来；但对于大多数小窑，由于很少预留安全煤柱，采空区多在重力和地层应力作用下，顶板塌陷、垮落，形成垮落带、断裂带和弯曲带。故区内煤层采空区通常具有以下地球物理特征。

2.1 采空区的地震波特征

2.2 采空区的电性特征

2.2.1 电阻率特征

当煤层被采空后，短期内形成一定规模的充气空间，造成采空区的电性与围岩的电性不同；经过一段时间后，采空区上方岩层在重力作用下发生塌陷变形，致使岩层破碎并出现裂缝，地下水便沿破碎岩层和裂缝向采空区汇集并溶解大量的电解质，在水解作用下，岩层中的钙、铁离子等呈游离状态存在，故充水采空区具有低阻高极化率的电性特征；由于垮落、断裂及离层现象的存在，围岩具有高电阻率、低极化率的电性特征，且形变越大，电阻率越高；当断裂带未充水时，呈现高阻特征，充水时呈现低阻特征，据此可圈定充水采空区的边界范围。

2.2.2 电磁波特征

采空区垮落、塌陷后，塌落区岩体介质较松散，在应力拱的作用下，还可能存在一定规模的断裂，这导致采空塌落区存在两个界面：一个是岩体介质与空气或地下水的界面；另一个是致密岩体与松散岩体的接触界面。这两个界面都存在明显的电磁性差异，可导致电磁波（如雷达波）在传播过程中产生反射，产生明显的反射界面。利用这一特性，即可圈定出采空区的分布范围，确定其埋深。

瞬变电磁异常在采空区表现为低阻、高感应、高纵向电导等特征。［2］

3 采空区的地球物理勘查

针对北京门头沟地区小窑采空区的变形特征及地球物理特征，在门头沟王平镇南港村一带地下采空勘查及门城镇棚户区改造项目前期勘查工作中，先后采用了浅层地震反射波法、高密度电阻率法、大地电磁测深法以及探地雷达法等探测区内小窑采空区的分布情况，取得了较好的效果。

3.1 浅层地震发射波法在小窑采空区勘查中的应用

该方法主要优势是不受高压线等强电磁场的干扰，可在测线控制范围内探测至地下10～300m以浅的深度范围。

本次探测采用的是德国的SUMMITⅡplus地震仪，使用液压重锤震源，激发点距为2m和4m，检波点距为2m，接收道数为48道。

采集的地震数据在施工现场进行初步处理和分析后，再根据本区的地震地质特点、地质任务要求以及原始资料质量等，使用Sun Blade 2000工作站进行切除、校正、滤波以及速度谱分析等室内技术处理。图2是在门头沟龙泉镇东龙门一带采用浅层地震反射波法所探测到的一条时间剖面，从中可以看出，70m以上波形稳定；70～90m处地震反射波不连续，波形特征与两侧明显不同，可能为下部煤层采空后塌陷所造成的；100m以下反射波杂乱无章，连续性差，说明煤层的横向稳定性被破坏，存在采空区。经钻探验证，在100m左右见塌陷破碎现象。［3］

3.2 高密度电阻率法在小窑采空区勘查中的应用

高密度电阻率法是常规电阻率法的一个延伸，就其原理而言，与常规电阻率法完全相同。高密度电阻率法的优势在于它是一种阵列勘探方法，是多种排列的常规电阻率法与资料自动处理相结合的一种综合方法，它可以实现数据的快速采集和微机处理，从而改变了电法勘探的传统工作模式，大大提高了工作效率，使电法勘探智能化。

图2 采空区地震反射波波形剖面图Fig.2 Seismic reflection waveform profile of the coal-mined area

本次探测采用的是美国Advanced Geoscience Inc公司的SuperSting R8高密度电阻率法法仪，电极间距10m，以对地下采空区反映比较直观的α排列（温纳装置AMNB）为主，辅助以其它排列，对测线控制范围内的10～100m以浅深度范围内的地下采空区进行探测。

图3是在门头沟王平镇南港村一带采用高密度电阻率法探测到的采空区电阻率断面示意图，图像清晰地反映出了煤层采空区及其上覆岩层移动、破坏和离层现象的电阻率异常特征：在水平160～220m、垂向-40～-80m（GA1）及水平420～440m、垂向-8～-25m（GA2）处见高阻异常，中心处视电阻率达9000Ω.m以上，这是典型的采空区异常电性特征，推断该煤层已被采空，为采空区；其上的高阻异常，则推断为上覆岩层塌落所致。

图3 采空区电阻率断面图Fig.3 Resistivity section of the coal-mined area

3.3 大地电磁测深法在小窑采空区勘查中的应用

大地电磁测深法是频率域电磁法，不同频率的电磁波具有不同的探测深度，频率越低，探测深度越大。本次探测采用加拿大的V8型多功能电法仪，使用天然源与人工源进行测试。采用8H30频率系列，最大信号频率15300Hz，最小信号频率17Hz，共80个频率。测点间距20m。可探测测线控制范围内30～300m以浅深度范围的采空区。

采集的数据经地形校正、增益调整和滤波处理后，得到电阻率-深度剖面图。在电阻率-深度剖面图上，采空异常区将呈现明显的高、低阻异常，可以等值线方向变化较大或视电阻率拐点部位作为异常边界。

图4是在门头沟王平镇南港村一带采用大地电磁测深法探测到的采空区视电阻率-深度剖面图，图中水平145～155m、标高-10～-20m（DA1）及水平185～195m、标高-15～-35m（DA2）处见有高阻异常，推断为煤层开采后上覆岩层发生垮落和变形破坏，改变了原来地层的连续性，产生了大量的离层、空洞和裂隙等，是典型的采空区异常电性特征。

图4 采空区视电阻率-深度剖面图Fig.4 Visual electro resistivity-depth profile of the coal-mined area

3.4 探地雷达法在小窑采空区勘查中的应用

探地雷达法是一种用于确定地下介质分布的广谱（1MHz～1GMHz）电磁波技术，利用一个天线发射高频率短脉冲宽频带电磁波，另一个天线接收来自地下介质界面的反射波，电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化，故可根据接收到波的旅行时间（亦称双程走时）、幅度与波形、相位等资料，探测介质的结构、构造与埋设物。探测时可根据不同的勘探对象和地质条件选择不同频率的天线和探测方式。

本次探测采用的是加拿大产pulse EKKOⅣ型探地雷达，探测以50MHz天线为主，现场狭小处使用100MHz天线补充探测。天线间距3m，测点距1m，采样时窗800ns，采样间隔1600ns，发射电压1000V，叠加次数32次，可在测线控制范围内探测30m以浅深度范围内的采空区。

采集的数据通过加减道、水平比例归一化、增益调整、地形校正、滤波及二维偏移归位等技术处理后，生成彩色波形剖面图。在雷达剖面图上，当煤层采掘深度范围内出现明显的雷达波强反射异常，同相轴连续性被破坏时，可推断为采空异常区；当煤层采掘深度范围以上雷达波反射紊乱时，可推测为采空区上部的围岩破碎和塌落；当雷达波同相轴出现“V”字形时，可推测为采空区上方的地层有弯曲下沉现象；而充水的采空区会使雷达波能量减弱，明显有别于围岩。

图5是门头沟王平镇南港村一带采用探地雷达法探测到的采空区雷达波形图，图中水平45～105m、标高-10～-25m（TA1）处有“V”字形地层下沉和空洞多次反射波行，推断该段煤层已被开采，为采空区，且采空区上方岩层已经垮落。［4］