微動與地震映像在采空區勘察中的應用

左國青，方 華

(1.水能資源利用關鍵技術湖南省重點實驗室，湖南長沙410014；2.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南長沙410014；3.中南大學地球科學與信息物理學院，湖南長沙410014)

0 引 言

采空區是人為挖掘或天然地質運動在地表下產生的空洞，采空區的存在使得礦山的安全生產面臨很大的安全問題，人員與機械設備都可能掉入采空區內。由于地下采空區具有隱伏性強、空間分布特征規律性差、采空區頂板冒落塌陷情況難以預測等特點，因此，如何對地下采空區的分布范圍、空間形態特征和采空區的冒落狀況等進行量化評判，一直是困擾工程技術人員進行采空區潛在危害性評價及合理確定采空區處治對策的關鍵技術難題。由于地下采空區與圍巖之間存在明顯的地震波彈性差異，本文嘗試采用地震映像法和微動法對采空區進行綜合勘探分析。

1 勘探原理

1.1 微動勘探

微動是一種由體波(P波和S波)和面波(瑞利波和拉夫波)組成的復雜振動[1]，源于自然界和人類的各種活動，所以探測時不需要震源。其中，面波的能量占總能量70%以上，具有低頻、低速、能量強和頻散特性，攜帶著地下地層結構信息。盡管微動信號振幅和形態隨時空變化，但在一定時空范圍內具有統計穩定性，可用時間和空間上的平穩隨機過程描述。微動探測方法就是以平穩隨機過程理論為依據，從微動信號中提取面波頻散曲線，通過對頻散曲線反演獲得地下介質的橫波速度結構，利用速度與巖土物理力學性質的相關性解決諸多工程地質問題，如探測斷層、采空區等不良地質體的分布情況。

典型微動勘探得到的實測波形見圖1。數據的處理流程主要是采用空間自相關(SPAC)法或頻率-波數(F-K)法，從微動記錄中提取瑞雷波并計算頻散曲線，用遺傳算法由相速度頻散曲線反演地下S波速度結構，反演計算前先給定初始模型(層數及層厚范圍)，再求得S波速度的最優解。

圖1 典型微動勘探波形

空間自相關法主要是在時間域進行面波提取的一種比較簡便、實用的方法。對野外所接收的數據首先在時間域進行窄帶濾波處理，求出不同頻率的空間自相關系數ρ，ρ實際是面波頻率成分f及空間坐標的函數，不但與頻率有關，還與拾震器的位置有關。從形態上看，實測空間自相關曲線應是近似于零階貝塞爾函數曲線，通過它求取效正值，再加入空間坐標參數就可以提取各個頻點的相速度，從而畫出相速度-頻散曲線，進而進行地質分層。

頻率-波數方法是在頻率域進行面波提取的一種方法。首先對野外所采集的數據，通過傅氏變換對原始數據進行帶通濾波，去除各種干擾信號，再通過最大似然法等方法求取各個頻率成分的功率譜的分布圖，此功率譜是空間坐標的單值函數，所以可以比較方便地得到相速度-頻散曲線，進行地質分層。

圖2為微動探測采空區測線面波典型速度剖面。由于微動勘探與常規的地震勘探相比具有現場場地工作條件要求不高、不受各地層速度的影響、對淺部地層分辨率高等特點，使得微動勘探技術得到快速發展[2]。

圖2 微動測線面波速度剖面

1.2 地震映像勘探

地震映像法是根據反射法中的最佳偏移距技術，在最佳窗口內選擇1個最佳偏移距，激發點與檢波點的距離固定不變(一般采用鐵錘錘擊作為震源)[3]，每激發1次，記錄1～3道，輸入地震儀，同時移動激發點及檢波點。通過地震儀記錄及計算機進行數據處理解釋，可獲得1條最佳偏移距地震反射時間剖面，再現地下地層結構形態。由于是在最佳窗口內選擇的公共偏移距，因此不受振幅和相位變化的影響，可在現場顯示出似t0時間剖面圖。

當地下存在一定范圍的構造帶或洞穴等地質異常時，在構造帶或溶洞的位置會產生反射及繞射波，地震波同相軸的特征會發生變化。因此，可根據反射時間剖面圖，分析同相軸的變化特征，判斷構造帶或洞穴等的位置、埋深及空間展布情況。

2 工程應用

廣西某煤礦采空區停產多年，對上方構筑物存在安全隱患，有必要采用一定的檢測手段和技術查明其分布狀況，為后續處理和施工提供依據。鑒于探查區內地面復雜的工作條件，低矮民居、工棚、各類電線電纜交錯散布，電法及電磁法類物探勘探方法因干擾源太多而使用受限，考慮到地下采空區與圍巖之間存在明顯的地震波彈性差異，故采用地震映像和微動法進行綜合勘探。

因地面民居散布的限制，勘探工作布置時只能因地制宜，不強求呈等間距、測線平行的測網。測線和測點適當在建筑物間繞行通過，各測線均開展地震映像法和微動勘探測試。地震映像法采用工程地震儀、100Hz檢波器，測點距和道間距均為2 m，偏移距8 m，采用人工錘擊震源；微動勘探采用工程地震儀和2 Hz低頻檢波器，測點距為3～5 m。

圖3為測區內典型的地震映像法在測線K4上的反射時間剖面。根據反射波同相軸形態和異常判斷，該測線116～150 m段出現異常區。微動勘探在地震映像異常區段測點的頻散曲線反演結果見圖4。比較圖3、4可知，2種方法勘探結果較吻合。

根據經驗統計及本次微動勘探分析，地下巖體的判斷標準如下：面波速度Vs<350 m/s為覆蓋層；Vs>600 m/s為基巖巖體；巖溶發育或富水巖體存在的低速異常區為采空區。依據面波速度Vs的大小并結合地震映像數據，可直接推斷采空區部位，速度越高其密實度越好，反之則密實度差。微動測線勘探Vs分布見圖5。從圖5可知，該測線淺部3 m左右整體波速Vs在300 m/s左右，推測為覆蓋層反應；中部3～5 m平均波速Vs在540 m/s左右，為基巖反應；測線平距116～150 m段深度5～8 m有一相對低速異常帶，波速Vs為280 m/s左右，發現低波速軟弱部位；同樣，在地震映像剖面中同一部位附近波形異常，出現明顯雙曲線型同相軸，綜合推測該部位為采空區反應。

圖3 K4測線地震映像反射時間剖面

圖4 頻散曲線反演結果

圖5 K4測線微動測線勘探Vs分布

3 結 語

隨著人類活動范圍越來越大，電磁等物探手段受到嚴重干擾。而微動探測方法則不受電磁等干擾影響，具有設備簡單、無損、輕便、操作簡便、高效、探測深度相對較大、對場地及其環境噪聲無特殊要求、無需人工震源等優點，可根據反演的S波波速推斷采空區。但由于反演的S波速度為平均波速，分辨率有限，故結合地震映像或其他方法可以得到更加精確的結果[4- 6]。

地震映像法采集速度快，但勘探深度有限，抗干擾能力弱，不宜確定最佳偏移距，故結合地震微動法勘探不失為一種高效的探測采空區的方法。同時，在資料解釋過程中，建議加強收集已知資料，優化現有程序，對初始模型進行調整，利用頻散進行廣義線性反演，并結合多種物探手段綜合分析，提供真實可靠的物性參數。

[1] 劉康和. 面波探測新技術綜述[J]. 電力勘測, 1997, 6(2)： 61- 64．

[2] 祁生文, 孫進忠, 何華. 瑞雷波勘探的研究現狀及展望[J]. 地球物理學進展, 2002, 17(4)： 630- 635．

[3] 單娜琳, 程志平. 地震映像方法及其應用[J]. 桂林工學院學報, 2003, 23(1)： 36- 40．

[4] 嚴壽民. 瞬態瑞雷波勘探方法[J]. 物探與化探, 1992, 16(2)： 113- 119．

[5] 崔占榮, 張世洪, 張俊喻, 等. 瞬態瑞雷波勘探中一些問題的探討[J]. 物探與化探, 1995, 19(5)： 367- 377．

[6] 劉黎東, 馮彥謙. 瑞雷波速度與橫波速度在第四系勘察中的相關性探討[J]. 工程地球物理學報, 2009, 6(z1)： 8- 10．