微動(dòng)探測(cè)技術(shù)在采空區(qū)勘查中的應(yīng)用

李冬冬，李 劍

（安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局321 地質(zhì)隊(duì)，安徽 銅陵 244000）

針對(duì)金屬礦山開采形成的采空區(qū)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(píng)價(jià)、治理及其施工提供了有力的依據(jù)。利用微動(dòng)探測(cè)技術(shù)方法具有的高效、無損、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在目前采空區(qū)類勘查中發(fā)揮著重要作用。

1 采空區(qū)地球物理特征

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

圖1 微動(dòng)臺(tái)陣探測(cè)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(fù)雜的微弱振動(dòng)，其主要是由體波和面波構(gòu)成的，且面波的能量信號(hào)占70%以上，面波信息受介質(zhì)影響較大。通過拾振器采集的振動(dòng)信號(hào)，其形態(tài)與振幅是隨著時(shí)間和空間變化而變化的，但在一定的時(shí)空域，具有平穩(wěn)性、隨機(jī)性的特點(diǎn)。微動(dòng)技術(shù)以平穩(wěn)、隨機(jī)為基礎(chǔ)，提取有用的面波信號(hào)，開展空間自相關(guān)分析法（SPAC）或擴(kuò)展空間自相關(guān)（ESPAC），反演得到地下介質(zhì)視橫波速，在采空區(qū)勘查中，一般以低速異常作為采空區(qū)識(shí)別的主要標(biāo)志（圖1）。

2.2 工作方法

圖2 微動(dòng)常用臺(tái)陣測(cè)點(diǎn)布置圖

目前微動(dòng)探測(cè)布置的臺(tái)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(duì)嵌套式等邊三角形、圓形、L 形、直線形臺(tái)陣進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)得出，場(chǎng)地施工條件較好時(shí)，應(yīng)該首選嵌套式三角形與圓形臺(tái)陣，因?yàn)槠涮崛〉哪芰孔V較為集中，而且能夠兼顧深、淺部的地層信息[1]；在受場(chǎng)地條件約束的情況下，且勘查目的層位較淺時(shí)，可布置L 形臺(tái)陣；當(dāng)勘查中淺部地層情況時(shí)，選擇直線形臺(tái)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(tái)陣較多[2]。

3 應(yīng)用實(shí)例

本項(xiàng)目主要為了查明場(chǎng)地下埋深約65m、95m、125m 深的采空區(qū)位置，場(chǎng)地地形平整，采用嵌套式等邊三角形臺(tái)陣，設(shè)計(jì)的臺(tái)陣半徑r 為7.5m、15m、30m，測(cè)點(diǎn)點(diǎn)距為40m，每點(diǎn)觀測(cè)時(shí)間為40min，根據(jù)設(shè)計(jì)的測(cè)線，由小號(hào)向大號(hào)端逐點(diǎn)觀測(cè)，采用頻率為2Hz 拾振器，同時(shí)可以采集三個(gè)方位的振動(dòng)信號(hào)。

從天然源面波Vs 速度等值線斷面圖（圖3-a）來分析，在整個(gè)斷面的層位清晰，斷面整體在縱向上波速表現(xiàn)從低至高的變化趨勢(shì)，在淺部標(biāo)高約+40m ～+70m 深度范圍內(nèi)，Vs 為300m/s ～550m/s，表現(xiàn)低速特征，局部分布不均勻，結(jié)合場(chǎng)地實(shí)際情況，推測(cè)為淺部回填碎石土引起的；通過橫、縱向剖面相對(duì)比分析，在水平位置30m ～140m，標(biāo)高約-55m ～+50m 范圍內(nèi)，表現(xiàn)為相對(duì)低速異常，其中在-55m ～-8m 標(biāo)高，表現(xiàn)為上部波速相對(duì)較低，下部-55m 標(biāo)高波速相對(duì)較高，推測(cè)采空區(qū)頂板發(fā)生崩落，在底板形成堆積松散體，因此在縱向上推斷-25m、-55m 標(biāo)高采空區(qū)發(fā)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(qū)高度約47m。在水平位置約118m ～122m，標(biāo)高約-25m ～+20m，為封閉的低速異常，推測(cè)標(biāo)高范圍內(nèi)為+5m 巷道采空區(qū)的底板，-25m 采空區(qū)的頂板，由此可以推測(cè)-25m、+5m標(biāo)高兩個(gè)采空區(qū)未發(fā)現(xiàn)明顯的崩落現(xiàn)象，推測(cè)+5m 標(biāo)高采空區(qū)高度約15m，-25m 標(biāo)高采空區(qū)高度約25m。在采空區(qū)的上部或兩側(cè)低速異常，解釋為巖溶、破碎裂隙發(fā)育區(qū)域。

根據(jù)以上異常，布置相應(yīng)鉆孔Zk1 驗(yàn)證異常，在+20m 標(biāo)高出現(xiàn)鉆孔取芯率低、掉鉆、漏水嚴(yán)重現(xiàn)象，與物探推測(cè)的異常相吻合。

4 結(jié)語

結(jié)合本次微動(dòng)探測(cè)成果分析，其利用環(huán)境背景噪聲，采用SPAC 分析法，反演得到地下介質(zhì)的視橫波縱橫向速度結(jié)構(gòu)，來推斷采空區(qū)分布位置，最后加以鉆孔驗(yàn)證的情況下，說明微動(dòng)技術(shù)在采空區(qū)勘查中具有良好的應(yīng)用效果。

圖3 微動(dòng)推測(cè)綜合剖面圖

微動(dòng)技術(shù)作為一種新型的技術(shù)方法，其野外數(shù)據(jù)的采集與處理手段還需進(jìn)一步優(yōu)化，可適當(dāng)采用多種探測(cè)方法相結(jié)合，相互驗(yàn)證，提高勘查的精度，有效地解決實(shí)際地質(zhì)問題。