天然源面波法在西藏扎西康礦區(qū)采空區(qū)勘察中的應(yīng)用

楊濤，肖揚(yáng)，周慰，吳小勇，鄒華敏

(四川省冶金地質(zhì)勘查院，成都 610051)

0 引言

采空區(qū)塌陷是礦山多見的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，不僅影響礦山經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，而且直接危害當(dāng)?shù)厝嗣裆拓?cái)產(chǎn)的安全，破壞了周邊生態(tài)和自然環(huán)境[1-2]。采空區(qū)的地面塌陷主要是由地下采場(chǎng)活動(dòng)形成的采空區(qū)引起的，當(dāng)采空區(qū)上部巖石的抗拉-抗剪強(qiáng)度不足以承載上覆巖體的重力時(shí)，巖體會(huì)發(fā)生變形或整體垮塌，巖體的坍塌范圍不斷向上擴(kuò)大，逐漸與地表形成聯(lián)通，從而造成地表巖土的塌陷[3]。

對(duì)于采空區(qū)塌陷的地球物理勘查，多采用綜合物探方法(包括高密度電阻率法、瞬變電磁法和天然源面波法等)進(jìn)行勘測(cè)[4-5]。高密度電阻率法對(duì)淺部的地質(zhì)體差異有較強(qiáng)的分辨能力，但是地形會(huì)影響分辨的效果[6]；瞬變電磁法的探測(cè)深度較大，對(duì)于良導(dǎo)體有較好的響應(yīng)，但易出現(xiàn)淺部的探測(cè)盲區(qū)并受外部電磁場(chǎng)的影響[7]。天然源面波法利用檢波器收集大自然的各類微小振動(dòng)，可從其中提取瑞雷面波，通過分析瑞雷面波的頻散特性、提取頻散曲線，以獲取地下介質(zhì)橫波的速度結(jié)構(gòu)[8-10]。由于礦山采空區(qū)與圍巖之間存在較大的波速差異，利用彈性波法探測(cè)采空區(qū)具有天然的優(yōu)勢(shì)，并且天然源面波信號(hào)為各類背景噪聲，能適應(yīng)各種復(fù)雜的環(huán)境[11-14]。

本次工作區(qū)位于西藏山南地區(qū)扎西康礦集區(qū)，由于開采礦區(qū)的地質(zhì)條件復(fù)雜，井下采空區(qū)的范圍較大，采空區(qū)規(guī)模形態(tài)、形成原因以及發(fā)展趨勢(shì)尚不明確，給該區(qū)的礦山環(huán)境恢復(fù)治理工作帶來困難。為了調(diào)查地表塌陷和采空區(qū)的分布范圍、規(guī)模形態(tài)，分析地面塌陷的形成機(jī)制，本次工作根據(jù)地質(zhì)體的電性和彈性波波速差異，采用綜合物探方法(高密度電阻率法、瞬變電磁法、天然源面波法)對(duì)地表塌陷范圍、塌陷形態(tài)及塌陷深度等進(jìn)行探測(cè)，并對(duì)比天然源面波法與高密度電阻法、瞬變電磁法的探測(cè)效果。

1 天然源面波勘探

天然源面波勘探也稱微動(dòng)勘探，該方法利用檢波器采集自然界存在的各種微小振動(dòng)，并從中提取出瑞雷面波，通過分析瑞雷面波的頻散特性提取頻散曲線，最后通過對(duì)剖面上各點(diǎn)頻散曲線進(jìn)行反演得到地層的速度結(jié)構(gòu)，進(jìn)而推測(cè)出地下巖層及地質(zhì)構(gòu)造的分布狀況。由于該方法是從背景噪聲中提取面波，克服了人工源激發(fā)困難的問題，對(duì)場(chǎng)地的適應(yīng)性更強(qiáng)，具有較大的有效探測(cè)深度，同時(shí)該方法還具有分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，近年來逐漸被業(yè)內(nèi)人士認(rèn)可，應(yīng)用范圍也越來越廣泛。

(1)數(shù)據(jù)采集

一般情況下，天然源面波對(duì)地震儀的技術(shù)指標(biāo)要求與人工源面波類似，但要求地震儀具有較長(zhǎng)的連續(xù)采樣功能，如單次記錄的采樣長(zhǎng)度為30～120 s。為探測(cè)深部地層結(jié)構(gòu)，要求大尺度采集排列，如果限于常規(guī)地震儀的道間距長(zhǎng)度，可采用具有單道獨(dú)立記錄功能的地震儀；理論上臺(tái)陣設(shè)計(jì)可呈任意形狀，但為了后期數(shù)據(jù)處理的便捷及結(jié)果更接近客觀實(shí)際，要求臺(tái)陣形狀盡量規(guī)則；臺(tái)陣的布設(shè)通常分為一維排列和二維排列，由于天然源面波的震源位置未知，為準(zhǔn)確地提取面波的頻散信息，一般采用二維采集排列，如嵌套的三角形、L形、圓形或十字形(圖1)，為便于現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)，通常采用前2種排列。

圖1 天然源面波法臺(tái)陣布設(shè)示意圖Fig.1 Layout of natural source surface wave platform

(2)數(shù)據(jù)處理

在工程勘察工作中，主要利用的是面波的頻散特性(即在均勻水平分層介質(zhì)中，不同周期的面波以不同的傳播速度傳播)。周期越長(zhǎng)，其傳播速度受到越深的介質(zhì)屬性影響，通過測(cè)量不同周期的面波速度(頻散曲線)就可以通過一定的反演方法來推斷不同深度介質(zhì)的屬性，從而達(dá)到探測(cè)目的。理論上，面波的傳播速度受密度、縱波速度、橫波速度的影響；對(duì)面波速度影響最大的為剪切波速度，因此獲得面波剪切波速度結(jié)構(gòu)是面波勘探的主要目的。天然源面波勘探是從環(huán)境噪聲信號(hào)中提取面波頻散曲線，經(jīng)反演得到觀測(cè)系統(tǒng)排列下方的橫波速度結(jié)構(gòu)。

與人工源面波法類似，天然源面波法的主要任務(wù)是如何從地震記錄中提取頻散曲線。目前，面波頻散分析方法主要有空間自相關(guān)法(SPAC法)和頻率-波數(shù)法(F-K法)[11]。

(1)空間自相關(guān)法(SPAC法)?？臻g自相關(guān)法計(jì)算的前提是假設(shè)天然振動(dòng)信號(hào)在空間和時(shí)間上是平穩(wěn)隨機(jī)分布的，在此假設(shè)下對(duì)相距r的任意2個(gè)振動(dòng)點(diǎn)運(yùn)用零階貝塞爾函數(shù)進(jìn)行計(jì)算

ρ(r,f)=J0(Xi)

式中，ρ為自相關(guān)系數(shù)；r為振動(dòng)間距；f為頻率；J0為零階貝塞爾函數(shù)；Xi為零階貝塞爾函數(shù)的變量

Xi=2πfir0/vR(fi)

求出瑞雷波的相速度vR(fi)，不同的fi對(duì)應(yīng)不同的vR(fi)，就可繪制出頻散曲線。

(2)頻率-波數(shù)法(F-K法)。對(duì)于時(shí)間空間域的二維地震信號(hào)d(x,t)，對(duì)時(shí)間軸和空間軸進(jìn)行二維傅里葉變換

就可以得到頻率波數(shù)域二維信號(hào)。由于相速度和頻率計(jì)波數(shù)的關(guān)系為

v=ω/k=2πf/k

式中，ω=2πf為角頻率；k為波數(shù)矢量。從頻率波數(shù)域信號(hào)經(jīng)公式變換就可以得到頻率速度域U(f,v)。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 工區(qū)概況

扎西康礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，巖漿多次侵入，巖石裂隙較發(fā)育，地表風(fēng)化層厚度較大。礦體主要賦存在斷裂破碎帶中，礦體的圍巖主要為鈣質(zhì)板巖、變質(zhì)砂巖、頁巖和凝灰?guī)r，屬于較硬巖組，透水性較差，礦體頂板巖層富水性較弱，底板為不含水層。

扎西康礦區(qū)自開始采礦以來，共形成3號(hào)—9號(hào)平硐，采用平硐開拓、斜井開拓及豎井開拓的聯(lián)合開拓方式。礦山一直未對(duì)采空區(qū)進(jìn)行有效處置，由于地壓應(yīng)力重新分配以求再次平衡，上部的采空區(qū)陸續(xù)垮塌。隨著開采深度的增加，采空區(qū)的垮塌已經(jīng)溝通至地表，形成呈串珠狀的、與開采巷道走向一致的塌陷區(qū)。

為了能夠查清地下采空區(qū)規(guī)模和分布以及采空塌陷區(qū)在淺地表的影響范圍，布置了7條物探測(cè)線，其中1號(hào)測(cè)線與7號(hào)測(cè)線為綜合物探測(cè)線(高密度電法、瞬變電磁法和天然源面波法)，其余5條只進(jìn)行了瞬變電磁法測(cè)量(圖2)。

圖2 測(cè)線布設(shè)示意圖Fig.2 Schematic layout of survey lines

2.2 成果分析

圖3為1號(hào)和7號(hào)測(cè)線的綜合物探剖面成果圖。對(duì)比3種物探方法可知，高密度電法在距地表100 m的深度范圍內(nèi)有較高的分辨率，其成果與天然源面波基本吻合，受排列長(zhǎng)度的影響，若要探測(cè)深部地質(zhì)體的地電信息，需要加大排列長(zhǎng)度，該方法在地形條件較差地區(qū)的施工難度較大；瞬變電磁法與天然源面波法均具有相對(duì)較大的探測(cè)深度，對(duì)采空區(qū)都有一定的反映，這2種方法的探測(cè)結(jié)果基本吻合，但由于瞬變電磁法在地表存在一定范圍的盲區(qū)，導(dǎo)致淺部的信息部分缺失，需要結(jié)合高密度電法等方法進(jìn)行綜合解釋。

在圖3中，1號(hào)測(cè)線在平距250～450 m，標(biāo)高4625 m以下部位出現(xiàn)相對(duì)帶狀高阻區(qū)，產(chǎn)狀近直立，與之對(duì)應(yīng)，天然源面波法剖面顯示該區(qū)域出現(xiàn)明顯團(tuán)狀低速區(qū)，面波速度<500 m/s，低于周圍巖體面波速度最小值，根據(jù)測(cè)量及地質(zhì)資料，推測(cè)該區(qū)域?yàn)椴傻V巷道及采空區(qū)范圍；埋深4625 m以淺，瞬變電磁法剖面出現(xiàn)橫向帶狀相對(duì)高阻區(qū)，天然源面波法剖面呈現(xiàn)漏斗狀相對(duì)低速區(qū)且波速橫向變化較大，同時(shí)淺部與高密度電法低阻異常區(qū)對(duì)應(yīng)；結(jié)合實(shí)際地質(zhì)資料及現(xiàn)場(chǎng)踏勘情況，推測(cè)該區(qū)域?yàn)椴煽諈^(qū)的影響區(qū)域。7號(hào)測(cè)線在平距110～250 m，標(biāo)高4500 m以下部位出現(xiàn)大范圍低阻區(qū)，同時(shí)，天然源面波法剖面在該段出現(xiàn)明顯團(tuán)狀低速區(qū)，面波速度<500 m/s，低于一般巖體面波速度最小值，2種方法推測(cè)異常區(qū)域高度吻合，根據(jù)已有采礦硐室資料及現(xiàn)場(chǎng)硐室踏勘情況，推測(cè)該低速區(qū)為采礦巷道及采空區(qū)范圍；標(biāo)高4500 m以淺，電阻率呈中低阻條帶狀，天然源面波法剖面呈現(xiàn)漏斗狀相對(duì)低速區(qū)且波速橫向變化較大，推測(cè)該區(qū)域地層結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。結(jié)合實(shí)際地質(zhì)資料并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘后認(rèn)為，該區(qū)段為采空區(qū)影響部位，此區(qū)段的采空區(qū)埋藏較深，礦體上方巖層較為松散破碎，且采空區(qū)的影響范圍較大，地表出現(xiàn)大面積塌陷，塌陷區(qū)周邊巖石中裂隙發(fā)育，再次塌陷的風(fēng)險(xiǎn)較大。

為進(jìn)一步驗(yàn)證物探結(jié)果的可靠性，將物探結(jié)果與已有的井下采礦巷道分布圖和地面無人機(jī)航拍影像圖進(jìn)行對(duì)比分析(圖4)。從對(duì)比結(jié)果來看，天然源面波探測(cè)結(jié)果推測(cè)的采空區(qū)影響范圍橫向位置與地表塌陷區(qū)位置高度吻合，其推測(cè)的采空區(qū)位置與井下采礦巷道也較為吻合，進(jìn)一步說明天然源面波法的有效性與探測(cè)結(jié)果的可靠性。

圖3 綜合物探剖面成果圖Fig.3 Integrated geophysical profiling results

圖4 天然源面波探測(cè)結(jié)果與塌陷區(qū)位置的三維對(duì)比圖Fig.4 Three-dimensional comparison of natural source surface wave results and actual collapse areas

3 結(jié)論

天然源面波法在西藏扎西康礦區(qū)采空塌陷區(qū)勘查中的應(yīng)用效果。該方法與高密度電法、瞬變電磁法進(jìn)行對(duì)比結(jié)果表明，天然源面波法在采空塌陷區(qū)勘查中比傳統(tǒng)的高密度電法具有探測(cè)深度優(yōu)勢(shì)，又可避免瞬變電磁法的地表盲區(qū)，該方法受環(huán)境干擾較小，無需人工源，操作簡(jiǎn)便，效率高。如要獲得更大的探測(cè)深度，則需增加臺(tái)陣半徑，加大數(shù)據(jù)采集時(shí)間和精準(zhǔn)采集各臺(tái)站的位置信息。