地表隐伏斑裂的综合地球物理方法探测研究

摘要　地下采矿活动引起覆岩移动、变形和破坏，其表现形式之一是地表浅部产生斑裂（或裂缝），对建筑物危害极大。本文研究了地表斑裂的物理场响应特征，通过电阻率法和地震法的观测试验，进行隐伏斑裂的实地探测，为建筑物加固和地基处理提供了可靠的技术保障。
关键词　地表斑裂　电阻率法　地震波法　探测

1　引言
　　地下煤层开采引起上覆岩层垮落、断裂、 弯曲移动，直至地表形成地面沉陷。覆岩移动变形在地表的表现形式有连续型（下沉盆地）和不连续型（斑裂或陷塌等）两类。地表产生斑裂的危害很大。因此，对地表隐伏斑裂探测可以为建筑物的防护与加固和地基处理等提供必要的基础资料。
　　大量研究资料表明：矿区地面斑裂的产生是地下采矿活动的结果，而且斑裂的发展是一个动态过程，早期裂缝较小，而且是隐伏的，随着开采范围的增大和时间的推移，斑裂不断发展扩大，波及范围大，甚至成组出现。裂缝较宽且已发展到地面的斑裂是可以目测的，但在某些特定的条件下或是斑裂形成初期很难直接发现。由于岩层结构组合及其力学性质的差异,往往造成斑裂发展无规律性，单纯力学预计的可信度较低，在此情况下，借助于对不同的斑裂结构具有不同的地球物理场响应的物探方法，可以对地表隐伏斑裂进行探测。
　　新汶矿业集团公司华丰煤矿一采区主采煤层为二叠系四煤，煤层平均厚度为6.0m，煤系地层上覆岩层由下向上主要为第三系红砂岩层，厚约50m，再向上为第三系砾层，厚约500余米，砾岩之上为第四系土层，厚度仅4～8m。砾岩层厚度大，整体硬度高，第四系表土层又极薄，故井下开采后除地面形成明显沉陷外，地表还出现严重的斑裂，斑裂基本上沿井下工作面走向呈条带状分布，斑裂间距为几米至几十米不等，宽者达2.0m，深度可达10余米。随着开采向深部延深，斑裂已波及工作面上方南梁父村庄，造成部分房屋破坏，特别是存在的隐伏斑裂，隐患更大。
　　为了查清村庄内隐伏斑裂的分布和发育状况，为房屋加固和地基处理提供基础资料，选择综合地球物理方法进行探测。

2　地表斑裂的物理场特征
　　地表斑裂形成后，原先的单一岩体（或土体）被分开，形成新的介质组合，其间的充填物可能是空气、水或黄土等，由于充填物的物性与原先岩（土）体的物性存在差异,因而具备了物探方法探测的物理前提。
2.1　地表斑裂的电场响应特征
　　在地表建立人工稳恒电场，可以测定地下介质的视电阻率。视电阻率的大小与岩性、岩体结构、含水性等有关系。斑裂形成之前，局部范围内岩性基本单一，结构状态相差不大，含水程度也基本一致，在此范围内，岩体视电阻率分布是基本均匀的。斑裂生成之后，裂缝较小的区段视电阻率变化小，而在裂缝较大的区段视电阻率变化大。根据斑裂中充填介质的不同，电场响应特征可以分为两种情况：第一，当斑裂为空的干裂缝，即充填空气，由于空气是绝缘体，视电阻率极高（比岩体的视电阻率高得多），因而新的介质体系呈现高阻特征；第二，当斑裂为水或湿土充填时，由于水（或湿黄土）相比于岩体为低阻体，因而新介质体系呈现低阻特征。所以，进行地下岩（土）体的视电阻率测量可以确定出斑裂具体位置和斑裂的充填物性质。并且，通过测定地下剖面不同深度的视电阻率，可以确定斑裂的发育深度，通过不同时期的动态观测，可以确定斑裂的产生和发展过程。
2.2　地表斑裂的地震波场响应特征
　　地震波在地下介质传播过程中包含着丰富的介质弹性信息，主要有岩体的速度参数、波的衰减特征等，提取这些参数，可以确定岩体的岩性和结构状态。斑裂的产生以及斑裂的不同充填物具有不同的波场响应特征。首先，具有裂缝的岩体的波速较正常岩体的波速低，衰减大，产生斑裂之前的岩体相当于正常岩体，斑裂产生前后波场响应特征不同，因而可以确定斑裂的存在与否。其次，在斑裂的边缘，地震波传播势必会产生绕射现象，改变了传播路径，减小了波的能量。再者，裂缝充填物弹性性质的不同表现为传播速度的不同和衰减特征的不同，在波传播路径中存在空裂缝时，传播速度大大降低，衰减明显变大；当裂缝中有水或有土时，地震波传播速度较正常岩体要小，衰减增大。根据斑裂的地震波场响应特征同样可以确定裂缝的存在与否以及裂缝中的充填物。

3　观测方法试验
　　根据华丰煤矿具体的地层地质条件和斑裂的物理场响应特征，选择电阻率法和地震折射法进行观测试验。试验的原则是从已知到未知，利用地表已知斑裂进行试验，观察不同技术方法对斑裂反映的特征及程度，最终达到高精度、高分辨探测隐伏斑裂的目的。
　　图1为在已知斑裂上进行的电阻率法探测试验，选择方法是复合对称四极剖面法，不同极距控制不同深度横向视电阻率的变化情况，从图1中可以明显看出，所有极距测量结果都明显反映出斑裂的高阻异常，但异常幅度不同。小极距时，ρ_s高阻异常特别明显，随着极距的增大，异常幅度减小，这表明地表浅部斑裂缝较宽，为空裂缝，往深处裂缝变窄，且部分充填有黄土和水，实际情况即是如此。极距的选择要大小适中，极距大时控制深度深，极距小时控制深度浅，最佳供电极距的选择要保证测量深度在第四系浅部、第四系深部以及基岩顶部分别得到控制，从图1中可以看出，供电极距分别为12m、28m、44m时，基本上反映了地表浅、中、深部异常特征的变化情况，试验地点第四系厚度h=8m,因而极距可以分别选择为2h,4h,6h。

图1　已知斑裂上复合对称四极剖面实测ρ_s曲线

　　图2为在已知斑裂上进行的地震折射法试验记录，第6、7、8、9各道之间，第11、12两道之间都存在斑裂，激发点在第8、9道中点，道间距4m，从图2中可以明显看出，第6、7、9、11、12道的初至时间比正常时间大，表明这些道所接收的地震波是通过结构面传播的，传播速度偏低，同时也可看出6、7、9、10、11、12各道的地震波能量偏弱，表明这些道地震波在其传播路径上有软弱面存在，软弱面对能量的吸收衰减是地震波能量偏低的主要原因。因此，地震折射波波速的减小和能量的衰减是与斑裂裂缝完全对应的。

图2　已知斑裂上地震折射波法试验记录

　　上述方法试验表明：利用电阻率剖面法和地震折射波法探测地表斑裂都是完全可行的。相比之下，电阻率剖面法方法简便，效率高，通过不同深度视电阻率的观测，可以控制斑裂的发育深度和形态。地震折射波法利用多参数确定斑裂位置及结构弱面，分辨率高，但要求测线附近无人为震动干扰。

4　隐伏斑裂观测
　　根据村庄内特定的工作环境和已知斑裂的近东西方向分布，选择村庄内仅有的两条南北方向的道路布置测线。考虑到村庄内人为震动因素多，不适合地震折射波法探测，测量方法选择电阻率剖面法。选择电阻率测深法测量第四系厚度，以便确定电剖面法极距。每条测线分别选择中间地段1～2个测点进行实测，根据实测曲线反演第四系厚度，约为7～9m，按方法试验所确定的极距选择原则，确定三个供电极距分别为12m、28m、44m，相应的测量极距分别为4m、6m、8m。
　　图3为测线Ⅰ实测不同极距视电阻率曲线，从图3中可以看出三个极距观测的视电阻率变化趋势基本一致，但大极距的异常反映比小极距的异常反映明显。在剖面100m到140m间，视电阻率变化剧烈，为明显的砾岩层斑裂的视电阻率异常特征，除了地表可见两条斑裂外，其余为隐伏的基岩斑裂，且斑裂规模较大。在此区间两侧，相隔15～20m出现一较小的高阻异常，这是地表土层裂缝的象征。另外在86m测点出现ρ_s低阻异常，判断为隐伏斑裂，且裂缝中充水（或湿土）。上述分析表明：100m～140m间发育有较大规模的主斑裂，对应视电阻率异常幅度较大，主斑裂走向延伸长，对基岩砾岩层裂缝。在主斑裂形成过程中，产生较大的水平拉应力，使表土层形成一些规模较小的裂缝，对应视电阻率异常幅度较小，虽然这些裂缝不是基岩断裂，但因地表水平移动大，却能造成房屋的受拉破坏。

图3　测线Ⅰ复合对称四极电阻率剖面及解释结果

5　结　语
　　通过复合对称四极剖面和地震折射波法的试验及实测，地表隐伏斑裂的电场和地震波场响应特征都比较明显，主斑裂和表土裂缝的响应特征也有明显的不同。利用上述地球物理方法探测开采引起的地表隐伏斑裂是非常有效的，可为地表房屋加固、减小房屋损坏以及地基加固处理提供可靠的技术保障。

作者简介:程久龙，男，副教授，1986年毕业于合肥工业大学，现任山东矿业学院特殊开采研究所副所长，从事矿井特殊开采和应用地球物理的科研和教学工作。公开发表学术论文30余篇。

作者单位：（山东矿业学院）