地脈動勘探在礦區下部采空區探測中的應用

孫 康

(西南交通大學地球科學與環境工程學院，四川成都 611756)

1 地脈動勘探技術

地下采空區的存在是當今工程建設中的一大難題，威脅著采空區上部路基、橋基及隧道等工程建設的施工安全和運營安全。同時，礦區地下隱伏采空區極大的限制了采礦業的發展，隨著礦井開采范圍的延拓與加深，坍塌事故的發生幾率也在逐步提升，因此無論工程建設還是采礦工程計劃執行都需要有效查明地下采空區展布范圍。目前世界各國地下采空區探測主要利用地球物理探測方法，其中地脈動勘探是地下采空區勘探的常用技術。地脈動勘探是被動源探測法的一種，地脈動信號是指地球近表面各種頻率的微小振動集合，雖然在天然地震研究中一般稱之為背景噪聲，但地脈動信號中包含了豐富的地質信息，能夠有效探測地下地質結構。地脈動勘探相較于傳統地震勘探方法，其具有無需人工震源輔助、受環境影響小的優勢[1-2]。

2 技術原理

地脈動信號組成成分主要是體波(P波和S波)、面波(Rayleigh波和Love波)，其能量約占總能量的70%，在進行地脈動探測時一般利用信號中的瑞利面波成分，通過一定排列的地震臺陣記錄地脈動信號，并利用空間自相關方法提取其瑞利面波頻散曲線進行反演獲得該場地的橫波(S波)速度結構[3]。

空間自相關理論由Aki于1956年首先提出，后經多個學者發展并完善，其基本理論是假設地脈動信號為關于時間與空間位置的平穩隨機過程。在這一假設之下，對于相對距離為的2個地震觀測臺站(檢波器)記錄到的地脈動信號，將信號進行方位平均后可以利用零階貝塞爾函數近似空間自相關系數的計算[4]。

自相關系數按式(1)、式(2)計算：

(1)

(2)

3 實例應用

本章主要以福建省某礦場地下采空區塌陷區調查項目為例，從實際應用的角度出發介紹地脈動法在地下采空區探測中的數據采集及處理方法。

3.1 場地概況及物探工作布置

該礦區受早期采礦活動影響，在標段的83線-87線間地表發生局部塌陷，為保證礦山開采活動的安全，擬對塌陷區開展地球物理勘查，目的在于查明塌陷所在區域的采空區平面分布范圍及空間展布特征。該區域屬閩西山地博平嶺山脈的中段山嶺地帶，地貌上屬構造侵蝕地形，地形較復雜，主要為山嶺及部分丘陵、谷地。礦區位于龍巖盆地東南部中低山區，山巒連綿起伏，“V”形溝谷發育，屬侵蝕中低山地貌類型。其東西兩側由泥盆系南靖群淺變質巖和花崗巖體組成的近南北向分水嶺，礦區處于分水嶺至河谷過渡地帶，侵蝕作用顯著，地形切割強烈，大體呈北東向(圖1)。

圖1 現場照片

勘探區地形起伏較大，物探工作設計測線與已有地質勘探線平行，測線大致與地形等高線平行，為盡量減小地形影響，兼顧質量及效率，本次微動探測臺站排列選用直線型，臺陣排列方向與測線重合,為保障勘探精度，采用的微動儀器的頻帶范圍為0.05～230 Hz，工作參數臺站間距設置為20 m，采樣率1 000，每個點有效同步觀測時長不少于30 min，每條測線布設29個觀測臺站，場地概況及測線分布如圖2所示。

3.2 數據處理

對地脈動信號數據的處理大體可分為4個部分：預處理、空間自相關計算、提取頻散曲線和地層橫波速度結構反演。

3.2.1 預處理

地脈動信號也叫微動信號振動，周圍出現人類的日常活動、環境因素等都會對信號造成干擾，導致觀測數據中包含很多干擾信息。因此，在進行自相關計算前需要對采集到的觀測數據進行預處理。預處理就是對采集到的信號在使用之前進行先一步處理，從而提高數據的準確性，否則提取頻散曲線的結果會出現異常。

圖3 某臺站記錄垂直分量地脈動信號

圖3為本次探測工作中某臺站所觀測的3 h信號記錄，采樣間隔為5 ms,采樣點數為2 293 459。圖中可以看到在2:41—2:50段及5:45—5:53段出現極高幅值信號，這可能受周邊環境強震動事件影響，因此信號預處理時需要將異常值剔除。同時還需對原始信號進行趨勢項消除，趨勢項就是由于放大器隨溫度變化產生的零點漂移、傳感器頻率范圍外低頻性能的不穩定以及傳感器周圍的環境干擾等，導致偏離基線的整個過程。

3.2.2 空間自相關計算與頻散曲線提取

由于本次探測工作采用直線型陣列布設臺站進行觀測，因此需要對同一測線上所有臺站進行兩兩互相關計算，在將原始觀測數據進行預處理后，選擇合適的信號窗口利用第2小節中的方法進行空間自相關計算得到相應的自相關系數，即每條測線應計算得到406條自相關系數曲線。

圖4(a)為測線Line4的臺站1與臺站20進行自相關計算后得到的自相關系數曲線，圖中信號的噪點尖峰依然存在，因此需要對該曲線進行平滑處理。此外，實際有效探測深度與可分辨的頻帶有關，從圖4(a)中可以看出在35 Hz之后，自相關系數曲線幅值整體較平穩，因此本條曲線的有效頻帶大致為1～35 Hz，頻散曲線的頻率也在這個范圍內。

對該曲線進行波形平滑與振幅補償后得到圖4(b)所示的自相關系數曲線。因為頻散曲線對應的相速度可以通過拾取頻率域自相關系數曲線極值點確定，將多個相速度-頻率點進行多項式擬合，即可得到相應臺站的速度頻散曲線。重復上述步驟就能得到整條測線的頻散曲線族。

圖4 Q1-Q20臺站自相關曲線

圖5給出了測線Line4中Q2臺站與Q3-Q29臺站的自相關系數曲線提取的實際觀測頻散點即總體的5次多項式擬合頻散曲線，圖中方形點即為通過拾取自相關系數曲線的波峰或波谷值得到的頻率-相速度對應數據。

圖5 實際觀測頻散點及其多項式擬合

3.2.3 地層橫波速度結構反演

數據處理的最后一步是通過頻散曲線來進行場地視橫波速度結構反演，Aki等[5]的研究已經證明了瑞利面波速度頻散是橫波(S波)速度、縱波(P波)速度、層厚度以及密度的函數，其中縱波(P波)速度與密度對面波速度頻散的影響不大，故而不將其作為主要因素考慮。面波速度頻散對橫波(S波)速度最為敏感，因此工程上一般采用地層橫波(S波)速度結構來進行工程場地的評價。

為了獲得比較真實的橫波速度結構，可以在實測頻散曲線的基礎上進行地層結構的反演即微動面波頻散曲線的反演。基本反演思路如圖6所示，其中橫波速度反演初始模型可利用半波長法對頻散曲線求取測深獲得。最后通過插值、光滑計算，獲得真實的地層橫波速度結構剖面。

圖6 頻散曲線反演流程

圖7給出了測線中某段平均頻散曲線通過半波長法相速度和相應的反演橫波(S波)速度隨深度變化曲線，地下介質從松散的覆蓋層到較完整的基巖，波速也應由低速到高速，圖中埋深20 m左右2條曲線的速度值均發生驟降，證明此處可能為塌陷區或采空區，2條速度曲線中橫波速度變化更為明顯，說明橫波速度結構對地下介質的變化更為敏感。

圖7 視橫波速度/相速度-深度

3.3 物探成果解譯

微動探測數據反演得到的橫波速度(剪切波速度)和下伏巖土層的巖性、密度、含水飽和度等物性性質有密切關系。巖土層越完整，其剪切波速度越大；巖土層越破碎，其剪切波速度越小。巖土層橫向變化可根據微動反演斷面剪切波速度橫向等值線趨勢判斷，橫向等值線趨勢越平緩，巖土層橫向越均勻；橫向等值趨勢越跳躍，巖土層橫向變化越大。

在剖面上，如果剪切波速度等值線密集帶或橫向斜率突變帶，說明在該處兩側存在不同地質體，往往是不同速度地層的分界處或斷裂帶；在推斷斷裂時，低速顯示區范圍廣，剪切波速度值低，很可能為斷裂破碎嚴重區。在資料分析中，判別異常區(即本次工程應用中的采空區塌陷區)主要是根據剪切波速度值變化及相對值、等值線的形態等綜合因素考慮的。

圖8展示了本次探測工作中Line4測線段的橫波速度剖面及相應物探解譯，剖面整體趨勢為上部為橫波速度低速區域，橫波速度范圍值為100～350 m/s，物探推測為覆蓋層(碎石含量越高，橫波波速值越小)；中部為相對低速區域，橫波速度范圍值為350～750 m/s，物探推測為較破碎基巖；底部為高速區域，橫波速度范圍值為750～2 000 m/s，物探推測為相對完整基巖。剖面從左至右低速層(相對破碎巖體)厚度逐漸減小，與地質界線趨勢相符。Line4剖面中部(100～300 m范圍)出現等值線下凹區域，說明該區域可能存在更大的采空區或其他地質變化情況。

圖8 測線Line4橫波速度剖面及物探解譯

物探推測采空區為等值線下凹或等值線閉合的低阻區域。采空區的波速特征為相對低速，橫波波速變化值范圍大概在500～700 m/s之間。依據反演成果圖，結合整個測區的地質資料進行綜合解釋，解釋結果如表1所示，即可推測出采空區的大致位置。

4 結束語

本文以福建省某礦場地下采空區塌陷區地脈動法調查項目為例，詳細介紹了地微動法的數據采集和數據處理流程和方法，并通過測線速度剖面圖對地下介質結構進行物探解

表1 物探異常位置(推測采空區)分布 單位：m

譯，由于橫波波速對地下介質的敏感性高，證明了地脈動測試法對宏觀判別波速差異較大的不同巖性分布、巖體完整性分析、基巖面覆蓋層厚度、斷裂破碎帶的空間分布特征方面有較好效果。