劉 波，高永濤，，金愛兵，，白 哲，鄧富根

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.北京科技大學(xué)金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

東露天礦是中煤平朔公司繼安太堡、安家?guī)X露天礦開發(fā)后的又一個(gè)大型現(xiàn)代化露天礦，設(shè)計(jì)能力20.0Mt/a。東露天煤礦一旦建成，將成為世界上單座剝采總量最大的露天煤礦，中煤平朔公司擬新建東露天煤礦專用線，連接?xùn)|露天礦裝車站與平朔支線，其在路網(wǎng)中有著重要意義和作用，遠(yuǎn)景輸送能力將達(dá)4000萬t/a，是北同蒲線集運(yùn)煤炭的穩(wěn)定可靠煤源點(diǎn)，是對(duì)大秦線擴(kuò)能后運(yùn)量來源的有力支持，在“三西”地區(qū)煤炭外運(yùn)鐵路網(wǎng)中有著重要地位。平朔東露天鐵路專用線橋基位于平朔礦區(qū)范圍以外，該地區(qū)由于早期民采無序，導(dǎo)致煤礦采空區(qū)的分布情況不明。隨著時(shí)間的推移，該部分煤礦采空區(qū)深埋地下，逐漸被松散沉積物覆蓋，而由于這些不明采空區(qū)的存在，導(dǎo)致橋基建設(shè)存在很大的安全隱患。平朔東露天鐵路專用線橋基涉及范圍大，服務(wù)年限長，對(duì)路基的穩(wěn)定性和變形有較高的要求。橋基下采空區(qū)一旦失穩(wěn)，將對(duì)生命、財(cái)產(chǎn)安全帶來巨大的損失。為了最大限度地減少采空區(qū)的安全隱患，針對(duì)上述實(shí)際情況，在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上[1-3]，對(duì)工程范圍內(nèi)的四座橋基進(jìn)行工程周邊采空區(qū)綜合物探是非常有必要的，本文將以四座橋基之一的趙家口3號(hào)橋?yàn)榱羞M(jìn)行詳細(xì)說明。

1 測區(qū)概況

1.1 工程概述

中煤平朔煤業(yè)有限責(zé)任公司新建東露天礦鐵路專用線工程，擬在DK7+437.11修建一座3～32m單線鋼筋混凝土梁橋，橋址位于趙家口水庫壩前和趙家口煤礦處。

1.2 工程地質(zhì)情況

橋址位于趙家口煤礦前的沖溝之上，地勢(shì)起伏較大，表面樹枝狀沖溝發(fā)育。

2 方法原理及工程布置

2.1 EH4電磁成像原理

EH4大地電導(dǎo)率成像系統(tǒng)是美國著名的Geometrics公司和EMI公司聯(lián)合研制的雙源型電磁/地震系統(tǒng)。儀器設(shè)計(jì)精巧、堅(jiān)實(shí)，特別適合地面2D、3D連續(xù)張量式電導(dǎo)率測量，在技術(shù)上率先突破傳統(tǒng)單點(diǎn)測量壁壘，走向電磁測量擬地震化、聯(lián)合2D、3D連續(xù)觀測和資料解釋，其測深可達(dá)1000多m。該系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用于地下水調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測、礦產(chǎn)與地?zé)豳Y源調(diào)查以及工程地質(zhì)調(diào)查等。

其原理主要是利用宇宙中的太陽風(fēng)、雷電等入射到地球上的天然磁場信號(hào)作為激發(fā)場源，又稱一次場，該一次場是平面電磁波，垂直入射到大地介質(zhì)中，由電磁場理論可知，大地介質(zhì)中將會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電磁場，此感應(yīng)電磁場與一次場是同一頻率[4]。地面電磁波發(fā)送到地下，電磁波在巖土中的傳播遵循Maxwell方程。

如果假設(shè)大多數(shù)地下巖土為無磁性物質(zhì)，并且宏觀上均勻?qū)щ?，不存在電荷積累，那么Maxwell方程就可簡化為：

(1)

(2)

式(1)和式(2)稱為亥姆霍茲方程。其中：

(3)

式(3)稱作復(fù)波數(shù)或傳播系數(shù)。這時(shí)可將K寫成K=α+ιβ。α稱為相位系數(shù)，β稱為吸收系數(shù)。在EH4測量的電磁波頻率范圍內(nèi)(0.1Hz～100kHz)，通?？梢院雎晕灰齐娏?，這時(shí)K進(jìn)一步簡化為：

(4)

由亥姆霍茲方程變化的磁場感生出變化的電場，我們有磁電關(guān)系：

(5)

表面阻抗Z定義為地表電場和磁場水平分量的比值。在均勻大地的情況下，此阻抗與入射場的極化無關(guān)，與地電阻率以及電磁場的頻率有關(guān)。

(6)

式中，f是頻率，ρ是電阻率，μ是磁導(dǎo)率。式(7)可用于確定大地的電阻率。

(7)

式中，ρ的單位是Ω·m，E的單位是mv/km，i的單位是nT。

對(duì)于水平分層大地，此表達(dá)式不再適用，用該公式計(jì)算得到的電阻率將隨頻率改變而變化，因?yàn)榇蟮氐拇┩干疃然蜈吥w深度與頻率有關(guān)。

(8)

式中，δ的單位是Ω·m。此時(shí)，由(8)式計(jì)算得到的電阻率稱視電阻率。在一個(gè)寬頻帶上測量E和H，并由此計(jì)算出視電阻率和相位，可確定地下構(gòu)造。

2.2 AGI高密度

高密度電阻率法是以不同巖土體之間導(dǎo)電性能差異為基礎(chǔ)，通過觀測和研究人工電場的地下分布規(guī)律和特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)解決各類地質(zhì)問題的一種勘探方法[5]。高密度電阻率法實(shí)質(zhì)是通過接地電極在地下建立電場，用電測儀器觀測因不同導(dǎo)電地質(zhì)體存在時(shí)地表電場的變化，從而推斷和解釋地下地質(zhì)體的賦存狀態(tài)，達(dá)到解決地質(zhì)問題的目的。和常規(guī)電阻率法一樣，它通過A、B電極向地下供電流I，然后在M、N極間測量電位差ΔV，從而可求得該點(diǎn)(M、N之間)的視電阻率值ρs=KΔV/I。根據(jù)實(shí)測的視電阻率剖面，進(jìn)行計(jì)算、分析，便可獲得地下地層中的電阻率分布情況，從而可以劃分地層，判定異常等。

2.3 探地雷達(dá)

探地雷達(dá)(Ground Penetrating Radar，簡稱GPR)方法是基于地下介質(zhì)的電性差異，向地下發(fā)射高頻電磁波，并接收地下介質(zhì)反射的電磁波進(jìn)行處理、分析、解釋的一種探測地下介質(zhì)分布的廣譜(1～2GHz)電磁技術(shù)。

探地雷達(dá)是利用高頻電磁脈沖波的反射來探測目的體，它通過發(fā)射天線向地下或目的體發(fā)射高頻寬帶短脈沖電磁波，經(jīng)過地下地層或目的體反射后返回地面，為接收天線所接收。電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其路徑、電磁場強(qiáng)度與波形將隨所通過介質(zhì)的電性質(zhì)及幾何形態(tài)的變化而變化。因此，根據(jù)接收到波的旅行時(shí)間、幅度與波形等資料，可探測地下介質(zhì)或目的體的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及目的體的埋藏深度等[6]。

探地雷達(dá)接收到的信號(hào)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換處理后送到計(jì)算機(jī)，經(jīng)過濾波、增益恢復(fù)等一系列數(shù)據(jù)處理后形成雷達(dá)探測圖像。探地雷達(dá)圖像是資料解釋的基礎(chǔ)圖件，只要目的體與周邊介質(zhì)中存在電性差異，就可以在雷達(dá)圖像剖面中反映出來，通過同相軸追蹤可以測定目的體的反射波旅行時(shí)間T。根據(jù)地下介質(zhì)的電磁波速V和反射波旅行時(shí)間T，由式(9)可計(jì)算目的層的深度h。

(9)

式中,h為目的層的深度；x為發(fā)射天線和接收天線間距；V值為介質(zhì)中的電磁波速度。

圖1為探地雷達(dá)發(fā)射探測基本原理示意圖，雷達(dá)圖形常以脈沖反射波的形式記錄，圖2為波形記錄的示意圖，圖上對(duì)照一個(gè)簡單的地質(zhì)模型，畫出了波形的記錄，在波形記錄圖上各測點(diǎn)均以測線的鉛垂方向記錄波形，構(gòu)成雷達(dá)剖面(GPR剖面)，經(jīng)過資料的后處理就可得到地下不同介質(zhì)的分布情況及介電常數(shù)變化面的位置等參數(shù)。

圖1 反射探測原理

圖2 雷達(dá)記錄示意圖

探地雷達(dá)的工作前提是探測對(duì)象與周圍介質(zhì)間存在著明顯的電性差異，雷達(dá)波在介質(zhì)中的傳播速度V與介質(zhì)的電磁性參數(shù)有式(10)近似關(guān)系。

(10)

式中,V為介質(zhì)中的電磁波速度；c為真空中的光速(m/ns)；εr為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；μr為介質(zhì)的導(dǎo)磁率。

2.4 工程布置

由于探測現(xiàn)場地形復(fù)雜，地貌凹凸不平、溝壑縱橫，另一方面一些平坦的工作現(xiàn)場擺放施工堆積物，占據(jù)了很多空間，致使一些測線不能布設(shè)，并影響探測的精度。根據(jù)現(xiàn)場復(fù)雜地形情況以及工作任務(wù)，選擇采用探地雷達(dá)、AGI高密度電法及EH4電磁成像系統(tǒng)相結(jié)合的綜合物探法，沿著橋梁兩側(cè)及橋墩之間進(jìn)行布線。趙家口3號(hào)橋共布置探地雷達(dá)測線70條，AGI高密度電法測線2條，EH4電磁成像系統(tǒng)測線4條。其中，在探測過程中使用的探地雷達(dá)天線為25MHz超強(qiáng)地面耦合天線(RTA)，探測深度范圍為30～40m，探地雷達(dá)使用比較靈活，測線布置覆蓋面廣，對(duì)測量環(huán)境要求低，在地形復(fù)雜、空間狹小的情況下都能布線測量。AGI高密度電法對(duì)測量場地環(huán)境要求高，必須要有寬闊的場地進(jìn)行布線，兩條測線極距都是4m，每條測線都采用偶極排列和溫納排列兩種方法測量，探測深度范圍為測線長度的1/6～1/5。EH4電磁成像系統(tǒng)對(duì)測量環(huán)境要求低，并具有較深的探測能力，其探測深度達(dá)1000m，測點(diǎn)單臂距離為10m，極距為20m。

3 探測結(jié)果解釋

從趙家口3號(hào)橋雷達(dá)探測反演結(jié)果可以看出，圖3中所標(biāo)A區(qū)域內(nèi)，雷達(dá)波反射信號(hào)強(qiáng)烈，但同相軸較連續(xù)，可能為不同巖土介質(zhì)分層。所標(biāo)B區(qū)域內(nèi)，上部有強(qiáng)的雷達(dá)波界面反射信號(hào)，在其下部仍有強(qiáng)反射界面信號(hào)，兩組信號(hào)時(shí)程差較大，推斷為疑似空區(qū)或溶洞。

圖3 趙家口3號(hào)橋25MHz天線異常雷達(dá)圖像

從趙家口3號(hào)橋AGI探測反演結(jié)果可以看出，圖4探測剖線反演圖中電阻率變化范圍在10.6～10000Ω·m，在距測線起點(diǎn)40m，埋深為10m和32m處有兩個(gè)明顯高阻異常體，這兩個(gè)高阻異常體均位于隧道口堆渣區(qū)西側(cè)附近。淺部異常為表層堆渣造成，深層異常位于橋墩附近，推斷疑似空洞或溶洞。

圖4 趙家口3號(hào)橋AGI測線3-2偶極排列反演結(jié)果圖

從趙家口3號(hào)橋EH4電磁成像系統(tǒng)探測反演結(jié)果可以看出，圖5中,電阻率自上而下逐步增大；圖5中100m以下地層范圍中電阻率梯度明顯增加，出現(xiàn)多處高阻異常區(qū)。在深度70m至90m范圍內(nèi)，電阻率梯度增加較緩，但也表現(xiàn)為逐步增加，推斷為疑似松散體影響導(dǎo)致的；在深度96m至105m及深度95m至120范圍存在明顯高阻異常體，推斷為疑似空洞或松散體影響導(dǎo)致的；考慮到采空區(qū)對(duì)橋梁的影響范圍，對(duì)于深度在100m以下的采空區(qū)不予考慮。

圖5 趙家口3號(hào)橋EH4測線3-2反演圖形

圖6中，電阻率自上而下逐步增大；在距測線起始點(diǎn)10m，深度30m至45m范圍內(nèi)地層范圍中電阻率梯度明顯增加，表現(xiàn)為高阻異常區(qū)，推斷為疑似空洞或松散體影響導(dǎo)致的，并且該高阻區(qū)域與AGI高密度電法的測線3-2剖面圖中的異常區(qū)域位置為同一區(qū)域。

圖6 趙家口3號(hào)橋EH4測線3-3反演圖形

4 結(jié)論

1)探地雷達(dá)法能夠獲得測區(qū)淺層高分辨率的雷達(dá)波形圖，在地形復(fù)雜、空間狹小的情況下都能布線測量，測線布置覆蓋面廣。高密度電法對(duì)淺層采空區(qū)具有較強(qiáng)的探測能力，并對(duì)低電阻敏感，但對(duì)現(xiàn)場環(huán)境要求嚴(yán)格。電磁成像系統(tǒng)對(duì)深層采空區(qū)具有較強(qiáng)的探測能力。三者綜合運(yùn)用，能夠互相補(bǔ)充、互相驗(yàn)證，提高了探測的準(zhǔn)確度和精度，基本查明了采空區(qū)的層位、分布和范圍。

2)物探成果解析必須掌握充分的已知地質(zhì)信息，排除各種干擾，才能得到正確的結(jié)果。

3)綜合勘探能提高勘探精度，減少多解性，是地球物理未來的發(fā)展趨勢(shì)，但實(shí)際工作中，往往因?yàn)榫C合勘探增加其成本，其可行性低，阻礙了綜合物探的發(fā)展。

4)綜合物探方法在平朔東露天礦鐵路專用線煤窯采空區(qū)的應(yīng)用實(shí)踐中，取得了令人滿意的成果，為后期有針對(duì)性地、有目的性地對(duì)采空區(qū)進(jìn)行治理提供了條件。

[1]劉海濤，楊娜，董哲，等.綜合物探方法在煤礦采空區(qū)探測中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào)，2011，8(3)：362-365.

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