铁路煤矿采空区的综合物探研究

２ 采空区勘察原理及效果
２ ． １ 地震反射波法 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。采空区引起的上覆岩层破坏对地震波有很强的 吸收频散衰减作用， 使反射波频率降低， 破碎围岩及 裂隙对地震波衰减还表现为反射波波形变得不规 则、 紊乱甚至产生畸变， 在地震时间剖面上反射波组 的中断或消失， 同时煤层顶部结构的不规则破坏， 也 将产生各种低频干扰。 在准朔线某煤矿采空区勘察中， 针对部分采空 区的埋深较大， 采用炸药震源地震反射法进行勘察，
随着我国经济发展和能源需求快速增长， 煤炭 运输成为制约经济发展的瓶颈。而煤矿大面积采空 区和煤炭资源压覆成为控制选线的主要因素。其原 则是在选线过程力求从工程地质角度出发， 在充分 考虑煤矿采空区对铁路安全影响的基础上， 尽可能 考虑地方经济利益， 减少压覆煤炭的数量。避开煤 炭大面积采空区和规划区， 线路走在深部勘察区。 由于采空处理难度极大， 处理费用极高， 并且采 空区的复杂性， 工程处理后也很难保证铁路的运营 安全， 会给铁路的运行留下无法估量的安全隐患。 由于采空边界的不确定性， 加之各种小煤窑的滥开 滥采、 越界开采， 导致许多隐性采空区的存在； 铁路 线路穿越采空区； 铁路的安全仍难以保证； 这就要求 对采空区的稳定性、 位置、 范围、 边界等进行勘查， 以 圈定煤矿采空区。
第 ３ ６卷增刊 ２ ０ １ ２年 １ ０月
物 探 与 化 探
Ｇ Ｅ Ｏ Ｐ Ｈ Ｙ Ｓ Ｉ Ｃ Ａ Ｌ＆Ｇ Ｅ Ｏ Ｃ Ｈ Ｅ Ｍ Ｉ Ｃ Ａ ＬＥ Ｘ Ｐ Ｌ Ｏ Ｒ Ａ Ｔ Ｉ Ｏ Ｎ
Ｖ ｏ ｌ ． ３ ６ ， Ｓ ｕ ｐ ｐ ． Ｏ ｃ ｔ ． ， ２ ０ １ ２
铁路煤矿采空区的综合物探研究
优势： ①能穿透高阻覆盖层； ②对低阻异常较敏 感； ③可作为其他方法确定的含水异常较合适的验 证技术。 劣势： ① 瞬变电磁基础理论还没有得到有效突 破， 基于基础理论的处理软件不是十分成熟； ②其精 度还能完全满足勘察的需求， 但需深入研究 ③ 现为 成熟的大回线装置， 多数铁路勘察区进行瞬变电磁 效率低， 费用大， 受电磁干扰大； ④ 相对于铁路线性 勘察， 还需研究像相对激电装置的采集及处理技术。 ２ ． ６ 天然放射性氡气 氡元素在地壳中分布分散， 但它具有亲水、 亲氧 特性， 日积月累， 地层中氡元素贫化， 空隙和水中相 对富集。长期的地质、 地球化学作用， 覆盖层中毛细 作用、 扩散、 蒸腾等将使隐伏断层、 采空区上部的覆 盖层中显示出放射性异常。测量方式为抽气法、 活 性炭被动吸附等， 异常的幅度与断层或采空区的规 模、 性质、 地层的岩性、 覆盖层的松散性等有关。通 过现场测试和数理统计， 确定正常场和异常场， 由此 判定探测区域是否有采空区。 实例 １ ： 抽气法采空典型实例。测区位于山西 柳林城中的三川河， 河中有水， 三川河床经人工修 整、 平坦， 横断面呈 Ｕ形， 河床坡度小于 １ ° ， 河水流
１ 铁路采空区勘察技术难点
（ １ ） 铁路选线的时效性， 必须采用满足精度要 求且效率高的方法。现在加上作为地震震源炸药受 到较大的限制， 勘察时间较长的物探方法受到限制， 如三维地震到目前为止还没有在铁路勘察采用， 多 为宽线 ３至 ５线的勘察。 ２ ） 铁路线路为线性的， 所以采空区勘察就是 （ 要围绕线位附近特定的区域开展工作， 不可选择性 给勘察带来了很大的困难。如线路穿越乡镇、 乡镇 附近和地形条件较差等影响较大区域的如何进行勘 察。 （ ３ ） 采空区区域多分布有高、 低压电力线， 较强
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物 探 与 化 探
３ ６卷
图４ 桑树坪采空区天然源大地电磁勘察成果
率高、 面积大， 并引起地面沉降的采空效果明显。但
ａ —Ｃ Ｓ Ａ Ｍ Ｔ剖面； ｂ —３号测线测氡； ｃ —３号测线偏 ２ ０ｍ测氡
对于采空的规模小、 没有引起地面变形的采空从报 道的文献还没有好的效果。采集和处理宜采用两个 方向的数据。 优势： 成果 ① 受地形的影响小； ② 工作效率高、 直观； ④勘察采空边界有一定的优势。 劣势： ①数据处理人员技术水平的要求高； ②在 现有的处理技术基础上开发自有处理技术； ③ 电磁 干扰； 其他成 ④资料的解释要充分与采空调查资料、 果的资料等综合分析确定。 ２ ． ５ 瞬变电磁法 瞬变电磁法是向地下发送一次脉冲磁场的间歇 期间， 观测由地下地质体受激引起的涡流产生的随 时间变化的感应二次场， 二次场的大小与地下地质 体的电性有关： 低阻地质体感应二次场衰减速度较 慢， 二次场电压较大； 高阻地质体感应二次场衰减速 度较快， 二次场电压较小。根据二次场衰减曲线的 特征， 就可以判断地下地质体的电性、 性质、 规模和 产状等。其探测装置为大回线、 重叠回线装置等。 实例 １ ： 大西客专洪洞采空区。含煤地层为石 炭、 二叠系， 特点为煤层层数多， 厚度差异大， 分叉尖 灭现象普遍。地形条件复杂， 地形切割强烈， 通行较 为困难。起伏切割的地形对观测和源的布置造成很 大困难。沿线分布有低压电力线， 对测量将造成干 扰。后期小煤矿开采， 导致地表水体漏失严重。 理论依据： 采空区的存在破坏煤层、 其他岩土层 的连续性， 有的也可能影响到上覆岩层的完整性， 这 也会破坏电阻率等值线在水平方向的连续性。解释 依据： 等值线的不连续， 等值线下凹， 表现为低阻异 常。（ 非高阻异常） ， 旁边就有煤矿正在开采， 推断
收稿日期： ２ ０ １ ２－ ０ ８－ ３ ０
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李志华： 铁路煤矿采空区的综合物探研究
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依据物探结果揭示了原圈定的采空边界以外存在采 空区的现状。后线路改线， 为线位地质选线起到了 关键的作用， 有效地减少了深孔数量。依据物探成 果在 ５ ５号点处布设的钻孔验证了在深度 １ ３ ７～ １ ４ ２ 图１ ） 。 ｍ存在采空区（
地震反射波法优势在于二维的地震勘探施工效 率高、 精度基本满足勘察需求。 地震反射波法劣势： ① 在复杂地形区取得精度 较高的数据难度很大； ② 在煤系地层采空数据处理 中， 煤层是强反射层， 数据处理往往以此为标志层进 行处理， 采空区往往与煤层缺失、 小构造等， 交织在 一起的， 可信度低。③炸药的限制， 使得勘察的时间 和成本都大幅增加， 对铁路采空区勘察造成很大的 影响。④采空埋藏深度越来越大使地震勘探的可信 度下降。 ２ ． ２ 高密度地震（ 地震映像） 高密度地震是基于反射波法中最佳偏移距技术 发展起来的。地震高密度时间剖面图中各波的时序 分布关系与形态特征反映了地层地质特征， 根据剖 面图中各个波组同相轴能量变化、 频率变化、 振幅变 化等物理现象来判断采空、 断裂等。即依据高密度 地震资料在运动学和动力学方面的变化特征来分析 地下介质的非连续性和各向异性变化。从而推断采 空、 断裂等。 采用单点激发， 单点接收。高密度地震在资料 处理过程中不进行校正处理， 避开了动校正对浅层 反射波的拉伸、 畸变影响， 可以使反射波的动力学特 征全部保留， 地震记录的分辨率不会受影响； 由于每 个记录道都采用了相同的偏移距， 地震记录上反射 波的动力学特征主要为地下地质体的反映， 可直接 对资料进行解译。 三院物探多年来对高密度地震采用的仪器设 备、 数据野外采集、 数据处理等都进行了详细的研 究， 并总结出了规范的的实施细则， 取得了可有效解 ０ ０ｍ以内采空区的勘测。 决复杂山区浅部 ２
李 志 华
（ 铁道第三勘察设计院集团有限公司 地路处， 天津 ３ ０ ０ ２ ５ １ ）
摘 要：铁路采空区勘察有工期紧、 精度高、 勘察费用控制适度等特点， 经过多年的探索研究实践， 研究了各方法在 目的体异常、 探测深度、 抗工业游散电流干扰、 兼顾效果与效率等方面的优缺点， 初步总结出了有效工作方法和模 式， 可以较好解决采空区分布范围， 节省了大量的深孔， 为线路方案优选和处理提供可靠的技术资料。综合物探技 术已成为解决采空工程地质问题的首选技术。 关键词： 采空区； 勘察模式； 综合物探 中图分类号：Ｐ ６ ３ １ 文献标识码：Ａ 文章编号： １ ０ ０ ０－ ８ ９ １ ８ （ ２ ０ １ ２ ） Ｓ １－ ０ ０ ２ ０－ ０ ７
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Ｄ Ｐ １ １测线 ８ ０～ ２ ６ ０ｍ 段深 １ ０ ０ｍ 左右为采空区 （ 图５ ） 。 实例 ２ ： 重叠回线装置实例。图 ６中圈状的为 圈定的采空区。所画的采空区很牵强、 随意、 解释结 果依据不充分， 可信度差。这样的装置还不成熟。
图２ 高密度地震成果
完整基岩纵波波速较高， 但当其因采空发育时， 其波阻抗明显降低， 在地震资料上形成绕射波等异
图１ 准朔线某煤矿采空区地震反射法成果
常波， 同相轴会发生错段、 畸变， 频谱会发生变化。 同相轴呈弧形或发生错断， 反射波能量增强， 出现 “ 低频振荡” 异常特征（ 图２ ） 。 优势： 工作效率高； ① 外业施测简便， ② 受地形 影响小； ③数据处理简单； ④成果直观。 劣势： ①勘探深度有限； ②采空区的埋深数据可 信度低； 地表覆盖层为松软时 ③在地表为风化岩石、 效果差， 往往异常较多。 ２ ． ３ 人工源大地电磁法（ Ｃ Ｓ Ａ ＭＴ ） 人工源大地电磁法是通过分析地面观测到的有 人工可控制的电磁波信号在地球介质中激发的电磁 波场的数据来达到勘探地球内部导电性结构的目 的。其工作频率一般从几万赫兹到零点几赫兹。其 勘探深度一般从浅表至地下 １５ ０ ０ｍ 。人工源大地 电磁法利用物性条件是岩土层的电性差异， 可以得 到有关地电分层、 电阻率的横向变化等信息， 定性或 定量地提供采空、 岩性变化、 构造异常等资料。 大地电磁成果分析。在 ３号测线 ６ ２ ５～ ７ ５ ０处， 煤层线附近存在高阻异常闭合圈， 推断存在采空异 常。如图 ３ ａ 所示。从 ３号测氡曲线（ 图３ ｃ ） 可以看 出： ０～ ６ ７ ５号点 氡 值 变 化 不 大， 只 有 个 别 较 高， 而 ６ ７ ５～ ７ ５ ０段的氡值较前段明显偏低， 推断采空区的 反映。从 ３号测线偏 ２ ０ｍ 测氡曲线图 （ 图３ ｄ ） 显 ０～ ５ ８ ７ ． ５号点氡值变化平稳， 计数大多超过 ８ ０ ０ 示： 个计数 ／ ３ ｍ ｉ ｎ ， 应为正常区的反应； ６ ０ ０～ ７ ２ ５号点氡 值大多超过 ８ ０ ０个计数 ／ ３ ｍ ｉ ｎ ，且起伏较大， 地面显 示存在明显的地裂缝， 推断采空区的反映。综合大 地电磁和测氡法成果， 并结合采空调查资料推断在 ３号测线 ＋ ６ ２ ５～ ７ ５ ０处此存在采空异常。 太中银线某采空区， 但由于煤层与顶、 底板围岩 的电性差异较小， 但采空范围较小， 再加之仪器的频