地震層析成像在地下采空區(qū)探測中的應(yīng)用

胡清龍 朱正君

【摘 要】地下采空區(qū)具有隱伏性強(qiáng)、空間分布特征規(guī)律性差、采空區(qū)頂板冒落塌陷情況難以預(yù)測等特點(diǎn)，如何對地下采空區(qū)的分布范圍、空間形態(tài)等特征，一直是困擾工程技術(shù)人員的關(guān)鍵技術(shù)難題。本文應(yīng)用地震層析成像法在某大橋橋墩區(qū)進(jìn)行探測，成功探測到地下采空區(qū)，為大橋橋墩設(shè)計(jì)提供了重要的設(shè)計(jì)依據(jù)。同時也驗(yàn)證了地震層析成像法是一種有效的地下采空區(qū)探測手段。

【關(guān)鍵詞】地震層析成像，采空區(qū)，探測，應(yīng)用

1 前言

地下采空區(qū)具有隱伏性強(qiáng)、空間分布特征規(guī)律性差、采空區(qū)頂板冒落塌陷情況難以預(yù)測等特點(diǎn)。因此，如何對地下采空區(qū)的分布范圍、空間形態(tài)特征和采空區(qū)的冒落狀況等進(jìn)行量化評判，一直是困擾工程技術(shù)人員進(jìn)行采空區(qū)潛在危害性評價及合理確定采空區(qū)處治對策的關(guān)鍵技術(shù)難題。

地震層析成像法是在兩孔間采用一發(fā)多收的扇形觀測系統(tǒng)，組成密集交叉的射線網(wǎng)絡(luò)，然后根據(jù)射線的疏密程度及成像精度劃分規(guī)則的成像單元，運(yùn)用彎曲射線追蹤理論，采用特殊的反演算法計(jì)算出各成像單元的地震縱波速度值，從而形成被測區(qū)域的波速圖像（以等值線的形態(tài)來表示），根據(jù)波速差異來劃分巖體的質(zhì)量，確定地質(zhì)構(gòu)造及軟弱巖帶的空間分布。本文應(yīng)用地震層析成像法在某大橋橋墩區(qū)進(jìn)行探測，成功探測到地下采空區(qū)，為大橋橋墩設(shè)計(jì)提供了重要的設(shè)計(jì)依據(jù)。

2 測區(qū)地質(zhì)條件與地球物理特征

橋址區(qū)位于某河左岸，附近有芒硝礦開采區(qū)。左岸為斜坡及緩坡平臺，斜坡地帶坡度一般30～50度，局部為陡坎。緩坡地帶為殘留的河流II級階地，因農(nóng)耕呈階梯狀平臺地形。其中斜坡表部局部堆積人工棄渣，坡度一般15～40度。緩坡平臺及斜坡地段表層多被坡殘積（Q4el+dl）低液限粉質(zhì)粘土覆蓋，局部分布有第四系（Q4me）人工填筑土；河床及漫灘部位被沖洪積（Q4al+pl）的卵礫石土、漂卵石土及人工填筑土（Q4me）所覆蓋。下伏基巖主要為白堊系灌口組（K1g）的粉砂質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)泥巖、角礫質(zhì)粉砂質(zhì)泥巖、含鈣泥質(zhì)芒硝。

通過現(xiàn)場測試，粉砂質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)泥巖、角礫質(zhì)粉砂質(zhì)泥巖的彈性波平均速度為2000～4000m/s，含鈣泥質(zhì)芒硝的彈性波平均速度為4500～5500m/s，具備地球物理勘測前提條件。

3 野外數(shù)據(jù)采集與資料處理

野外工作方法采用一發(fā)多收扇形觀測系統(tǒng)，一鉆孔激發(fā)，另一鉆孔接收（如圖1所示）。數(shù)據(jù)采集儀器為WZG-48A型地震儀，鉆孔成像檢波器為壓電式井中檢波器串，鉆孔間成像震源為電火花震源，檢波器間距和震源點(diǎn)距均為1m。

將獲得的地震透射有效記錄讀取初至走時，并與相應(yīng)的激發(fā)及接收點(diǎn)坐標(biāo)形成數(shù)據(jù)文件。采用地震透射層析成像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，將各成像區(qū)域劃分成2m×2m的成像單元，首先進(jìn)行5次直線迭代，建立初始模型，再進(jìn)行6次最小走時射線追蹤，將其結(jié)果加權(quán)平滑形成地震波速圖像。以級差200m/s繪制地震縱波速度等值線，最終形成地震波層析成像波速圖。

圖1 地震層析成像（CT）觀測方式示意圖

4 測試成果與分析

本次物探工作，對某大橋樁橋位ZK02、ZK03兩個鉆孔進(jìn)行了地震層析成像（CT）測試。以獲取兩孔之間最終的波速剖面，評判兩孔之間是否存在采空區(qū)。其中，ZK02孔口高程比ZK03孔口高程低6.5m。地震層析成像（CT）采用在ZK02孔內(nèi)激發(fā)放炮，ZK03孔內(nèi)接收地震波的方式進(jìn)行測試，激發(fā)點(diǎn)距、接收點(diǎn)距均為1m，形成致密交叉射線網(wǎng)，地震層析成像（CT）成果見圖2：

圖2 地震層析成像（CT）速度剖面成果圖

根據(jù)地震層析成像（CT）成果，并結(jié)合地質(zhì)資料資料綜合分析，地震波速度剖面均勻性很好，結(jié)構(gòu)層次分明。根據(jù)成果圖2宏觀來看：ZK03孔0～63m段與ZK02孔0～43m段對應(yīng)地震波速度較低，波速在1500～3000m/s，推測為對應(yīng)的中風(fēng)化鈣質(zhì)泥巖與中風(fēng)化角礫質(zhì)粉砂質(zhì)泥巖?？拷黌K02孔一側(cè)，14～30m段局部波速偏高為3000～3500m/s。ZK03孔63～100m段與ZK02孔43～95m段對應(yīng)地震波速度較高，波速在4000～5500m/s，該段巖石致密，推測為微風(fēng)化含鈣泥質(zhì)芒硝。靠近ZK02孔一側(cè)，50～55m段局部波速偏低為3000～3500m/s，推測為采空區(qū)（圖2中黑色橢圓區(qū)域）。

5 結(jié)語

（1）地震層析成像法能以圖像的形式直觀清晰地顯示地下物質(zhì)結(jié)構(gòu)的屬性，確定地下物質(zhì)的精細(xì)結(jié)構(gòu)和不均勻性。

（2）通過對某大橋橋墩區(qū)進(jìn)行探測，成功探測到地下采空區(qū)，驗(yàn)證了地震層析成像法是一種有效的地下采空區(qū)探測手段。

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