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1 工程概况
南京市江宁区陈家边居民区出现地面塌陷，威胁着当地居民的生命财产安全。塌陷区历史上曾开采过煤炭，地面曾分布有多个井口，目前已全部填平。我院对塌陷区进行了浅地震、高密度电法和探地雷达三种方法的综合物探勘察，以查明塌陷原因及危险区域，查明井口分布位置及性质，查明地下采煤坑道的分布范围及深度，从物探角度进行分析研究，为下一步灾害治理提供物探依据。
根据现场条件，共布置7条高密度电法测线，6条浅层地震测线，完成探地雷达测点4050点，本次综合物探勘察工作发现了8处异常点，确定了部分异常点为井口位置，划分了地下异常区域，并对综合物探异常点进行钻探验证，完成了本次物探勘察任务。
2 工区地质概况及物性特征
2.1地质概况
钻孔资料揭示塌陷区覆盖层主要为耕土、杂填土等，基岩为砂岩、泥质粉砂岩。
2.2物性特征
根据以往资料，区内主要岩性的物性参数归纳于表1。
分析物性表可知：
⑴坑道顶面可构成良好的地震反射界面；在地震时间剖面图上出现绕射、相位突现、反射相位不连续、信号紊乱等现象。
⑵井中及坑道被土或水充填时，与周边基岩存在较大电磁波介电常数及电性差，这是探地雷达和高密度电法进行坑道探测的地球物理前提。
物性参数表表1
地层名称 岩性 波速 电磁波介电常数 电阻率（Ω·ｍ）
Vs(m/s) Vp(m/s)
Q 杂填土 120-240 600-1300 4-30 30-50
砂岩 1100-2800 3800-4850 6 300-10000
泥质粉砂岩 450-1270 1100-2280 5-15 100-3000
3 工作方法与技术
3.1工作难点
塌陷区位于居民区，建筑物较多，场地条件限制了各种物探方法的测线布置，从而影响勘察效果
3.2技术思路。
根据规范要求及以往物探经验，结合本次工作目的及现场地质条件，本次勘察主要采用浅地震横波法和高密度电法，浅部辅以探地雷达勘测手段。
3.3测线布置、工作量
本次勘察根据测区地形特点及现场条件，结合当地居民指出的原有井口位置，东西向布置了A1至A4、南北向布置了A5至A9测线，其中A1、A2、A4测线穿越当地居民指出的原有井口位置，高密度电法在测线A1、A2、A3、A4、A5、A7、A9上开展工作；浅层地震勘察在测线A1、A2、A3、A4、A5、A7上开展工作，探地雷达在测线A2、A3、A4、A6、A7、A8上开展工作。
3.4测地工作
本次所有物探测线位置，均根据1：1000地形图定点进行布置，端点坐标采用GPS进行测定，所有地震检波器、炮点位置和电法电极布设均采用测绳量距法确定。
3.5浅地震勘察
（1）仪器设备
地震仪：采用美国最新产品NZXP专业型高精度浅层地震仪。
震源：采用18磅大锤锤击铁板方式。
检波器：采用38Hz横波检波器。
（2）施工方式
本次地震勘察采用横波反射法，经现场试验、施工选用参数为：
道间距：1m排列长度：23m
迭加次数：4次 中间激发
记录长度：1024ms采样率：1ms
（3）资料处理
根据单炮记录特征及勘探目的层要求，首先对野外地震仪采集的有效炮进行常规处理，工作流程为：数据解编→动平衡→频谱分析→滤波→速度分析→抽道→动校正→剖面输出。
在上述常规处理的基础上，后期在工作站进行真振幅恢复，多道反褶积、FK滤波等特殊处理，以及动平衡、剖面滤波，归一化处理，以期达到突出有效波、压制干扰波之目的，形成最终反射地震时间剖面图。
3.6高密度电法
（1）仪器设备
高密度电法勘察采用国产DUK—2型多功能数字电测仪。该仪器观测精度高，且采用人机对话方式，操作方便。
（2）施工方式
工作装置采用温纳装置。电极间距离1—2米，一次布极60—110根，排列长度为120—220米，每排列观测29层。供电采用270伏直流电。
（3）高密度电法资料处理
所有高密度电法勘察采集的视电阻率值（ρS）资料经输入计算机处理后，绘制成高密度电法视电阻率断面图和反演解释断面图。
3.7地质雷达
（1）仪器设备
外业数据采集系统采用瑞典产RAMAC型地质雷达及与其配套的低频天线。
（2）施工方法及参数设置
观测方式采用沿剖面连续测量。扫描数、天线频率、记录长度等技术参数根据现场试验取得。
天线频率：250MHz、100MHz 采集模式：连续
记录长度：180ns、320ns 样点数：512
字节数：16
4 工作成果及解释
4.1浅地震勘察成果解释
分析所获得的横波反射资料，时间剖面（插图1、2）波组发育特征反映的地下地质情况自上而下解释如下：
（1）时间剖面显示浅部20-70ms 发育有一反射波组，该波组反射能量较强、平缓完整，相位较稳定，连续性好，反映的是测区基岩面起伏形态，基岩埋深2-7m。
插图1A2测线地震时间剖面
插图2A3测线地震时间剖面
（2）时间剖面显示150ms以浅基岩内波组不发育，未见异常相位出现，特别是绕射相位出现，反映地震测线上25m以浅应无坑道存在。
（3）时间剖面显示200ms附近相位较发育，存在多组反射相位，反映基岩内该段物性变化较大，其深度应大于35m，特别是A3测线61-152m（时间剖面图61-243CDP段）处，反射相位起伏变化多、连续性差，局部有绕射相位出现，反射波波组特征与两侧相比显得比较紊乱（插图2），一般而言，基岩内物性的变化、采过煤的坑道、蜂窝状煤层都能产生此类相位特征，而该段为已知井口及塌陷点较集中区，因此该异常段应为本次灾害地质调查重点关注区域。
4.2高密度电法成果解释
高密度电法发现低阻异常点8个，分别为Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y7、Y8，各异常点所在测线及特征分别叙述如下：
（1）A1测线
A1测线位于勘察区域的北面山坡上，高密度测线长118m，方向近东西（插图3）。
该测线的中心经过老乡指认的旧矿井正上方，在测线62m（高密度视电阻率断面图58m）正下方，视电阻率曲线呈现直立条带状的低阻特征，反演解释断面图上有一明显的直筒状低阻异常，编号Y1，该异常推断为旧矿井的反映。
插图3A1测线高密度电法视电阻率等值线反演解释断面图
（2）A2测线
A2测线位于勘察区域的中部，高密度测线长178m，方向近东西（插图4）。
该测线经过老乡指认的旧矿井旁，在测线67m（高密度视电阻率断面图64m）的下方，视电阻率曲线出现低阻异常，反演解释断面图上有一明显的直筒状低阻异常，编号Y2，该异常推断为旁侧旧矿井的反映。
插圖7A2测线高密度电法视电阻率等值线反演解释断面图
插图6A1测线高密度电法视电阻率等值线反演解释断面图
插图4A2测线高密度电法视电阻率等值线反演解释断面图
在高密度视电阻率断面图100—120m处，视电阻率低阻异常范围大，且数值小，在反演解释断面图的呈现高脚酒杯状低阻异常，推测推断为该处的基岩面下凹所致。
（3）A3测线
A3测线位于勘察区域的南侧道路上，高密度测线长218m，方向近东西（插图5）。
该测线沿新老塌陷坑走向布置，偏塌陷坑南约6m。在测线156m、121m、87m（高密度视电阻率断面图64m、100m、134m）的下方，出现三个低阻异常。
测线156m处的视电阻率曲线从上至下低阻特征明显，反演解释断面图上有一明显的直筒状低阻异常，编号Y5，经钻探验证为基岩破碎所致。
插图5A3测线高密度电法视电阻率等值线反演解释断面图
测线121m处的视电阻率曲线在下部出现不明显的扭曲，反演解释断面图上在下部有一半球状的低阻异常，编号Y6，推测该处异常为深部或旁侧的基岩破碎或其它因素引起，但该异常处于老采煤场的区域，其位置和下述的Y8位置很靠近，所以也有可能是旁侧旧矿井的反映。
测线87m处的视电阻率曲线在下部出现直立下行的低阻特征，反演解释断面图在下部出现较明显的半球状低阻异常，编号Y7，经钻探验证为基岩破碎裂隙发育所致。
（4）A4测线
A4测线位于勘察区域南面的村活动中心运动场北侧，方向近东西，高密度测线长109m（插图6）。
插图6A4测线高密度电法视电阻率等值线反演解释断面图
该测线经过老乡认为应该有旧矿井的地方，在测线69m(高密度视电阻率断面图6) 的下方,视电阻率曲线有弯曲现象，反演解释断面图在该处有一直筒状低阻异常，编号Y8，该异常推断为旧矿井的反映。
（5）A5测线
A5测线位于勘察区域的西部山坡上，高密度测线长178m，方向近南北。
该测线的高密度视电阻率断面图在测线的80m、118m处出现两个低阻异常（插图7）。
80m处的视电阻率曲线明显直立下凹，反演解释断面图上有一明显的上窄下宽的低阻异常，编号Y3，经钻探验证为采煤坑道反映，顶板深约13米，底板深约26米。
插图7A5测线高密度电法视电阻率等值线反演解释断面图
118m处的视电阻率曲线明显南倾下凹，反演解释断面图上有一明显的直筒状的低阻异常，编号Y4，该处正好位于一陡坎处，推测可能是地形引起，也可能是基岩裂隙破碎所致。
4.3地质雷达成果解释
本次地质雷达工作仅在已知的井口及当地居民指示的洞口周边进行探测，由于低频天线不屏蔽，现场干扰较大，只能采用屏蔽的高频天线进行探测，因此探测深度较浅。其目的是追踪井口下坑道走向。探测的地质雷达时间剖面图（插图8）显示井口周边10 m以浅未出现多次反射及绕射状异常波形，结合浅地震横波法和高密度电法成果，推断采煤井应为竖井，而非斜井。
插图8 A3测线地质雷达时间剖面图
5 结论
通过本次综合物探勘察工作，可得出以下结论：
（1）、在地面塌陷及采空区探测时，浅地震、高密度电法和探地雷达等方法的综合物探勘察是一种有效的技术手段，具有无损、高效、快捷、安全、准确等优点，在城市建设地下工程探测中可广泛得到应用。
（2）、各物探方法有其优缺點，在工作中应根据探测目的及现场条件合理布置测线及选择工作方法。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
南京市江宁区陈家边居民区出现地面塌陷，威胁着当地居民的生命财产安全。塌陷区历史上曾开采过煤炭，地面曾分布有多个井口，目前已全部填平。我院对塌陷区进行了浅地震、高密度电法和探地雷达三种方法的综合物探勘察，以查明塌陷原因及危险区域，查明井口分布位置及性质，查明地下采煤坑道的分布范围及深度，从物探角度进行分析研究，为下一步灾害治理提供物探依据。
根据现场条件，共布置7条高密度电法测线，6条浅层地震测线，完成探地雷达测点4050点，本次综合物探勘察工作发现了8处异常点，确定了部分异常点为井口位置，划分了地下异常区域，并对综合物探异常点进行钻探验证，完成了本次物探勘察任务。
2 工区地质概况及物性特征
2.1地质概况
钻孔资料揭示塌陷区覆盖层主要为耕土、杂填土等，基岩为砂岩、泥质粉砂岩。
2.2物性特征
根据以往资料，区内主要岩性的物性参数归纳于表1。
分析物性表可知：
⑴坑道顶面可构成良好的地震反射界面；在地震时间剖面图上出现绕射、相位突现、反射相位不连续、信号紊乱等现象。
⑵井中及坑道被土或水充填时，与周边基岩存在较大电磁波介电常数及电性差，这是探地雷达和高密度电法进行坑道探测的地球物理前提。
物性参数表表1
地层名称 岩性 波速 电磁波介电常数 电阻率（Ω·ｍ）
Vs(m/s) Vp(m/s)
Q 杂填土 120-240 600-1300 4-30 30-50
砂岩 1100-2800 3800-4850 6 300-10000
泥质粉砂岩 450-1270 1100-2280 5-15 100-3000
3 工作方法与技术
3.1工作难点
塌陷区位于居民区，建筑物较多，场地条件限制了各种物探方法的测线布置，从而影响勘察效果
3.2技术思路。
根据规范要求及以往物探经验，结合本次工作目的及现场地质条件，本次勘察主要采用浅地震横波法和高密度电法，浅部辅以探地雷达勘测手段。
3.3测线布置、工作量
本次勘察根据测区地形特点及现场条件，结合当地居民指出的原有井口位置，东西向布置了A1至A4、南北向布置了A5至A9测线，其中A1、A2、A4测线穿越当地居民指出的原有井口位置，高密度电法在测线A1、A2、A3、A4、A5、A7、A9上开展工作；浅层地震勘察在测线A1、A2、A3、A4、A5、A7上开展工作，探地雷达在测线A2、A3、A4、A6、A7、A8上开展工作。
3.4测地工作
本次所有物探测线位置，均根据1：1000地形图定点进行布置，端点坐标采用GPS进行测定，所有地震检波器、炮点位置和电法电极布设均采用测绳量距法确定。
3.5浅地震勘察
（1）仪器设备
地震仪：采用美国最新产品NZXP专业型高精度浅层地震仪。
震源：采用18磅大锤锤击铁板方式。
检波器：采用38Hz横波检波器。
（2）施工方式
本次地震勘察采用横波反射法，经现场试验、施工选用参数为：
道间距：1m排列长度：23m
迭加次数：4次 中间激发
记录长度：1024ms采样率：1ms
（3）资料处理
根据单炮记录特征及勘探目的层要求，首先对野外地震仪采集的有效炮进行常规处理，工作流程为：数据解编→动平衡→频谱分析→滤波→速度分析→抽道→动校正→剖面输出。
在上述常规处理的基础上，后期在工作站进行真振幅恢复，多道反褶积、FK滤波等特殊处理，以及动平衡、剖面滤波，归一化处理，以期达到突出有效波、压制干扰波之目的，形成最终反射地震时间剖面图。
3.6高密度电法
（1）仪器设备
高密度电法勘察采用国产DUK—2型多功能数字电测仪。该仪器观测精度高，且采用人机对话方式，操作方便。
（2）施工方式
工作装置采用温纳装置。电极间距离1—2米，一次布极60—110根，排列长度为120—220米，每排列观测29层。供电采用270伏直流电。
（3）高密度电法资料处理
所有高密度电法勘察采集的视电阻率值（ρS）资料经输入计算机处理后，绘制成高密度电法视电阻率断面图和反演解释断面图。
3.7地质雷达
（1）仪器设备
外业数据采集系统采用瑞典产RAMAC型地质雷达及与其配套的低频天线。
（2）施工方法及参数设置
观测方式采用沿剖面连续测量。扫描数、天线频率、记录长度等技术参数根据现场试验取得。
天线频率：250MHz、100MHz 采集模式：连续
记录长度：180ns、320ns 样点数：512
字节数：16
4 工作成果及解释
4.1浅地震勘察成果解释
分析所获得的横波反射资料，时间剖面（插图1、2）波组发育特征反映的地下地质情况自上而下解释如下：
（1）时间剖面显示浅部20-70ms 发育有一反射波组，该波组反射能量较强、平缓完整，相位较稳定，连续性好，反映的是测区基岩面起伏形态，基岩埋深2-7m。
插图1A2测线地震时间剖面
插图2A3测线地震时间剖面
（2）时间剖面显示150ms以浅基岩内波组不发育，未见异常相位出现，特别是绕射相位出现，反映地震测线上25m以浅应无坑道存在。
（3）时间剖面显示200ms附近相位较发育，存在多组反射相位，反映基岩内该段物性变化较大，其深度应大于35m，特别是A3测线61-152m（时间剖面图61-243CDP段）处，反射相位起伏变化多、连续性差，局部有绕射相位出现，反射波波组特征与两侧相比显得比较紊乱（插图2），一般而言，基岩内物性的变化、采过煤的坑道、蜂窝状煤层都能产生此类相位特征，而该段为已知井口及塌陷点较集中区，因此该异常段应为本次灾害地质调查重点关注区域。
4.2高密度电法成果解释
高密度电法发现低阻异常点8个，分别为Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y7、Y8，各异常点所在测线及特征分别叙述如下：
（1）A1测线
A1测线位于勘察区域的北面山坡上，高密度测线长118m，方向近东西（插图3）。
该测线的中心经过老乡指认的旧矿井正上方，在测线62m（高密度视电阻率断面图58m）正下方，视电阻率曲线呈现直立条带状的低阻特征，反演解释断面图上有一明显的直筒状低阻异常，编号Y1，该异常推断为旧矿井的反映。
插图3A1测线高密度电法视电阻率等值线反演解释断面图
（2）A2测线
A2测线位于勘察区域的中部，高密度测线长178m，方向近东西（插图4）。
该测线经过老乡指认的旧矿井旁，在测线67m（高密度视电阻率断面图64m）的下方，视电阻率曲线出现低阻异常，反演解释断面图上有一明显的直筒状低阻异常，编号Y2，该异常推断为旁侧旧矿井的反映。
插圖7A2测线高密度电法视电阻率等值线反演解释断面图
插图6A1测线高密度电法视电阻率等值线反演解释断面图
插图4A2测线高密度电法视电阻率等值线反演解释断面图
在高密度视电阻率断面图100—120m处，视电阻率低阻异常范围大，且数值小，在反演解释断面图的呈现高脚酒杯状低阻异常，推测推断为该处的基岩面下凹所致。
（3）A3测线
A3测线位于勘察区域的南侧道路上，高密度测线长218m，方向近东西（插图5）。
该测线沿新老塌陷坑走向布置，偏塌陷坑南约6m。在测线156m、121m、87m（高密度视电阻率断面图64m、100m、134m）的下方，出现三个低阻异常。
测线156m处的视电阻率曲线从上至下低阻特征明显，反演解释断面图上有一明显的直筒状低阻异常，编号Y5，经钻探验证为基岩破碎所致。
插图5A3测线高密度电法视电阻率等值线反演解释断面图
测线121m处的视电阻率曲线在下部出现不明显的扭曲，反演解释断面图上在下部有一半球状的低阻异常，编号Y6，推测该处异常为深部或旁侧的基岩破碎或其它因素引起，但该异常处于老采煤场的区域，其位置和下述的Y8位置很靠近，所以也有可能是旁侧旧矿井的反映。
测线87m处的视电阻率曲线在下部出现直立下行的低阻特征，反演解释断面图在下部出现较明显的半球状低阻异常，编号Y7，经钻探验证为基岩破碎裂隙发育所致。
（4）A4测线
A4测线位于勘察区域南面的村活动中心运动场北侧，方向近东西，高密度测线长109m（插图6）。
插图6A4测线高密度电法视电阻率等值线反演解释断面图
该测线经过老乡认为应该有旧矿井的地方，在测线69m(高密度视电阻率断面图6) 的下方,视电阻率曲线有弯曲现象，反演解释断面图在该处有一直筒状低阻异常，编号Y8，该异常推断为旧矿井的反映。
（5）A5测线
A5测线位于勘察区域的西部山坡上，高密度测线长178m，方向近南北。
该测线的高密度视电阻率断面图在测线的80m、118m处出现两个低阻异常（插图7）。
80m处的视电阻率曲线明显直立下凹，反演解释断面图上有一明显的上窄下宽的低阻异常，编号Y3，经钻探验证为采煤坑道反映，顶板深约13米，底板深约26米。
插图7A5测线高密度电法视电阻率等值线反演解释断面图
118m处的视电阻率曲线明显南倾下凹，反演解释断面图上有一明显的直筒状的低阻异常，编号Y4，该处正好位于一陡坎处，推测可能是地形引起，也可能是基岩裂隙破碎所致。
4.3地质雷达成果解释
本次地质雷达工作仅在已知的井口及当地居民指示的洞口周边进行探测，由于低频天线不屏蔽，现场干扰较大，只能采用屏蔽的高频天线进行探测，因此探测深度较浅。其目的是追踪井口下坑道走向。探测的地质雷达时间剖面图（插图8）显示井口周边10 m以浅未出现多次反射及绕射状异常波形，结合浅地震横波法和高密度电法成果，推断采煤井应为竖井，而非斜井。
插图8 A3测线地质雷达时间剖面图
5 结论
通过本次综合物探勘察工作，可得出以下结论：
（1）、在地面塌陷及采空区探测时，浅地震、高密度电法和探地雷达等方法的综合物探勘察是一种有效的技术手段，具有无损、高效、快捷、安全、准确等优点，在城市建设地下工程探测中可广泛得到应用。
（2）、各物探方法有其优缺點，在工作中应根据探测目的及现场条件合理布置测线及选择工作方法。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。