DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.09.028
高速公路下伏老采空区探测及验证技术
张淑坤，张向东，李永靖
(辽宁工程技术大学 土木与交通学院，辽宁 阜新，123000)
摘要：以高速公路下伏老采空区为研究对象，采用高分辨率地震探测及高分辨电阻率探测方法对测线进行联合探测，并辅以钻孔声波探测、钻孔电视成像技术及深部钻孔数据对联合探测结论进行验证及修正。研究结果表明：高速公路中轴线南北两侧30 m范围内，K3+580~K3+830区段，深度75~90 m区间采空区广泛分布，并推断确定“三带”及采空区的位置及尺寸；经验证前期物探结论比较准确可靠，并对冒落带、裂隙带及采空区高度确定进行进一步的修正；改变以往老采空区位置及状态确定中“重探测轻验证”的做法，说明少而有效的联合探测辅以必要的验证技术对于老采空区位置及状态的确定科学合理。
关键词：高速公路；老采空区；联合探测；验证
中图分类号：P631 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2015)09-3361-07
Old goaf detection and verification techniques under highway
ZHANG Shukun, ZHANG Xiangdong, LI Yongjing
(Institute of Civil and Transportation, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China)
Abstract: Taking the old goaf under highway as the research object, high-resolution seismic exploration and high-resolution resistivity detection were both employed to detect survey lines. And borehole acoustic detection, borehole television imaging technology and deep borehole data were supplemented to verify and correct the conclusion of combine detection. The results show that goafs are widely distributed on central axis north and south sides within 30 m, K3+580-K3+830 section, depth in 75-90 m; that “three belts” and position and size of goafs are inferred and determined; that the conclusions of early geophysical prospecting are verified correctly, and the caving zone, gap zone and the height of goaf are further amended; that the approach of “dection was important while verify was minor” which determined position and state of the goaf is changed. It was proved that small but effective combine detection supplemented by the necessary verification technology is scientific and reasonable.
Key words: highway; old goaf; combine detection; verification
随着高速公路网络建设越发密集，穿越老采空区场地不可避免。为了对老采空区进行准确的安全评价和有效治理，确定其位置和状态则显得尤为重要[1-5]。目前，老采空区探测技术多为“重探测而轻验证”。为了提高探测精度，常联合多种物探手段综合探测，并配以大密集、大深度的钻孔提供真实验证[6-12]。该方法虽可达到优势互补的目的，但也大大提高了物探成本，同时也会破坏老采空区的稳定结构。因此，选用少而合理的物探技术组合，辅以有效的验证方案进行采空区探测、验证十分必要。本文作者对高速公路下伏老采空区段进行灾害调查，综合运用高分辨率地震法、高分辨率电阻率法对高速公路下伏采空区位置及状态进行探测，充分发挥地震探测的大探深优势和电法对于充填状态准确探测的优势，并以特征位置的声波探测、钻孔电视成像技术及深钻孔资料对物探结果进行验证和修正，最终准确测定老采空区位置及状态。
1 公路灾害及煤矿开采调查
1.1 公路灾害特征调查
该高速公路位于山东省滕州市木石镇东南侧，高速公路北侧塌陷形成椭圆形池塘，池塘短轴长10.5 m，长轴长38.9 m，长轴方向与高速公路走向基本平行。该塌陷池塘位置与公路沉陷变形位置范围接近(K3+480~K4+280)，池塘边缘有不同程度的张裂缝，分布着多个小型塌陷坑，接近K3+760处部分塌陷坑边缘还发育了环形张裂缝，缝宽不一。目前大部分沉陷区变形仍然有可能继续活跃，形成局部新型凹地。由于路面经历多次修补，路面有扭曲变形，无明显裂缝。在路基侧有明显裂缝，裂缝上窄下宽，部分裂缝能够与地面发育的环形张裂缝相互贯通，在K3+754左右处最为明显。在K3+780处，高速公路南侧30 m左右，居民住宅墙体有2 cm左右大裂缝，从1997年开始墙体逐渐出现裂纹并不断扩展，2006年以后基本趋于稳定，其他住户民房墙体皆有不同程度的裂纹。
1.2 煤矿开采状况调查
1.2.1 地质情况
根据前期掌握的钻孔资料显示，高速公路沉陷影响区域内，地层10 m以内以第四纪沉积物为主要覆盖层。在深度10~30 m区间内主要为全风化、强风化砂岩、页岩互层，其中在K3+684处25 m深度左右可见发育煤层，30 m以下为弱、微风化岩体，更深层则无详细的钻孔资料。
1.2.2 煤矿开采情况
该煤矿地处山东省滕州市，煤矿布置有1对主副斜井在3号煤层露头附近(对应高速公路K3+760处)向东及东南沿煤层的倾斜方向开采，方向与高速公路走向基本一致。3号煤层开采厚度为1.3~13.0 m，大部分开采区域厚度为2~8 m之间。煤层投影长度为1 000 m左右，倾向东南，倾角为22°，局部倾角为23°~26°。3号煤层以下的其余3层煤分别为14层、15层和16层煤，均未开采。开采方式主要采用残采和穿采方式，直接垮落式管理顶板。该区域停采时间为1984年，而在1985~2005年末期间，该煤矿仍然在采用残采和穿采方式，直接垮落式管理顶板开采3号煤层，但开采范围已经相对远离高速公路，开采深度130~176 m，平均开采厚度2~8 m，倾角23°~26°，横向距离约为240~360 m。
该处煤矿年代久远且经私人及集体形式经营采掘，已开采完的采空区具体情况掌握资料有限，无法查明详细的开采情况。该区域地层及煤层顶板岩体破碎，强度低，煤层巷道埋深较浅，临时支护下的巷道及采空区被顶板岩体塌落充填，必然导致地表的地质灾害发育，如高速公路两侧塌陷、高速公路变形及周围民房的破坏。
2 探测组合方案确定
2.1 探测方案
依据现场调查及前期浅部钻孔资料进一步缩小采空区探测范围，选用高密度电阻率法布置测线进行探测，根据该探测结果分析确定高分辨率地震法探测靶区，得出高分辨率地震映像图，初步确定高速公路两侧采空区填埋状态及具体位置。
2.2 验证方案
针对初步探测采空区的位置进行验证，首先，加深特征位置钻孔至采空区内部，通过钻芯取样、钻孔内声波探测及钻孔电视成像技术验证采空区位置及状态，如有偏差则对探测结果进行修正，确定最终采空区填埋位置及状态，流程如图1所示。
图1 探测-验证流程
Fig. 1 Detection-verification process
3 具体探测及结论分析
3.1 电阻率法测线布置及探测结果
3.1.1 测线布置
图2所示为测线布置示意图。从图2可见：测线1布置在高速公路北侧路基坡脚处(区段为K3+480~ K3+960)；测线2布置于距离测线1北侧30 m处，并与测线1平行(区段为K3+750~K3+905)；测线3布置于高速公路路基南侧边坡坡脚处(区段为K3+470~ K3+950)。
图2 测线布置示意图
Fig. 2 Schematic diagram of test line layout
3.1.2 探测结果解译
在视电阻率图上若表现为高阻区特征，则说明采空区没有完全被水充填或者其他低阻物质充填[13]。
1) 在测线1中，针对K3+640~K3+800区段往复测量，经测试结果对比表明K3+640~K3+760区段、K3+820~K3+900这2区段采空区顶界面埋深较浅，为50 m左右，并有一定的起伏。电剖面所能够反映的深度较浅，不能看到采空区内的电异常反映。提取在该2区段的二极装置的实测剖面图结果，在50 m处采空变区表现为高阻特征，但继续增加勘探深度至80 m却未发现采空区分布的明显异常特征，表明深度采空区被塌落的岩石充填。
2) 在测线2中，由于受客观地表条件约束测线布置较短，测量方向为从大桩号到小桩号。图3所示为测线2的K3+905~K3+750区段探测结果。从图3可知：在测线2的K3+865~K3+835区段、K3+820~K3+ 795区段浅部15 m内电阻变化幅度不大，为低阻区，在25 Ω以内。超过15 m深度，虚线圈出范围内电阻变化幅度增大，电阻从25 Ω增至113 Ω以上，表现为陡增高阻特征，推断为采空区的影响，用虚线圈出采空区的空洞顶界面，深度较浅，该位置恰好为3号煤层露头附近。
图3 测线2的K3+905~K3+750区段探测结果
Fig. 3 Detection results at survey line 2 (K3+905-K3+750)
3) 在测线3中，针对K3+630~K3+790区段往复测量，测量方向为从大桩号到小桩号，探测结果如图4和图5所示。从图4和图5可见：在测线3的K3+650~K3+780区段，虚线圈出范围电阻增幅很大，电阻从45 Ω陡增至289 Ω以上，采空区表现明显的高阻特征。增加勘探深度至80 m却没有采空区分布的明显异常特征，表明深度采空区被塌落的岩石充填。
图4 测线3的K3+950~K3+630区段探测结果
Fig. 4 Detection results at survey line 3 (K3+950-K3+630)
图5 测线3 K3+790~K3+470区段探测结果
Fig. 5 Detection results at survey line 3 (K3+790-K3+470)
通过高密度电阻率法测得高速公路下伏采空区大概位置区段为：测线1位置，K3+640~K3+760区段、K3+820~K3+900区段；测线2位置，K3+865~K3+835区段；测线3位置，K3+650~K3+780、K3+795~K3+820区段。根据所掌握资料中采空区的采厚、埋深、倾角以及所探测位置便可推断出采空区沉陷对地表影响范围，与对高速公路变形的区段范围K3+480~K4+280大体吻合。考虑探测误差以及客观探测条件约束结合经验确定高分辨率地震法探测靶区为K3+470~ K4+080，进一步探测采空区位置及形态。
3.2 地震法探测
3.2.1 测线布置
从图2可见：测线4布置于北侧路肩位置(区段为K3+480~K4+080)；测线5布置于南侧路肩位置(区段为K3+470~K4+070)。
3.2.2 探测结果解译
地震探测中，结合采空区“三带”分与反射波的特征表现可做如下判断：弯曲带内反射波同相轴连续；采空区边界与原状土层相互影响或裂隙带因裂隙的存在会造成同相轴错断；冒落带处岩体的破碎会使反射波能量衰减，且会导致反射波产生同相轴紊乱；较大规模采空区没有被充填，分布的顶底界面会表现为强反射界面，也会形成多次层间反射[14]。
测线4探测结果如图6所示。从图6可见：A区域地层为第四纪覆盖层中存在的多套沉积层、风化岩层，基岩面反射波表现较为规律；基岩面以下反射波在一定范围内同相轴有向下凹趋势，C区域较B区域明显，这是由于采空区塌陷变形，出现波速降低，时间延迟造成下拉现象，在地震时间剖面上反射波同相轴相位出现明显滞后；C区域反射波发生散射，反射波波形分布变得不规则、产生畸变；D区域反射波凌乱甚至中断，不可连续追踪，跨越D区域后，反射波恢复正常，符合采空区反射波特征。根据地震反射波特征结合前述电法所探测的结果进行综合分析，对采空区及“三带”界限进行确定。
图6 测线4探测结果
Fig. 6 Detection results at survey line 4
由高分辨率地震探测最终确定的物探结果为：对高速公路产生显著影响的采空区范围分布于公路中轴线南北两侧30 m范围内，K3+580~K3+830区段，深度在75~90 m之间；由采空区与冒落带尺寸对应关系，可推断采空区的空间高度在2~8 m之间。
4 探测验证
4.1 钻探验证
为了进一步验证探测的准确性，选取K3+580~ K3+830区段内14，15和16为特征钻孔，因为该3个钻孔最为接近地表高速公路变形最大处，且接近初步确定的采空区下边界位置，加深钻孔直至钻入采空区为止，钻孔数据如表1所示。
钻孔位置与测线4的相对位置如图6所示。
表1 钻孔数据
Table 1 Drilling datum m
由表1可知：3个钻孔掉钻深度基本相同，说明采空区经过塌落填埋后形成的空洞没有过大的倾斜角度，且钻杆探测厚度表明采空区处于充填、半充填状态，没有明显的规律性。经钻孔数据及室内试验得知。30 m深度内主要由第四纪沉积物和强风化泥岩、砂岩构成，其单轴饱和极限抗压强度小于0.25 MPa，软化系数小于0.16，具有显著水理弱化作用、一定膨胀性和相对隔水性。30~80 m主要为弱风化粉、砂岩，成碎块状，78 m后开始出现掉钻现象。用钻杆探测厚度为3~5 m，由于大量贯通的空隙存在地下水充满了采空区。半充填的采空区空洞目前处于平衡状态，且根据钻探岩芯破碎程度确定的“三带”位置与物探结果基本相符，其中根据钻孔数据判断裂隙、冒落带厚度要稍大于物探确定值，是由于钻孔取样扰动影响所致。
4.2 钻孔电视成像技术验证
钻孔电视成像方法观测更加直观[15]， 针对15号钻孔特征位置图像进行分析，如图7所示。从图7(a)可见：探头进入钻孔20 m处，孔壁明显粗糙不平、风化严重；深入到图7(b)中的50 m处孔壁较为平滑，但可见有较为发育的裂隙，逐渐深入，可见裂隙带孔壁较为破碎，孔壁凹凸不平；从图7(c)可见：钻孔壁有岩体塌落形成的空洞，说明已经到达破碎带接近采空区，而此时在探头光线的照射下，隐约可见渗透的地下水，由于裂隙破碎带孔隙发育，地下水充满了钻孔；从图7 (d)可见：钻孔探头已经深入地下水位以下，由于扰动导致水浑浊，虽光线较强也难以看清，静止约1 h后探头继续下潜发现已没有圆孔形态，伴随着是清晰可见的分界线，经判断该分界线应是采空区顶板与两帮的分界线，如图7(e)所示。观察探头其他角度发现有巷道较多坍塌，被碎石充填且地下水充满采空区，视野不是很清晰，如图7(f)所示。在85 m深度处则无法继续下潜，已到达底部。由钻孔电视成像技术清晰的记录了深入采空区的钻孔详细情况，验证结果表明岩层形态变化范围与物探结果相吻合，虽然采空区塌陷严重，处于半充填状态，且充满了地下水，但局部仍具有明显的巷道特征。
图7 15号钻孔电视成像
Fig. 7 Borehole television imaging of number 15
4.3 声波探测验证
根据岩土层的密度不同直接导致在其中声波传递特性的不同，当地震波在地层中传播时，在不同密度的岩土层界面声波会发生反射现象。
选择16号为试验孔对其进行声波探测，探测结果如图8所示。从图8可知：整个钻孔中岩体波速明显小于正常岩体的波速，说明岩体裂隙广泛分布，在 45 m深度以下，由于岩体破碎或者大的裂缝导致波速进一步降低，16号孔波速沿深度变化特点与高分辨率地震法探测的采空区上覆岩层分布特性基本一致。
图8 16号孔波速探测结果
Fig. 8 Velocity detection results of hole of number 16
4.4 验证及修正分析
由特征位置深部钻孔数据、声波探测及电视成像技术验证得知，采空区处于碎石半充填状态，其充满了地下水，采空区内部局部仍具有明显的巷道特征，说明采空区具有相当长时间的稳定性，但由于扰动很可能会导致采空区的二次活化，尤其是再次私挖滥采导致充满采空区地下水突然流走排空将对地表高速公路产生灾难性的危害。经验证电阻率法及地震法进行探测结论较为准确，由于老采空区为不规则形体，采用误差平均分配的方式对裂隙带、冒落带及采空区高度进行进一步修正，将验证技术确定的尺寸取平均，再与物探结果取平均，最终确定裂隙带的平均高度为54.98 m左右，冒落带平均高度为16.33 m左右，老采空区平均高度为4.50 m左右。
5 结论
1) 依据地表灾害性及采矿情况调查，确定了高速公路两侧布置5条测线，综合运用高分辨电阻率法及高分辨率地震法进行探测，结果表明高速公路中轴线南北两侧30 m范围内，K3+580~K3+830区段，深度75~90 m区间采空区广泛分布，并推断确定了“三带”及采空区的位置。
2) 前期物探结论准确可靠，由于老采空区为不规则形体，采用误差平均分配的方式对裂隙带、冒落带及采空区高度进行了修正。
3) 改变了“重探测轻验证”的传统，提出了通过运用声波探测、电视成像技术及深部钻孔数据对联合物探结论进行验证及修正，并直观的表现了采空区“三带”的结构特点及采空区内部半充填的特征，说明少而有效的联合探测辅以必要的验证技术对于老采空区位置及状态的确定科学合理。
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(编辑 罗金花)
收稿日期：2014-11-22；修回日期：2015-01-22
基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(50978131) (Project(50978131) supported by the National Natural Science Foundation of China)
通信作者：张淑坤，博士，讲师，从事岩土工程研究；E-mail: 4254423@163.com
