高密度电法在工程采空区研判中的应用.pdf

云南水力发电YUNNAN WATER POWER281第 39 卷第 8 期0 引言采空区是地下工程施工面临的主要灾害之一，准确探明采空区分布特征对保障工程施工安全至关重要。以新疆某水渠工程为例，为查明渠底60 m 深度范围内是否存在采空区及其分布特征，在掌握测区地形地质条件与地球物理特征的基础上，采用高密度电法进行测线布设，数据采集、处理和反演，最终得出高密度电法反演推断成果图，并选取其中选取 3 条典型测试剖面进行成果分析，结果发现：3 处典型剖面均见异常；经钻孔验证，在不同孔深存在垮塌采煤巷道或采空区。在后续对水渠工程安全运行评价与维修期间，应重点关注采空区对工程和人员安全的影响。1 工程基本情况1.1 工程任务工程任务为查明新疆某水渠工程渠线桩号71+613 85+825 m 段渠底 60 m 深度范围内是否存在采空区，若存在，需探明其分布位置。为完成此任务，先后在实地进行物探测试工作，仪器设备包括 E60M 型高密度电法仪、SE2404EI 工程勘察检测仪、SIR-30E 地质雷达及笔记本电脑等，实际完成的物探工作量见表 1。高密度电法在工程采空区研判中的应用吴仁学（新疆水利水电勘测设计研究院勘测总队，新疆 昌吉 831100）摘要：以新疆某水渠工程为例，为查明渠底 60m 深度范围内是否存在采空区及其分布特征，在掌握测区地形地质条件与地球物理特征的基础上，采用高密度电法进行测线布设，数据采集、处理和反演，最终得出高密度电法反演推断成果图，并选取其中选取 3 条典型测试剖面进行成果分析，结果发现：3 处典型剖面均见异常；经钻孔验证，在不同孔深存在垮塌采煤巷道或采空区。关键词：采空区；高密度电法；钻孔验证中图分类号：P631.4；TD325.3文献标识码：A文章编号：1006-3951(2023)08-0281-04DOI：10.3969/j.issn.1006-3951.2023.08.068Application of High-density Electrical Method in the Study and Judgment of Engineering GoafWU Ren-xue(Xinjiang Institute of Water&Hydropower Engineering Investigation,Design and Research,Survey Team,Changji 831100,China)Abstract:This paper takes a certain canal project in Xinjiang as an example to investigate whether there is a goaf and its distribution characteristics within a depth range of 60m at the bottom of the canal.On the basis of mastering the topographic and geological conditions and geophysical characteristics of the survey area,high-density electrical method is used for survey line layout,data collection,processing,and inversion.Finally,a high-density electrical inversion inference result map is obtained,and three typical test profiles are selected for result analysis.The results indicate that anomalies are observed in all three typical profiles.After drilling verification,it has been found that there are collapsed coal mining tunnels or goafs at different depths.Key words:goaf;high-density electrical method;drilling verification收稿日期：2022-11-25作者简介：吴仁学（1991-），男，广西贺州人，工程师，主要从事水利水电工程物探勘测工作。*282云南水力发电2023 年第 8 期表 1 物探外业工作量表工作方法剖面长度工作量高密度电法23.9 km/64条97 141个极距点面波96 m/5条94个探地雷达80 m/6条1.2 测区地形地质条件工程测区位于新疆某河中下游河段，河谷宽阔，河谷南岸级阶地发育，北岸I、级阶地发育，北岸干渠沿线通过地貌单元为河北岸低阶地，山前丘陵区，黄土区和沙漠区。界梁子段属于山前丘陵区，地形起伏较大。出露的岩性表层为第四系全新统粉土，下部基岩岩性为侏罗系上统砾岩、砂岩、泥岩互层及煤层。1.3 测区地球物理特征据已有现场成果资料，采煤巷道一般存在于砂岩、砂砾岩层及煤层中，规模较小，宽 1 2 m，高 2 4 m 左右。测区主要分布地层为表层的原状黄土层、渠道回填碾压的黄土层，其电阻率呈相对低阻反映，电阻率 2m 15 m，横波波速 150 m/s 270 m/s；基岩主要为泥岩、砂砾岩、砂岩互层及煤层，其中泥岩、煤层的电阻率相对较低，在 18m 50 m，砂岩、砂砾岩及互层的电阻率差异不大，电性表现为相对高阻，其电阻率值 45m 150 m，横波波速 300 m/s 750 m/s。完整的巷道或未塌陷的空洞在反演图中呈相对高阻反映，一般为封闭圆形，电阻率值100m300 m，横波波速90 m/s150 m/s；塌陷或半塌陷的巷道、空洞，在反演图中呈相对高阻反映，异常区表现为有规律的半圆隆起向深部延伸，电阻率值 60m 200 m，横波波速 250 m/s 400 m/s。2 高密度电法的应用2.1 测线、测站与电极布设测线按设计要求布置，当设计的点位置遇到陡坎边、障碍物时，可在 1/2 测深点距的范围内将测点移到合适的地方。但必须使位置移动后的该测深点的所有极距及电极排列方向，仍能满足接地点精度要求1。测站与导线的布设：测站应布置在测点附近，且仪器、电源应分开置放且与测量电极有一定的距离；导线应尽可能远离输电线或通讯电缆，当必须通过时，应使导线与输电线方向垂直；导线一般应避免悬空架设，当必须架空时，应注意将导线拉紧；导线通过公路、铁路、村庄时，应架空、埋土或从地下穿过；在放收线缆过程中，宜边松边放或边收边绕，并随时查看线缆有无破损或扭结；破损处应及时包扎绝缘，扭结处宜放松理顺，阻卡收绞不动时，应及时查明处理，严禁硬拉硬拽2。电极接地：所有电极均应靠近预定接地点标志布设，电极偏离角度不应大于 3；电极埋设之后，应拔除可能触及电极的杂草3；当电极无法埋设于已布接地点时，可垂直放线方向移动，移动的距离应小于 AB/2 的 1/40，如沿放线方向移动，应小于 AB/2 的 1%，超过 1%应重新计算 K值4-5；金属电极必须垂直打入接地点，与土层密实接触，其入土深度，对长极距至少应为电极长度的 2/3；对短极距应大体满足点电源的要求，一般不应超过极距的 1/10，通过单根供电电极的电流宜不大于 2A6；随着电极距的增大，应尽量减小接地电阻，减小接地电阻的方法应根据客观条件优化选择。2.2 数据采集高密度电法测试采用 E60M 型高密度电法仪，工作方式采用温纳 排列倒梯形装置进行采集，采煤巷道测试采用 5 m 的电极距进行测试，对发现异常的部位再采用 2 m 或 3 m 的电极距进行加密测试，采空区测试采用 10 m 电极距进行测试，供电时间 1s，重复采集次数 3 次。高密度电法 装置数据采集剖面见图 1。2.3 数据处理与反演观测数据采用 RES2 高密度视电阻率反演软?图 1 高密度电法 装置数据采集剖面图吴仁学 高密度电法在工程采空区研判中的应用283件进行反演，首先利用 RES2 高密度电法数据反演软件对观测坏点进行剔除、修正，视电阻率值超大或超小不符合规律时仅作参考7；其次采用RES2 高密度电法反演软件，对数据进行反演处理，最后将数据处理结果转化成 DAT 文件格式并利用软件成图。编辑内容主要包括物探成果解释、地质及相关信息等，便于确认物探解释推断成果的可靠性8。高密度电法数据反演流程见图 2。?图 2 RES2 二维高密度反演流程图2.4 测试成果分析本次选取 3 处典型剖面（1-1、6-6 及 59-59剖面）进行详细分析。针对这 3 条高密度电法反演剖面图在横向和纵向的电性差异，寻找独立的高阻圈闭或相对高阻异常，查找地质资料，对并结合钻孔的验证情况，区分与钻孔对应岩性的电阻率值，从而识别剖面采空区、采煤巷道在高密度反演成果图上的位置及规模。2.4.1 1-1 剖面成果分析1-1 剖 面 起 点 位 于 渠 道 桩 号 75+991 m 附近，沿渠道中心轴线东西向布置，高密度电法反演推断成果图（见图 3）可得出：在剖面桩号 0+154.5 m（渠 道 桩 号 76+144 m）段 地 表 下25 30 m 左右处存在一相对高阻异常，该异常电阻率120170 m，是相邻岩体电阻率值的25倍，在该异常处布置钻孔 ZK3，孔深 0 7.8 m 岩性依次为砂砾岩、砂岩、含砾砂岩；7.8 28.3 m图 3 1-1 剖面 0+000 0+285m 段反演推断成果图图 4 6-6 剖面 0+000 0+435m 段反演推断成果图岩性为砂砾岩，其中 23.3 24.4 m 回水异常，清水钻进不返水，泥浆钻进回水亏损大，有垮孔、埋钻现象；孔深 25.5 26.4 m 钻进困难（7 h 进尺 0.7 m），孔深 25.5 28 m 取芯困难，在冲洗液带出的碎渣中夹有铁屑。沿 ZK3 向南平移 1m布置ZK5号钻孔，在23.225.5 m漏浆、取芯困难、在冲洗液带出的碎渣中夹有铁屑。结合 ZK3、ZK5初步判定 23.3 26.4 m 为已垮塌的巷道。2.4.2 6-6 号剖面成果分析6-6 剖面起点位于渠道桩号 76+366 m 附近，沿渠道以北的砂砾石连接路右侧东西向布置，高密度电法反演推断成果图（见图 4）可得出：在剖面桩号 0+125 m（渠道桩号 76+492 m）段地表下 11 20 m 左右处存在 1 相对高阻异常，该异常电阻率 50m 75 m，是相邻岩体电阻率值的 3 5 倍，在该异常处布置钻孔 ZK6，孔深 0 5.6 m 岩性为含砾土层、砂岩；7.2 20.1 m岩性为破碎砂岩，其中孔深 16 m 时出现不返284云南水力发电2023 年第 8 期水，漏水、不返浆（植物胶）现象，对该深度连续注水 30 min，孔口不返水，16 19.9 m 掉钻，推测为采煤巷道。剖面桩号 0+275（渠道桩号 76+648 m）段地表下 25 40 m 该异常电阻率 30m 50 m，是相邻岩体电阻率值的 2 5 倍，相对高阻异常，该异常电阻率50m 75 m，是相邻岩体电阻率值的3 5 倍，在该异常处布置钻孔 ZK21，经钻孔验证剖面显示的高阻异常为较完整粉砂质泥岩反映。孔深 0 10.9 m 岩性为粉土层；10.9 18 m 岩性为较完整粉砂质泥岩；18 22.5 m 岩性为完整泥岩；22.5 32.5 m 岩性为较完整粉砂质泥岩；32.5 43.2 m 岩性为较完整泥岩；43.2 50.4 m岩性为砂岩。2.4.3 59-59 剖面成果分析59-59 剖面起点位于渠道桩号 74+970 m 附近，沿渠道以北的空地东西向渐近平行渠道布置，该剖面是为查明渠道桩号 76+600 m 附近深部的采空区。高密度电法反演推断成果图（图 5）可得出：在剖面桩号 0+585 m（渠道桩号 75+557 m）图 5 59-59 剖面 0+000 1+030m 段反演推断成果图段地表下 90 100 m 处存在 1 个相对高阻异常，该异常电阻率 250m 300 m，是相邻岩体电阻率值的 3 5 倍，推测为青灰色砂岩反映。ZK39（渠道桩号 75+598 m 附近）根据煤炭院提供资料布置，经钻孔验证，孔深 0 9 m 岩性为粉末状白砂岩；9 45 m 岩性为土黄色砂岩，岩芯破碎，呈碎块状或散沙状；45 57.5 m 岩性为铁锈色、土黄色砂岩，岩芯破碎，呈碎块状或散沙状；57.5 63 m 岩性为较完整的粉砂质泥岩；63 98.5 m 岩性为青灰色砂岩，岩芯破碎，呈碎块状或散沙状；98.5 99.2 m 岩性为煤层，岩芯较破碎；99.2 118.2 m 岩性为青灰色泥质粉砂岩，岩芯较完整；118.2 132 m 岩性为泥质粉砂岩；132 148 m 掉钻，无岩芯；148 154 m 岩性为泥炭，154 170 m 岩性为煤层。4 结束语针对水渠工程渠底采空区及其分布特征探测的问题，进行高密度电法测试分析工作。选取的 3处典型剖面均见异常；其中，1-1 剖面 0+154.5 m处异常，经钻孔 ZK3 验证，在孔深 23.3 26.4 m为垮塌采煤巷道；6-6 剖面 76+492 m 处异常，ZK6 孔深 16 19.9 m 为采煤巷道；59-59 剖面76+598 m 处异常，ZK39 孔深 132 148 m 为采空区。电法测试异常与钻孔验证情况吻合。参考文献：1陈志伟.基于城市地质水资源调查的综合电法勘探技术应用研究以福建省三明城市地质调查为例J.能源与环境，2022,（1）:98-100+103.2黄启霖，尹努寻，杨武，等.一种改进的电法勘探技术在探测隐伏溶洞的应用J.贵州地质，2020，37（2）:199-208.3杨泽宇，周志浩，何俊杰.电法勘探在城区地面塌陷调查中的应用J.科学技术创新，2020,（25）:181-182.4安永兴，张德实.高密度电法在黔东地区勘查地下水的应用J.科学技术创新，2022,（17）:52-55.5李兆锋，杨宏智，魏杰，等.高密度电阻率法和被动源面波法在水库堤坝隐患辨识中的应用J.能源与环保，2022，44（5）:94-98+106.6董江鑫，王飞.地质雷达和高密度电法联合探测底板含水性的应用J.煤炭科学技术，2022，50（5）:222-231.7黄小年，郭高峰，张本涛.综合物探技术在隧道勘察中的应用研究J.公路，2022，67（5）:22-25.8杨春利，祖志明，蔡学锋，等.高密度电法在高速公路不良地质体勘察中的应用J.西部探矿工程，2022，34（4）:148-150+153.