微動探測技術在采空區勘查中的應用

李冬冬，李 劍

（安徽省地質礦產勘查局321 地質隊，安徽 銅陵 244000）

針對金屬礦山開采形成的采空區問題，采用合理、有效的勘查方法，查清其埋深及空間分布特征，為下一步評價、治理及其施工提供了有力的依據。利用微動探測技術方法具有的高效、無損、抗干擾性強等優點，在目前采空區類勘查中發揮著重要作用。

1 采空區地球物理特征

勘查區為銅陵市某建設地塊，根據勘查區地層條件分析，淺部第四系地層主要為回填的碎石與粉質黏土層，下部基巖為大理巖。微動技術主要通過波速特征來判別地下地質體分布特征，一般在巷道、采空區或破碎帶附近，平穩狀態下的應力突然遭到破壞后，采空區發生崩落，采空區、巷道被地下水、松散堆積巖體等介質所充填，填充區內介質與完整的圍巖相比存在明顯的物性（波速）差異，而且在發生崩落上部巖層較破碎，裂隙較為發育，近似表現為“漏斗”狀的低速異常帶，可采用空間自相關分析方法來定位地下采空區空間分布特征。

圖1 微動臺陣探測流程圖

2 工作原理及方法

2.1 基本原理

地球表面存在著復雜的微弱振動，其主要是由體波和面波構成的，且面波的能量信號占70%以上，面波信息受介質影響較大。通過拾振器采集的振動信號，其形態與振幅是隨著時間和空間變化而變化的，但在一定的時空域，具有平穩性、隨機性的特點。微動技術以平穩、隨機為基礎，提取有用的面波信號，開展空間自相關分析法（SPAC）或擴展空間自相關（ESPAC），反演得到地下介質視橫波速，在采空區勘查中，一般以低速異常作為采空區識別的主要標志（圖1）。

2.2 工作方法

圖2 微動常用臺陣測點布置圖

目前微動探測布置的臺陣主要有直線形、十字形、T 形、L形，圓形、嵌套式等邊三角形等（圖2），李娜通過對嵌套式等邊三角形、圓形、L 形、直線形臺陣進行對比實驗得出，場地施工條件較好時，應該首選嵌套式三角形與圓形臺陣，因為其提取的能量譜較為集中，而且能夠兼顧深、淺部的地層信息[1]；在受場地條件約束的情況下，且勘查目的層位較淺時，可布置L 形臺陣；當勘查中淺部地層情況時，選擇直線形臺陣，可提高野外施工效率，在一般的情況下，為了保證采集效果的有效性，目前采用圓形或嵌套式等邊三角形臺陣較多[2]。

3 應用實例

本項目主要為了查明場地下埋深約65m、95m、125m 深的采空區位置，場地地形平整，采用嵌套式等邊三角形臺陣，設計的臺陣半徑r 為7.5m、15m、30m，測點點距為40m，每點觀測時間為40min，根據設計的測線，由小號向大號端逐點觀測，采用頻率為2Hz 拾振器，同時可以采集三個方位的振動信號。

從天然源面波Vs 速度等值線斷面圖（圖3-a）來分析，在整個斷面的層位清晰，斷面整體在縱向上波速表現從低至高的變化趨勢，在淺部標高約+40m ～+70m 深度范圍內，Vs 為300m/s ～550m/s，表現低速特征，局部分布不均勻，結合場地實際情況，推測為淺部回填碎石土引起的；通過橫、縱向剖面相對比分析，在水平位置30m ～140m，標高約-55m ～+50m 范圍內，表現為相對低速異常，其中在-55m ～-8m 標高，表現為上部波速相對較低，下部-55m 標高波速相對較高，推測采空區頂板發生崩落，在底板形成堆積松散體，因此在縱向上推斷-25m、-55m 標高采空區發生崩落，下部堆積松散巖體厚度約12m，縱向上，-25m、-55m所組成的采空區高度約47m。在水平位置約118m ～122m，標高約-25m ～+20m，為封閉的低速異常，推測標高范圍內為+5m 巷道采空區的底板，-25m 采空區的頂板，由此可以推測-25m、+5m標高兩個采空區未發現明顯的崩落現象，推測+5m 標高采空區高度約15m，-25m 標高采空區高度約25m。在采空區的上部或兩側低速異常，解釋為巖溶、破碎裂隙發育區域。

根據以上異常，布置相應鉆孔Zk1 驗證異常，在+20m 標高出現鉆孔取芯率低、掉鉆、漏水嚴重現象，與物探推測的異常相吻合。

4 結語

結合本次微動探測成果分析，其利用環境背景噪聲，采用SPAC 分析法，反演得到地下介質的視橫波縱橫向速度結構，來推斷采空區分布位置，最后加以鉆孔驗證的情況下，說明微動技術在采空區勘查中具有良好的應用效果。

圖3 微動推測綜合剖面圖

微動技術作為一種新型的技術方法，其野外數據的采集與處理手段還需進一步優化，可適當采用多種探測方法相結合，相互驗證，提高勘查的精度，有效地解決實際地質問題。