地震波CT技術(shù)在采空區(qū)勘查中的應(yīng)用
—— 以淄川區(qū)洪山鎮(zhèn)北工村舊村改造項目為例

時彥芳

山東省地礦工程勘察院,山東濟(jì)南,250014

地震波CT技術(shù)在采空區(qū)勘查中的應(yīng)用
—— 以淄川區(qū)洪山鎮(zhèn)北工村舊村改造項目為例

時彥芳*

山東省地礦工程勘察院,山東濟(jì)南,250014

地震波CT層析成像技術(shù)是利用地震波在不同介質(zhì)中傳播速度的差異來重建測試區(qū)域地震波速度場的分布特征，以此來推斷剖面介質(zhì)的精細(xì)構(gòu)造及地質(zhì)異常體的位置、形態(tài)和分布狀況。通過鉆孔間的組合，可實(shí)現(xiàn)二維空間探測，具有直觀準(zhǔn)確、真實(shí)可靠等優(yōu)點(diǎn)，具有單孔鉆探方法無可比擬的優(yōu)勢，應(yīng)用前景廣闊。

地震波CT 孔間探測 采空區(qū)勘查

地震波CT技術(shù)是計算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代地震數(shù)字觀測技術(shù)相結(jié)合發(fā)展起來的新的探測技術(shù)。作為一種新的精細(xì)測量技術(shù)，它利用地震波射線穿透地質(zhì)體，可以形象直觀的重現(xiàn)地質(zhì)剖面的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而對巖體作出評價，越來越廣泛的應(yīng)用于邊坡治理、災(zāi)害評估、工程勘察等領(lǐng)域中，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1 地震波CT技術(shù)工作原理及方法

1.1 工作原理

地震波層析成像技術(shù)是通過探測超聲波（其頻率為103-106Hz）在巖體內(nèi)的傳播特征來研究巖體性質(zhì)和完整性的一種物探手段。超聲波在不同類型介質(zhì)中具有不同的傳播特征，當(dāng)巖體介質(zhì)的成分、結(jié)構(gòu)和密度等因素發(fā)生變化時，超聲波的傳播速度、能量的衰減及頻譜成份等發(fā)生相應(yīng)變化。因此，利用該特性可對所測巖體的完整性等參數(shù)進(jìn)行評價。

1.2 工作方法

采用跨孔彈性波CT技術(shù)在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)選定的兩個鉆孔間進(jìn)行測試。在工作過程中采用單點(diǎn)激發(fā)多點(diǎn)接收的工作模式，即在一個鉆孔中以一定的點(diǎn)距逐點(diǎn)激發(fā)，而在另一個鉆孔中按照一定的間隔用檢波器接收震源點(diǎn)所激發(fā)的地震波信號，并用儀器將該信號記錄下來，從而構(gòu)成地震CT層析成像觀測系統(tǒng)。見圖1。在實(shí)際工作中，鉆孔間距要根據(jù)勘查區(qū)不同巖性的波的傳播速度、能量和接收系統(tǒng)的接收精度來選擇，激發(fā)與觀測點(diǎn)距要小于目標(biāo)體的空間大小以保證異常體空間分辯率,。有條件的情況下, 可對每對鉆孔中采取的巖心進(jìn)行聲波測試, 以便獲得測區(qū)巖體的縱波速度參數(shù), 為地質(zhì)解釋提供可靠依據(jù)。

圖1 地震波CT層析成像野外工作方法示意圖Fig.1 Schematic diagram method of wave CT

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 工區(qū)概況

工區(qū)位于淄博市洪山鎮(zhèn)北工村，地下煤層分布廣泛，煤礦開采歷史悠久，雖現(xiàn)已停產(chǎn)，但所形成的的采空區(qū)域?qū)Φ孛娼ㄖ?gòu)成嚴(yán)重威脅，迫切需要對采空區(qū)的空間分布進(jìn)行精確勘查。為此，山東省地礦工程勘察院對已鉆鉆孔進(jìn)行了跨孔地震波CT勘查，取得了滿意的效果。工作區(qū)區(qū)域?qū)偃A北地層大區(qū)之魯西地層分區(qū)，擬勘查部分地層由第四系砂礫層、砂土和第三系泥巖、砂巖構(gòu)成。砂巖的縱波波速值較大，為2000～4000 m/s；泥巖的縱波波速值較小，為2000～3500 m/s。各地層地震波縱波速度值差異明顯，存在地震波CT法勘查的物性前提。

2.2 觀測系統(tǒng)及剖面布設(shè)

數(shù)據(jù)采集使用SE2404型地震儀, 采用率0.05ms, 采樣點(diǎn)數(shù)1024, 頻帶范圍為100～1000Hz。觀測系統(tǒng)采用12道接收系統(tǒng), 道距為1m,激發(fā)點(diǎn)距為1m，每個排列根據(jù)孔深布設(shè)炮點(diǎn)。激發(fā)系統(tǒng)采用電火花震源, 單次激發(fā)能量為5000J,接收系統(tǒng)采用壓電式12道井中檢波器串。工作區(qū)鉆孔孔距為20～30m，孔深50～60m不等。工區(qū)地層較破碎，普遍出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，為保證觀測順利進(jìn)行，測試鉆孔全部采用花管護(hù)壁，與孔壁耦合良好。

2.3 工作成果分析

本次工作共進(jìn)行了多對跨孔地震波CT勘查，均取得了滿意的效果，現(xiàn)以YZ6-16孔對、YZ5-3孔對為例進(jìn)行說明。剖面圖以水平距離為橫坐標(biāo)，深度為縱坐標(biāo)，根據(jù)速度大小成速度等值線色譜圖。

2.3.1 地震波CT測試YZ6-16剖面 YZ6-16剖面位于鉆孔YZ6與鉆孔16之間，由圖2速度剖面可以看出，在水平位置0～19m、深度35～36.5m處存在一縱波波速值小于2400m/s的低速異常區(qū)域，推測為采空區(qū)引起。YZ6孔掉鉆位置、深度與觀測結(jié)果基本吻合。

圖2 YZ6-16地震波CT測試剖面成果圖Fig.2 YZ6-16 seismic waveCT profile test result map

2.3.2 地震波CT測試YZ5-3剖面 YZ5-3剖面位于鉆孔YZ5與鉆孔3之間，由圖3速度剖面可以看出，在水平位置18～21m、深度25～29m處存在一縱波波速值較低區(qū)域，推測為巖石破碎引起。剖面在水平位置0～4m、深度42～43.5m處存在一縱波波速值小于2400m/s的低速異常區(qū)域，推測為采空區(qū)引起。YZ5孔掉鉆位置、深度與觀測結(jié)果基本吻合。

圖3 YZ5-3地震波CT測試剖面成果圖Fig.3 YZ5-3 seismic wave CT profile test result map

3 討論

地震波CT技術(shù)在勘查巖溶、破碎、采空區(qū)等地質(zhì)現(xiàn)象時具有快速、直觀、靈敏等優(yōu)點(diǎn)，可以形象的揭示剖面介質(zhì)的精細(xì)構(gòu)造及地質(zhì)異常體的位置、形態(tài)和分布狀況。其作為一種新的地球物理探測方法，相比于其他探測技術(shù)雖起步較晚，但在實(shí)際應(yīng)用中已發(fā)揮出了巨大優(yōu)勢。

勘察孔YZ5和YZ6發(fā)現(xiàn)的采空區(qū)基本都在地震波CY測試結(jié)果中得到了體現(xiàn)，地震層析成像不僅可以測試某一深度的點(diǎn)異常，還可以得到異常區(qū)在水平和垂直向的延伸發(fā)育情況，這充分體現(xiàn)了該方法的獨(dú)特優(yōu)勢。

在實(shí)際工作中，為了發(fā)揮該方法的最大優(yōu)勢，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①孔距不宜過大?；?guī)r地區(qū)孔距適當(dāng)大些，泥、頁巖地區(qū)孔距適當(dāng)小些，這樣可最大限度的提高探測精度，減小能量損耗。②鉆孔可探測深度盡量大于要勘查的異常段深度。由于地震波射線的密度空間分布不均勻，在測試范圍的中間位置比較均勻，精度高，而在兩端較稀疏，精度稍差。③鉆孔可探測深度盡量大于鉆孔間距，這樣可以提高射線對的交點(diǎn)數(shù)，提高探測精度。④在反演建立數(shù)學(xué)模型時，網(wǎng)格間距不宜過大，一般要小于接收點(diǎn)距。

1 GB50011- 2001,建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

2 GB50021- 2001,巖土工程勘察規(guī)范[S] .

3 王運(yùn)生，顧漢明，王家映.彈性波CT 關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用實(shí)例［J］．工程勘察，2005，（3）.

4 李新寶，陳霞.應(yīng)用彈性波CT 技術(shù)測試巖體灌漿效果［J］．東北水利水電，2012，（4）.

5 董清華，朱介壽．井間電阻率層析成像及其應(yīng)用［J］．計算物理，1999，（5）.

6 裴順平, 許忠淮. 新疆及鄰區(qū)Pn速度層析成像[ J].地球物理學(xué)報, 2002, 45( 2) : 218～225.

THE WIDE APPLICATION OF EARTHQUAKE WAVE COMPUTERIZED TOMOGRAPHY IN WORKED OUT SECTION PROSPECTING——take Beigong village renovation of Hongshan town in Zichuan District for example

Shi Yanfang
Shandong Provinicial Burean of Geology &Mineral Resources, Jinan, Shandong, 250014，China

Earthquake wave computerized tomography (CT) is a kind of technology, which applied earthquake wave speed difference extending in different media to rebuild its distribution characteristics of testing zone to infer the fine structure of lateral section media and location, form and distribution of geological abnormity body. Two-dimensional space exploration can be realized through drill holes combination with some advantages, such as accurate, visual, real and so on. These advantages are beyond compare with Single hole drilling, so the earthquake wave CT has broad prospects.

earthquake wave CT，detection between the drill holes，worked out section prospecting

P631.5:TP391

A

1006-5296（2014）03-0190-03

時彥芳（1983～），男，現(xiàn)主要從事測繪、物探及相關(guān)地質(zhì)工作，碩士，工程師

2013-12-20；改回日期：2014-06-23