摘要:如今在公路工程建设中，经常会遇到下伏煤矿采空区这一实际情况，对工程的设计与施工都造成严重影响，威胁到施工和后期运营的安全性。基于此，针对公路工程勘察的重要任务和内容，下伏煤矿采空区探测，在简述采空区的特征及物探方法原理与优势的基础上，对瞬变电磁法、地震反射波法和活性炭测氡法三种物探方法在采空区探测中的应用进行深入分析。
关键词:公路工程;煤矿采空区;采空区探测;物探方法
因采空区有很强的隐伏性，且空间分布特征一般不具备规律性，容易发生冒顶及陷落，所以在公路工程施工开始前，应采取有效方法进行勘探，确定是否存在采空区及其分布规律。其中，以物探为核心的综合勘察是一种合理可行的方法。
1采空区特征与物探
采空区指的是地下矿床经采掘使其空间和围岩失稳而造成垮落、位移或开裂，直到矿床的上覆岩层发生整体沉降或弯曲产生的大变形或大破坏范围。矿层采空之后，其上部丧失支撑，使平衡被打破，上覆岩体出现复杂变形及位移。对于上覆岩体发生的变形，其过程主要为从下到上不断发展的沉落现象，整体呈盆状。根据岩体破坏及位移程度，按照从下到上的顺序能划分成以下三个影响带:(1)冒落带:受自重与上覆岩层持续作用后，由于坍塌、变形或破碎进入到采空区中的顶板岩层即为冒落带。(2)裂隙带:如果冒落带以上岩层受重力持续作用而出现超出抗弯强度限度的弯曲变形，由于断裂及离层造成的呈连通状态的裂隙带。部分情况下可见层状裂隙带。(3)弯曲带:在裂隙带以上，受自重作用后，仅发生弯曲沉落变形时，这一部分的岩层即为弯曲带。在弯曲带中，岩层的变形相对较轻，且裂隙没有连通，基本不导水。在我国，采空区的分布往往十分广泛，其变形和沉降均会使工程受到很大影响，使造价大幅增加，而且采空区的问题还比较复杂，地质勘察工作难度很大。在资料不完整、采掘不合理的矿区及采空区，单一采用传统方法来勘探是有很大局限性的，对此应引入物探来提高勘探水平。对物探方法而言，其勘探效率很高，而且方法与设备简单，适用面广。所谓物探，即地球物理勘探，将地球作为主要研究对象而产生的新兴应用型物理学，借助多种不同物理场，基于场的持续激励，完成信号采集后，借助相关算法对数据进行处理，以此获得地表以下各介质不同物理参数，为地质体与地下岩层等所处物理形态的准确判断提供可靠参考依据。在采空区的探测过程中，主要可以使用以下几种物探方法:(1)微重力物探;(2)瞬变电磁物探;(3)地震反射波物探;(4)氡气测量物探。上述方法当中，因分析的地球物理场有所不同，所以异常解释对象及内容也会完全不同。现在在国际上针对采空区探测，主要是先借助高密度电法及瞬变电磁法对采空区具体位置进行探测，然后通过激光扫描实现采空区的可视化及数字化，最终实现对采空区进行科学探测根本目标。
2物探应用
2．1瞬变电磁法具体应用
借助瞬变电磁法对采空区进行探测时，如果地层或者是岩层当中存在断裂及采空区，则电磁波将大幅衰减，且干扰明显增强，导电性开始减弱，使电阻率开始增加，产生低电位高阻这一异常表现;然而，如果断裂及采空区被水或者是泥填满，则其导电性将增强，产生高电位低电阻这一异常表现。在图像上，主要表现为以下特征:如果地层或者是岩体保持均匀，没有裂隙，则图像将以层状均匀分布;如果地层或者是岩体中断裂与采空区，则图像具有的层状特征将被破坏，产生高阻色块，导致部分层位出现拉伸或错开，使曲线产生明显畸变。然而，如果断裂及采空区被水或者是泥填满，则会变成低阻带。
2．2地震反射波法具体应用
(1)反射波中断采空区的存在会使反射波产生中断，无法对同相轴变进行追踪，从采空区中穿过后，中断消失，并且因采空区底板所在岩层没有被采掘的过程破坏，所以依然保持原同相轴，能进行连续追踪。在地震时间剖面中，反射波出现绕射、中断及空白，无法进行连续追踪为确定是否存在采空区的关键标志。(2)波频降低由采空区造成的岩层破坏会使地震波显著衰减，使地震时间剖面中的反射波，其频率大幅降低。(3)波形变化由采空区造成的顶板破坏会使地震波明显衰减，导致波形产生变化，出现畸变或紊乱，但对底板而言，因岩层相对完整，所以变化的并不十分明显。某公路工程在勘测过程中借助地震反射波法对其下伏采空区实际分布状况进行探测分析。以反射波组特征为依据，对地震波剖面当中能量相对较强且连续的反射波组实施对比追踪及层位准确标定，将中风化界面记作T1，将强风化界面记作T2。根据地震时间剖面可知，采空区异常主要在100～200ms这一范围内出现，该段反射波组不连续且紊乱，其同相轴具有波组能量明显变化和上凸下凹等实际特征。通过现场钻探，异常区属于采空区。
2．3活性炭测氡法具体应用
采空区探测过程中，氡气测量为常见且有效的放射性探测方法。在氡气测量方法当中，活性炭测量属于静态且累积形式的方法，作用原理为在地下埋设活性炭吸附器，等待一段时间后，将吸附器取出，同时使用专门的仪器对氡放出射线实际强度进行测量，以此掌握氡气浓度。对于地层中的氡气，它能从深部不断迁移到地表，据此能显示出深层各地质信息。如果煤层中有采空区，则会因为地质体实际应力状态被采空区改变而使地质体产生明显形变，导致地下气体所处移动和聚集环境发生变化，最终对氡气运动和富集都起到明显控制作用。此时，在储气、集气及通道等作用下，氡气会不断向采空区发生运移，所以此时会在采空区中探测出极高浓度的氡气。因氡气垂直向上发生运移的能力相对较强，而且在采空区中，其顶部一般有裂隙发育，能为氡气的运移创造一条通道，在地表产生和采空区相对应的异常区域。基于此，对地表周围氡气浓度进行测量，能确定采空区具体位置所在。氡气测量剖面中，曲线有高氡值这一异常表现。某公路勘察工作中，借助上述方法探测采空区。为对采空区地球物理特征进行深入了解，在已探明的采空区中设置测线，在地下设置高吸附活性炭，深度按40cm控制，5～7d以后将其取出，采用活性炭测氡仪持续测量3min，并做好相关记录，对所有原始数据予以保存和处理。测氡剖面中，某些测点的数值在900这一范围内发生变化，其幅度相对较大，基本呈现出跳跃状，属于采空区直接反映。曲线上某一部分是相对低值的持续变化段，其数值在800这一范围内发生变化，属于正常情况下的数值起伏，无采空区。在Q2测线中，1#－23#测点均属高氡异常，其数值在700～1900中起伏变化，幅度相对较大，曲线存在高氡异常这一相间，存在采空区。在Q5剖面中，1#～18#测点属于低氡平缓变化，没有采空区。以上探测结果和现有资料及钻探结果完全相符。
3结论
通过上述分析，能得出以下几条结论。(1)以上三种方法对采空区的探测都是合理可行且准确有效的。(2)因采空区自身具有一定特殊性，且地球物理方法存在多解性及局限性，所以采用单一方法一般难以对异常体予以定性。对此，必须对不同方法进行结合，以此通过相互验证，保证探测结果真实性及准确性。(3)在实际的采空区勘察工作中，需要采取综合勘察方法，如相关资料全面搜集、调绘、物探及钻探，以此实现相互补充及验证等根本目标。
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作者:董博 单位:山西省交通规划勘察设计院有限公司
