Application of Integrated Geophysics Method in Goaf Detection Under High Voltage Overhead Lines
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摘要:
利用物探方法准确高效地探测输电线路下方采空区的位置和范围对电网安全、稳定地运行具有十分重要的意义。根据采空区的地球物理性质，常使用电阻率法、电磁法、地震法等对其进行探测，但是，由于工区的干扰以及物探资料解释的多解性，单一的探测方法常常难以取得理想的效果。本文综合利用电测深法和浅层地震反射方法对高压架空线路下方采空区进行探测，研究表明电阻率法和地震法互相验证和补充，有效减少单一物探方法解释时的多解性，提高探测的分辨率和解释成果的可靠程度，为圈定采空区提供有效的依据。
Abstract:It is very important for the safe and stable operation of power grid to detect the location and scope of mined-out area under transmission line accurately and efficiently by comprehensive geophysical method. According to the geophysical properties of goaf, resistivity method, electromagnetic method and seismic method are often used to detect goaf, but due to the actual interference and geophysical multi-solution, a single geophysical exploration method is often difficult to achieve ideal results. In this paper, the symmetrical quadrupole section resistivity method and shallow seismic reflection method are used to detect the mined-out area under the high-voltage overhead line. The study shows that the resistivity method and seismic method are mutually validated and complementary, which effectively reduces the multi-resolution of single geophysical method interpretation, and improves the detection resolution and the reliability of interpretation results. It provides an effective basis for delineating goaf.
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采完地下矿产后，撤离了支护设施留下的大面积空腔称为采空区。采空区受到重载车辆等外部作用后十分容易发生形变，从而引起上部岩体出现裂缝、沉降、垮塌以及滑坡等地质灾害，极大地危害了生命财产安全和生态环境[1]。
由于近年来能源工业的迅速发展使得采空区的范围越来越大，而在采空区上架设输电线路常常出现倒塔、杆塔倾斜、塔材变形、拉线崩断等各类事故，造成经济损失和人员危害。因此，高效准确地圈定采空区的范围具有十分重要的意义[2]。
当前，物探方法已经是采空区探测最有效的方法之一。音频大地电磁法（AMT）、可控源音频大地电磁法（CSAMT）、瞬变电磁法（TEM）、电测深法、高密度电阻率法、浅层地震反射法等均已广泛应用于采空区探测中[3-7]。但是，应用物探方法在输电线路下方采空区探测时，由于探测区域多位于输电线路附近，较强的电磁噪声干扰会影响音频大地电磁法、可控源大地电磁法、瞬变电磁法等电磁法探测方法的探测效果[8]。
本研究在薛家湾官板乌素煤矿附近，选择两个具有代表性的高压架空线路开展了地下采空区探测试验。方法选用电阻率垂向电测深法（以下简称电测深）、浅层地震反射法，取得较好的探测效果，为输电线路的塔基位置确定提供了重要参考依据。
1. 官板乌素煤矿区采空区概况
官板乌素煤矿位于鄂尔多斯准格尔东部的黄土高原，因水流的向源冲蚀作用地貌变得十分复杂，形成树枝状冲沟，沟谷纵横、沟深壁陡，切割为支离破碎的地形，地表为固结黄土与风积沙，区域海拔标高在870～1366 m之间，高差496 m。煤矿东部地表由于采空区影响出现大量拔缝和塌陷，海拔标高在1172～1261 m之间，高差89 m[9]。典型地貌塌陷见图1。
官板乌素煤矿位于准格尔煤田北部，煤田地层沉积序列与华北石炭二叠纪各煤田基本相似，地层区划属于华北地层大区、鄂尔多斯地层分区和准格尔地层小区。区内沉积的地层从老至新有：寒武系（Є）、奥陶系中下统（O1-2）、石炭系上统太原组（C2t）、二叠系下统山西组（P1s）、二叠系下统下石盒子组（P1x）、二叠系上统上石盒子组（P2s）、二叠系上统石千峰组（P2sh）、三叠系下统刘家沟组（T1l）、三叠系下统和尚沟组（T1h）、白垩系下统志丹群（K1zh）、第三系红土层（N2）、第四系黄土层及风积砂（Q）。
官板乌素煤矿有可采煤层3层：3、6-1及6号煤层，煤层埋深大致在150 m至300 m左右。本次试验区域采空区埋深均在150 m至200 m左右（图1）。
2. 物探方法在官板乌素煤矿区工区应用
2.1 工区地质、地球物理特点和物探方法选择
根据工作任务和工区的地质和地球物理条件，选择了浅层地震反射法和电测深法。
煤层是一种连续、稳定的沉积矿床，且具有低速度、低密度的物性特征，与其围岩存在着明显的波阻抗差异，是一种良好的物性界面。当煤层具有足够厚度时，便可形成良好、连续的地震反射波[10]。但煤层及其顶板遭受破坏后，其形成的采空区自然坍塌，坍塌后的地层层序被改变，引起上覆地层松散。具体在地震剖面上的相应特征主要表现为：反射波信噪比降低、连续性变差；反射波紊乱，杂乱无章；反射波动力学特征突变，如振幅突然消失、频率明显变低，反射波组时间上的滞后、延迟，同相轴形成下凹，致使采空区破坏区边界附近出现产状突变，甚至出现同相轴错断现象[11]。上述煤层与其顶、底板存在着明显的波阻抗差异，在无采空区存在的情况下能形成稳定的地震反射波，这也是解释煤层采空区的主要依据。
正常情况下地层在完整无破碎时其横向上电性相对均一、差异应较小，但随着同一地层破碎和积水程度的不同，其电性曲线上与围岩相比有明显的异常点。当岩层因为采煤而造成采空，引起上覆地层塌陷时，电阻率就会迅速变化：不充水的采空区，电阻率明显高于岩层的电阻率；充水的采空区，电阻率明显低于同一层位岩层的电阻率。这一电性差异是我们利用电法寻找同一地层中采空及采空积水异常的基础和依据。
2.1.1 电测深法
电测深法采用固定极距的电极排列，沿测线逐点供电和测量，获得视电阻率剖面曲线，以了解地下一定勘探深度内沿测线水平方向上岩石的电性变化。电测深法在一个测点上只观测一个视电阻率数据，对异常分辨能力强、异常明显同时抗干扰能力强，能有效压制50 Hz工业电流干扰，电阻率四极测深工作示意图见图2。
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图 2 电阻率四极测深工作装置示意图（图中A、B为供电电极，M、N为测量电极）Figure 2. Schematic diagram of resistivity quadrupole sounding working device (A and B are power supply electrodes, M and N are measuring electrodes)因此在一个测区的电阻率法勘探中常用于扫面，以便快速、经济地获得一个测区地电构造分布的整体信息，确定地电不均匀体的轮廓，但受地形条件及接地条件影响较为严重[12-15]。通常使用电阻率四极测探法，示意图见图2。
2.1.2 浅层地震反射法
地震勘探方法利用的是岩石、矿物（地层）之间的弹性差异。地震勘探是由人工激发的地震波，其穿过地下介质运动、遇到弹性分界面返回地面，使用专门的仪器接收地震波，得到地震记录。对得到的数据进行处理、解释，从而得到地下介质赋存的情况。该方法由野外资料采集、室内资料处理及室内资料解释三部分组成。该方法可用于地基、坝址稳定性评价；隧道勘测；寻找石油和天然气等。
目前，地震勘探技术正在飞速发展，仪器方面向高采样率、超多道发展；野外工作方法则发展为非炸药震源、多次覆盖观测等，勘探结果分辨率高。数据处理方面，也在不断进步，发展人机联作的处理、解释系统[16-19]。
2.2 工区测线布设和信息采集
2.2.1 测线布设
已有地质资料显示，本区地层倾角较小，对于浅层二维地震布线方向没有影响，故地震勘探的测线方向基本平行于勘探区长边界布置，中间激发。在布设测线时，要考虑采空区的深度、尽量选择地层起伏较小，表层介质较为均匀的地段，测线应垂直于已知采空区。
电测深法的测线方向与地震测线方向平行。所有测线，起点均为西北方向，终点均为东南方向。工区测线布设情况见图3。
2.2.2 数据采集
利用国产TD3型数字电测深仪进行数据采集，该仪器的测量精度较高，且电压分辨率与电流分辨率也较高，分别为0.004 mV、0.004 mA。野外工作时，保证测量电极MN极距基本不变。供电电极AB极距由小逐渐变大，沿着剖面方向移动，探测深度由小变大。逐点观测视电阻率。选用的装置为四极电测深装置。将探测结果与已知资料对比可发现，该方法的探测效果较好。
本次地震勘探使用的是法国生产的428 Lite系列的数字地震仪，该仪器的采样率为4、2和1 kHz，测量采样频率为2 kHz，记录长度为1 s。地震勘探使用的震源是人工夯锤和人工重锤两种。野外工作时，将3只串联式地震检波器挖坑埋置，保证检波器与大地的良好耦合。在野外采集工作前，需要先对检波器进行一致性检测。在所有参数都合格后再开始进行野外工作。先激发地震波，地震波通过检波器被检测到并被仪器记录后，才可以对下一个排列进行采集，得到下一组数据。
3. 物探方法资料解释
3.1 电阻率四极电测深资料解释
工区直流电测深法位于220 kV宁薛Ⅱ线010号高压线塔处及500 kV永宁Ⅱ线0038号高压线塔附近区域。已知该区域同时跨越正常地层和已知采空区，已知采空区的埋深约为200 m。
总共布设6条测线，测线线距20 m，点距为10 m，极距为100、150、200、250、300、350、400和450 m。
野外采集得到原始数据后，当天检查数据是否合格，将合格的原始数据存档，并利用微机绘制图件，供定性、定量分析解释，最终得到视电阻率断面等值线图（图4～图9）。
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图 4 D220-1线电剖面视电阻率断面等值线图Figure 4. Cross section of apparent resistivity of D220-1 line profile![]()
图 5 D220-2线电测深电阻率断面等值线图Figure 5. Cross section of apparent resistivity of D220-2 line profile![]()
图 6 D220-3线电测深电阻率断面等值线图Figure 6. Cross section of apparent resistivity of D220-3 line profile![]()
图 8 D500-3线电测深电阻率断面等值线图Figure 8. Cross section of apparent resistivity of D500-3 line profile从图4至图6可以看出D220-1线0～20 m地段下方深度为200 m区域视电阻率相对较低，
$ {\rho }_{s} $ 为55$ \mathrm{\Omega } $ ·m，是正常地层的反映；D220-2线深度200 m处，0～85 m处视电阻率相对较低且变化平稳，分析为正常地层，85～100 m处视电阻率值相对较高，分析为采空区的电性反映；D220-3线深度200 m处，0～90 m视电阻率相对较低且平稳变化，分析为正常地层。从图7至图9三个断面图中可以推测出：D500-2线的0～100 m地段下方，深度为200 m区域、D500-3线的0～90 m地段下方深度为200 m区域及D500-4线的0～80 m地段下方深度200 m区域，视电阻率值都是相对较低且变化平稳，分析均为正常地层。
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图 7 D500-2线电测深视电阻率断面等值线图Figure 7. Cross section of apparent resistivity of D500-2 line profile![]()
图 9 D500-4线电测深电阻率断面等值线图Figure 9. Cross section of apparent resistivity of D500-4 line profileD500-2线深度200 m处110～140 m、D500-3线深度200 m处90～130 m及D500-4线深度200 m处90～130 m号点处的视电阻率相对较高且紊乱，分析推断为采空区。
3.2 浅层地震法资料解释
本次地震勘探的施工参数为接收道间距2 m和4 m，CDP点1 m和2 m，叠加次数为24；最大炮检距为96 m，最小炮检距为1 m，中间激发，两边接收。
本次地震数据处理是在美国的SGI公司生产的SunBLade 2000工作站上进行的，资料处理软件为法国CGG公司Geovecture plus处理系统和美国绿山折射静校正软件。资料处理的步骤为：二维数据体空间属性定义、真振幅恢复、道编辑、极性反转、高通滤波、静校正、反褶积、速度分析、自动剩余静校正、DMO处理、随机噪声衰减[20]，最后得到叠加剖面解释示意图（图10～图13）。
从图9～图13中可以推测出，J1线绿色线圈中圈定的范围为赋煤区；J8线红色线圈中圈定的范围是采空区，绿色线圈中圈定的范围是赋煤区；J9线红色线圈圈定的范围是采空区，绿色线圈圈定的范围是赋煤区；J10线红色线圈圈定的范围是采空区，绿色线圈圈定的范围是赋煤区。由于在采集数据时，受到宁薛Ⅱ线010 220 kV新建塔施工的影响，图11中紫色线圈圈定的区域则为不确定区域。
3.3 两种地球物理方法综合解释
根据电测深的成果和浅层地震法的成果（图4～图13），可以划分出如图14的采空区的范围的成果图，采空区的范围主要是在测区的东南角，范围比较大。
综合物探的成果图所反映的解释成果与已有地质资料吻合。从图中可以看出500 kV永宁Ⅱ线0038塔处于正常地层之上，220 kV宁薛Ⅱ回010塔处于采空区边界附近。
4. 结论
输电线路下方采空区的高电磁干扰环境影响了部分电磁法勘探方法的探测效果。本文采用电测深法、浅层地震反射方法在官板乌素煤矿取得了较好的探测效果。两种方法互为验证，为输电线路的设计、改进提供了重要的参考资料[21-22]。
通过电测深、浅层地震反射方法在官板乌素煤矿区的探测，精确给出了输电线路附近地下采空区的赋存情况。220 kV宁薛010号塔基位于采空区正上方，建议改变塔基位置或采取相应措施。
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图 2 电阻率四极测深工作装置示意图（图中A、B为供电电极，M、N为测量电极）
Figure 2. Schematic diagram of resistivity quadrupole sounding working device (A and B are power supply electrodes, M and N are measuring electrodes)
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图 4 D220-1线电剖面视电阻率断面等值线图
Figure 4. Cross section of apparent resistivity of D220-1 line profile
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图 5 D220-2线电测深电阻率断面等值线图
Figure 5. Cross section of apparent resistivity of D220-2 line profile
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图 6 D220-3线电测深电阻率断面等值线图
Figure 6. Cross section of apparent resistivity of D220-3 line profile
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图 8 D500-3线电测深电阻率断面等值线图
Figure 8. Cross section of apparent resistivity of D500-3 line profile
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图 7 D500-2线电测深视电阻率断面等值线图
Figure 7. Cross section of apparent resistivity of D500-2 line profile
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图 9 D500-4线电测深电阻率断面等值线图
Figure 9. Cross section of apparent resistivity of D500-4 line profile
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