變電站下伏采空區(qū)安全穩(wěn)定性分析

徐 亮，董建軍，樊東峰，李 尊，劉艷生

（1.中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)電力建設(shè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)咨詢(xún)中心，北京 100053；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125105；3.礦山熱動(dòng)力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（遼寧工程技術(shù)大學(xué)），遼寧 葫蘆島 125105；4.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司，河南 鄭州 450018；5.國(guó)網(wǎng)三門(mén)峽供電公司，河南 三門(mén)峽 472599；6.平頂山電力設(shè)計(jì)院有限公司，河南 平頂山 467001）

采空區(qū)塌陷已成為一種典型的地質(zhì)災(zāi)害，采空區(qū)的存在會(huì)導(dǎo)致農(nóng)田、道路、建筑物不同程度的破壞，給人們的生產(chǎn)生活帶來(lái)嚴(yán)重隱患的同時(shí)也造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。下伏采空區(qū)的安全穩(wěn)定性對(duì)工業(yè)設(shè)施的安全建設(shè)與運(yùn)營(yíng)具有重要影響，因此必須對(duì)下伏采空區(qū)進(jìn)行安全穩(wěn)定性評(píng)估。目前，采空區(qū)建設(shè)廠房、辦公樓、住宅等建（構(gòu)）筑物的成功實(shí)例較多，但尚無(wú)煤礦采空區(qū)的變電站建設(shè)案例，故開(kāi)展此方面的研究十分必要。

瞬變電磁法具有探測(cè)深度大、受地形影響小和不受高阻基巖出露影響的優(yōu)勢(shì)，為采空區(qū)安全穩(wěn)定性分析提供了一種有效的方法。國(guó)內(nèi)外已有眾多學(xué)者將瞬變電磁法應(yīng)用于煤礦采空區(qū)地表形變監(jiān)測(cè)。梁爽等[2]以陽(yáng)泉二礦為研究對(duì)象，利用瞬變電磁法對(duì)采空區(qū)積水情況進(jìn)行探測(cè)，通過(guò)地層電阻率大小確定出采空區(qū)含水區(qū)域；劉君[3]利用瞬變電磁法和氡氣測(cè)量法對(duì)井坪鎮(zhèn)某采空區(qū)積水邊界位置進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)結(jié)果與煤礦實(shí)際采掘情況相一致，證明瞬變電磁法能夠?qū)γ旱V采空區(qū)位置結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)；牛宏等[4]以鵲山多層采空區(qū)為研究對(duì)象，利用瞬變電磁法對(duì)采空區(qū)邊界及積水區(qū)域進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)結(jié)果與巷道掘進(jìn)成果相吻合；和學(xué)軍等[5]利用瞬變電磁法對(duì)山西某富水采空區(qū)位置進(jìn)行圈定，提出瞬變電磁法適合在山區(qū)等復(fù)雜地區(qū)進(jìn)行勘探，且能夠探測(cè)出采空區(qū)含水異常區(qū)；覃慶炎[6]建立了煤礦積水采空區(qū)理論模型對(duì)采空區(qū)瞬變電磁響應(yīng)特征進(jìn)行分析，通過(guò)有限差分法實(shí)現(xiàn)了瞬變電磁場(chǎng)時(shí)間域數(shù)值模擬，最終探測(cè)得到采空區(qū)異常區(qū)域的分布規(guī)律；Shu等[7]利用中心回線(xiàn)瞬變電磁探測(cè)法對(duì)煤礦多層充水采空區(qū)結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)，準(zhǔn)確測(cè)得采空異常區(qū)位置；常治國(guó)等[8]利用瞬變電磁法確定出某煤礦的采空異常區(qū)，為后期治理提供了地質(zhì)信息；張紅權(quán)等[9]根據(jù)電性特征實(shí)驗(yàn)方法確定瞬變電磁參數(shù)，利用瞬變電磁與高密度電法相結(jié)合的方法，探測(cè)出江西省某采空區(qū)的多個(gè)異常區(qū)分布位置；孫英峰等[10]利用瞬變電磁法確定出探測(cè)區(qū)內(nèi)的3 處采空異常區(qū)；趙磊磊[11]基于瞬變電磁法，在廣域范圍布設(shè)大回線(xiàn)源裝置，局域范圍布設(shè)重疊小回線(xiàn)裝置，通過(guò)對(duì)2 種探測(cè)裝置的結(jié)果分析，推斷出村莊采空區(qū)的影響邊界。

鉆孔探測(cè)作為一種直觀探測(cè)研究區(qū)域地層分布的方法，探測(cè)結(jié)果具有較高的可靠性和準(zhǔn)確性。熊彩霞等[12]綜合運(yùn)用鉆孔和殘余沉降對(duì)采空區(qū)擬建鐵塔場(chǎng)地進(jìn)行探測(cè)，并對(duì)鐵塔建設(shè)可行性進(jìn)行分析；葉圖強(qiáng)等[13]利用鉆孔與激光探測(cè)儀相結(jié)合的方法，得到采空區(qū)精細(xì)空間數(shù)據(jù)；李學(xué)良[14]利用鉆孔技術(shù)和電導(dǎo)率成像系統(tǒng)對(duì)采空區(qū)結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，通過(guò)工程實(shí)例驗(yàn)證了將鉆孔探測(cè)應(yīng)用到采空區(qū)的可靠性；潘桂海等[15]提出通過(guò)工程實(shí)際情況驗(yàn)證鉆探監(jiān)測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)二者得到的采空區(qū)頂板發(fā)展規(guī)律相一致，證實(shí)了鉆探監(jiān)測(cè)的可行性；丁亮斌等[16]綜合物探和鉆探方法，探明了煤礦異常積水區(qū)的位置；李寧等[17]利用瞬變電磁與鉆探相結(jié)合的方法，確定出采空區(qū)的數(shù)量及位置分布。

鑒于此，瞬變電磁法結(jié)合鉆孔探測(cè)可以有效評(píng)價(jià)整個(gè)研究區(qū)域的采空塌陷情況和區(qū)域地層分布情況。因此，以平頂山變電站下伏采空區(qū)為研究對(duì)象，采用瞬變電磁法及鉆探的方式對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行探測(cè)，分析變電站下伏采空區(qū)的安全穩(wěn)定性。

1 變電站下伏采空區(qū)概況

1）水文地質(zhì)情況。平頂山迎賓110 kV 變電站地處新華區(qū)老采動(dòng)影響區(qū)，地質(zhì)性質(zhì)較差、環(huán)境復(fù)雜。擬建迎賓變電站位于平頂山市鷹城廣場(chǎng)東部，光明路以西，園林路南部，建設(shè)路以北。擬建區(qū)地勢(shì)平坦，交通方便，變電站內(nèi)主要建筑物為配電裝置樓。變電站下伏采空區(qū)區(qū)域?yàn)樾律细矃^(qū)，區(qū)內(nèi)地層由新至老分別為第四系、二疊系、石炭系和寒武系。

2）采空區(qū)煤礦開(kāi)采情況。擬建變電站位于平煤集團(tuán)七礦井田東翼采區(qū)范圍內(nèi)，七礦在本區(qū)域附近主要開(kāi)采了己組煤層，該區(qū)域地表標(biāo)高為+85 m 左右，從東南向西北煤層開(kāi)采深度逐漸增大。開(kāi)采深度約160 m，開(kāi)采采厚約3.5 m，開(kāi)采時(shí)間為1987—1993 年。采用長(zhǎng)壁工作面炮采、普采或綜采，全陷法管理頂板。

2 采空區(qū)綜合探測(cè)

在明確變電站下伏采空區(qū)基本地質(zhì)條件及開(kāi)采情況的基礎(chǔ)上，通過(guò)瞬變電磁法和鉆探的方式查明采空異常區(qū)域的情況，分析變電站下伏采空區(qū)的安全穩(wěn)定性。

2.1 瞬變電磁法探測(cè)

2.1.1 瞬變電磁法基本原理

瞬變電磁法是具有較高的抗干擾能力和分辨率時(shí)間域的人工源電磁法。將發(fā)射線(xiàn)框安裝在地面上，向其中通入直流電，迅速切斷電源，此時(shí)線(xiàn)框中出現(xiàn)電流突變，空間中因瞬態(tài)變化的電流而出現(xiàn)瞬態(tài)的磁場(chǎng)，瞬態(tài)的磁場(chǎng)導(dǎo)致地下產(chǎn)生渦流，隨著時(shí)間的流逝，渦流不停向地下推進(jìn)，擴(kuò)散的速度和地下地層的電阻率相關(guān)，不同時(shí)間擴(kuò)散至不同深度。通過(guò)監(jiān)測(cè)地下渦流變化（即磁場(chǎng)變化率dB/dt）來(lái)完成地下電阻率的解讀。瞬變電磁法原理圖如圖1。

圖1 瞬變電磁法原理圖Fig.1 Schematic diagram of TEM

由此得到的值并非電阻率而是感生電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間的變化值。該值不能直接用來(lái)地下結(jié)構(gòu)的推斷，所以可通過(guò)下式對(duì)這種變化值進(jìn)行轉(zhuǎn)化：

式中：ρt為視電阻率，Ω；μ0為地層介質(zhì)磁導(dǎo)率，H/m；t 為時(shí)間，s；St為發(fā)射線(xiàn)圈面積，m2；Sr為接收線(xiàn)圈面積，m2；V（t）為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，V；I 為供電電流，A；ht為深度，m；σt為縱向電導(dǎo)，S；V（t）/I 為歸一化感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，V。

視電阻率雖非實(shí)際地層電阻率，但其空間變化特性與真實(shí)地點(diǎn)斷面相一致，能客觀的展示出地下地質(zhì)體的空間分布特性。

2.1.2 現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)

經(jīng)對(duì)變電站下伏采空區(qū)多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到了滿(mǎn)足探測(cè)要求的發(fā)射頻率為6.25 Hz，發(fā)射線(xiàn)框?yàn)?.5 m×1.5 m，疊加大于512 次。本次探測(cè)設(shè)置7 條測(cè)線(xiàn)，測(cè)線(xiàn)上各點(diǎn)間距10 m；設(shè)置試驗(yàn)點(diǎn)2 個(gè)，線(xiàn)上物理點(diǎn)58 個(gè)，質(zhì)量檢查點(diǎn)3 個(gè)，總計(jì)完成瞬變電磁物理點(diǎn)63 個(gè)，剖面總長(zhǎng)620 m，探測(cè)布置圖如圖2。瞬變電磁探測(cè)布置統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

圖2 探測(cè)布置圖Fig.2 The layout of the detection

表1 瞬變電磁探測(cè)布置統(tǒng)計(jì)Table 1 The statistical table of transient electromagnetic workload

本次瞬變電磁法勘探共獲生產(chǎn)探測(cè)記錄63 個(gè)，其中：甲級(jí)探測(cè)記錄52 個(gè)，甲級(jí)率82.5%；乙級(jí)探測(cè)記錄11 個(gè)，乙級(jí)率17.5%；合格探測(cè)記錄共計(jì)63個(gè)，合格率100%。

經(jīng)過(guò)對(duì)全區(qū)3 個(gè)系統(tǒng)質(zhì)量檢查觀測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)（線(xiàn)上物理點(diǎn)的5%），整個(gè)探測(cè)區(qū)域相對(duì)誤差最大為9.21%，最小為0.11%，全探測(cè)區(qū)域總平均相對(duì)誤差為4.79%，原始數(shù)據(jù)合格率為100%，達(dá)到了MT/T 898—2000《煤炭電法勘探規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.3 探測(cè)數(shù)據(jù)

根據(jù)變電站下伏采空區(qū)中測(cè)線(xiàn)的視電阻率等值線(xiàn)剖面圖可知，變電站下伏采空區(qū)域內(nèi)地層的視電阻率斷面等值線(xiàn)和其走向趨勢(shì)一致，當(dāng)構(gòu)造發(fā)育或者有其他低阻異常體存在時(shí)，視電阻率等值線(xiàn)在橫向與縱向上均會(huì)出現(xiàn)扭曲或梯度變化。當(dāng)采空區(qū)無(wú)積水時(shí)，呈現(xiàn)高阻反應(yīng)，反之為低阻反應(yīng)。本變電站下伏采空區(qū)主要開(kāi)采己16-17 煤層，水源主要來(lái)源于灰?guī)r含水層及第四系地表水。結(jié)合已知采空區(qū)資料并進(jìn)行綜合分析后，推斷本探測(cè)區(qū)內(nèi)的采空區(qū)存在充水情況，故本探測(cè)區(qū)內(nèi)的采空區(qū)會(huì)呈現(xiàn)低阻反映。1010 測(cè)線(xiàn)電阻率縱向剖面圖如圖3，H100 測(cè)線(xiàn)視電阻率縱向剖面圖如圖4。

圖3 1010 測(cè)線(xiàn)電阻率縱向剖面圖Fig.3 Longitudinal section view of resistivity of line 1010

圖4 H100 測(cè)線(xiàn)視電阻率縱向剖面圖Fig.4 Longitudinal section view of resistivity of line H100

由圖3 可知，1010 探測(cè)線(xiàn)的探測(cè)點(diǎn)為點(diǎn)號(hào)20到100，在點(diǎn)號(hào)50 位置，160 m 深度處等值線(xiàn)呈下低阻凹陷，推測(cè)存在采空區(qū)異常區(qū)域，位于鷹城廣場(chǎng)羽毛球場(chǎng)彩板房邊，推斷此類(lèi)異常為彩板房的影響；點(diǎn)號(hào)30、點(diǎn)號(hào)100 下方，160 m 深度有低阻封閉、半封閉圈，推斷為采空區(qū)異常區(qū)域，如圖3 中紅色虛線(xiàn)所圈部位。

由圖4 可知，H100 探測(cè)線(xiàn)的探測(cè)點(diǎn)為點(diǎn)號(hào)1 000 到1 080，在點(diǎn)號(hào)1 010～號(hào)點(diǎn)1 030 之間，160 m 深度處呈現(xiàn)低阻凹陷，推斷為采空區(qū)異常區(qū)域，如圖4 中紅色虛線(xiàn)所圈部位。

將數(shù)據(jù)處理后獲得的測(cè)線(xiàn)斷面圖數(shù)據(jù)與已收集到的測(cè)區(qū)地質(zhì)和煤層開(kāi)采情況相結(jié)合，對(duì)探測(cè)區(qū)160、200 m 深度進(jìn)行視電阻率切片，對(duì)探測(cè)區(qū)電性特征進(jìn)行進(jìn)一步研究，以此分析采空異常區(qū)分布。160 m 深度視電阻率水平剖面圖如圖5，200 m 深度視電阻率水平剖面圖如圖6。

圖5 160 m 深度視電阻率水平剖面圖Fig.5 Horizontal profile of apparent resistivity at a depth of 160 m

圖6 200 m 深度視電阻率水平剖面圖Fig.6 Horizontal profile of apparent resistivity at a depth of 200 m

由圖5 可看出，圖中視電阻率顏色由紅到藍(lán)逐漸降低；變電站下伏采空區(qū)160 m 深度的電性分布，其總體呈現(xiàn)左高右低及下高上低的電性特征，低阻區(qū)如圖5 中紅色虛線(xiàn)所圈部位，分布范圍較為均勻，范圍較大，推測(cè)為采空區(qū)異常區(qū)域。

由圖6 可看出，圖中視電阻率顏色由紅到藍(lán)逐漸降低；變電站下伏采空區(qū)200 m 深度的電性分布，其總體呈現(xiàn)左、下、右側(cè)高，上側(cè)相對(duì)較低的電性特征，低阻區(qū)如圖6 中紅色虛線(xiàn)所圈部位，推測(cè)為采空區(qū)異常區(qū)域；探測(cè)出的異常區(qū)位置與160 m 深度視電阻率切片圖上異常位置較重合。

繪制鉆孔深度與視電阻率關(guān)系曲線(xiàn)，1 030 位置地層深度與視電阻率關(guān)系如圖7。由圖7 可知，隨著地層深度的增加，1 030 位置視電阻率整體呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，而在-65.50～-75.02 m、-87.73～-94.08 m、-109.95～-119.48 m、-141.7～-158.34 m 的深度內(nèi)出現(xiàn)視電阻率降低的情況。

圖7 地層深度與視電阻率關(guān)系Fig.7 Relationship between stratum depth and resistivity

2.2 鉆孔探測(cè)

為進(jìn)一步為地基穩(wěn)定性和地災(zāi)評(píng)估提供地層數(shù)據(jù)，采用鉆孔探測(cè)揭露變電站下伏采空區(qū)地層基本情況。在場(chǎng)地西北角采空異常區(qū)布置鉆孔，鉆孔位置為瞬變電磁探測(cè)點(diǎn)號(hào)1 030 位置，鉆孔深度170 m，鉆孔平面位置圖如圖8。

圖8 鉆孔平面位置圖Fig.8 Plane location diagram of drilling

鉆孔探測(cè)采用XY-4 型機(jī)械傳動(dòng)、液壓給進(jìn)式高速鉆機(jī)，0～-60 m 采用泥漿護(hù)壁，巖心管（外徑108 mm）鉆進(jìn)；-60 ～-150 m 采用套管（上部60 m）+泥漿護(hù)壁，巖心管（外徑75 mm）鉆進(jìn)；-150～-170 m采用套管（上部150 m）+泥漿護(hù)壁，巖心管（外徑60 mm）鉆進(jìn)。

鉆孔探測(cè)過(guò)程中，在-63.32～-75.02 m、-87.73～-94.08 m、-103.60～-116.30 m、-164.38～-170.02 m頁(yè)巖巖層中節(jié)理、裂隙較發(fā)育，較破碎，有少量漏水，在105 m 左右位置埋鉆（根據(jù)鉆孔完成后75 m 巖心管拔出后情況確定）。鉆孔探測(cè)結(jié)果表明，下部局部位置（頁(yè)巖巖層）巖體存在碎裂現(xiàn)象、裂隙較發(fā)育，但仍保留原始巖體結(jié)構(gòu)，骨架顆粒彼此接觸。在物探異常區(qū)進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)鉆探深度在-164.38～-170.02 m 范圍內(nèi)，巖石相對(duì)較為破碎，破碎帶被一些流體性物質(zhì)充填，如泥質(zhì)和水等，造成該部位電阻率降低，使物探電性剖面產(chǎn)生電性低阻異常。鉆孔深度與巖心率的關(guān)系曲線(xiàn)如圖9。

圖9 鉆孔深度與巖心率關(guān)系Fig.9 Relationship between drilling depth and core ratio resistivity

通常情況下，巖心率對(duì)于一般巖石不低于80%，對(duì)于軟巖、破碎巖石應(yīng)不低于65%，本變電站下伏采空區(qū)內(nèi)的巖石屬于一般巖石。由圖9 可知：鉆孔深度在-63.32～-75.02 m、-87.73～-94.08 m、-103.60～-116.30 m、-152.30～-155.32 m（該區(qū)域存在1.6 m煤層）、-164.38～-170.2 m 深度時(shí)巖心采集率小于80%。

3 變電站下伏采空區(qū)安全穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

采空區(qū)異常區(qū)域如圖10。

圖10 采空區(qū)異常區(qū)域Fig.10 The anomalous area of goaf

對(duì)照測(cè)線(xiàn)1 010 視電阻率剖面圖中的點(diǎn)號(hào)1 030位置，發(fā)現(xiàn)在-65.50～-75.02 m、-87.73～-94.08 m、-109.95～-119.48 m、-141.7～-158.34 m 深度范圍內(nèi)，點(diǎn)號(hào)1030 位置所對(duì)應(yīng)的電阻率出現(xiàn)閉合現(xiàn)象。鉆孔探測(cè)過(guò)程中，在-63.32～-75.02 m、-87.73～-94.08 m、-103.60～-116.30 m、-164.38～-170.02 m 頁(yè)巖巖層中節(jié)理、裂隙較發(fā)育，較破碎，有少量漏水，在105 m 左右位置埋鉆（根據(jù)鉆孔完成后75 m 巖心管拔出后情況確定）。瞬變電磁探測(cè)與鉆孔探測(cè)的結(jié)果高度吻合，表明采用2 種方法能夠準(zhǔn)確確定采空區(qū)異常區(qū)域的位置和范圍，進(jìn)而可以對(duì)采空區(qū)的安全穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

綜合分析160 m 和200 m 深度視電阻率水平剖面圖、采空區(qū)深度與視電阻率關(guān)系曲線(xiàn)和鉆孔深度與巖芯率關(guān)系曲線(xiàn)，確定的采空區(qū)異常區(qū)域如圖10中粉色陰影區(qū)域，表明變電站下伏采空區(qū)的安全穩(wěn)定性存在不確定因素，需采取有效的采空區(qū)治理措施以保證變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)。

4 結(jié) 語(yǔ)

采用瞬變電磁法和鉆孔探測(cè)對(duì)平頂山變電站下伏采空區(qū)進(jìn)行了綜合探測(cè)。由瞬變電磁探測(cè)得到視電阻率縱向剖面和采空區(qū)深度與視電阻率關(guān)系曲線(xiàn)，在-65.50～-75.02 m、-87.73～-94.08 m、-109.95～-1 19.48 m、-141.7～-158.34 m 深度范圍內(nèi)，點(diǎn)號(hào)1 030位置存在低阻異常區(qū)域；由160 m 和200 m 深度視電阻率水平剖面確定了低阻異常區(qū)域的水平范圍。由鉆孔探測(cè)得到鉆孔深度與巖心率關(guān)系曲線(xiàn)，確定在-63.32～-75.02 m、-87.73～-94.08 m、-103.60～-116.30 m、-164.38～-170.02 m 頁(yè)巖巖層中節(jié)理裂隙較發(fā)育、較破碎、有少量漏水，表明采空區(qū)存在異常區(qū)域。綜合分析瞬變電磁與鉆孔探測(cè)結(jié)果，可以確定采空區(qū)異常區(qū)域，表明變電站下伏采空區(qū)的安全穩(wěn)定性存在不確定因素，需采取有效的采空區(qū)治理措施以保證變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)。