微動探測在地鐵煤礦采空區(qū)勘察中的應用

徐建國，傅 磊，謝色新，陳志亮，陳 健

（1.廣州地鐵集團有限公司，廣東 廣州 510000；2.中國煤炭地質(zhì)總局廣東煤炭地質(zhì)局勘查院，廣東 廣州 510440；3.中國煤炭地質(zhì)總局廣東煤炭地質(zhì)局，廣東 廣州 510180）

微動勘探法也稱天然源面波法，其是通過從微動信號中提取瑞利面波的頻散特性，然后通過對頻散曲線反演來推測地下的橫波速度分布。隨著現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展，越來越多的建筑工程需在建筑物密集、人文干擾強、場地條件復雜多變的條件下進行，且需要滿足綠色文明施工、不能擾民等要求，這就需要詳細地了解城市的地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)。城市的人文活動為淺層微動提供了豐富的信號源，在城市淺層地質(zhì)勘探中得到了廣泛的應用[1-3]。地鐵煤礦采空區(qū)的自身物理特性，使其邊緣部位存在一個明顯的波阻抗反射界面，有明顯的波速差異，為微動勘探采空區(qū)提供了較好的物性前提條件。

煤礦采空區(qū)受外應力的影響巖體內(nèi)穩(wěn)態(tài)遭受破壞，易產(chǎn)生應力集中，同時煤礦采空區(qū)頂部空間受到巖層壓力作用，容易發(fā)生變形、斷裂甚至冒落。如果對煤礦采空區(qū)的分布、巖石結(jié)構(gòu)、空間形態(tài)和填充情況等問題調(diào)查不全面，將對地鐵工程建設(shè)和后期運營產(chǎn)生極大的影響，甚至威脅整個施工建設(shè)和人員安全。為確保項目的高效、順利、安全進行，必須對地鐵煤礦采空區(qū)的分布、空間形態(tài)等方面進行勘察。地鐵建設(shè)場地位于城市，環(huán)境復雜，結(jié)合當前城市物探勘察方法，使用微動勘探是一種抗干擾強且高效、高精度的勘察方法。文章采用微動勘探技術(shù)，分析了依托工程工作區(qū)域中煤礦采空區(qū)的分布、空間形態(tài)，進而使該工程建設(shè)項目安全、順利地進行。

1 微動勘探技術(shù)

1.1 技術(shù)原理

微動面波是一種穩(wěn)定的隨機過程，是隨時間和位置適量而變化，某一時間段的微動記錄可以作為穩(wěn)定隨機過程的樣本函數(shù)來看待。同時，可用時間與空間上的平穩(wěn)隨機過程進行描述。微動勘探就是以這種平穩(wěn)隨機過程理論為依據(jù)的，由微動勘探信號中提取面波的頻散曲線，然后通過對頻散曲線的反演，得到地下橫波的速度結(jié)構(gòu)[4]。實際上，微動是由體波和面波組成的復雜振動，且振幅很小，其振幅位移一般在10-4～10-3cm，因而，必須提高地震儀的放大倍數(shù)，從而增大微動信號，但是這樣不僅放大了有用的地震信號，同時更放大了噪聲，使得有用的微動信號被淹沒。天然源面波勘探的基礎(chǔ)就是從天然源信號中提取面波信號，即由天然源信號推斷地下構(gòu)造的問題就是如何從天然源信號中提取面波的問題。提取面波，就是求出面波的周期（或頻率）與相速度的關(guān)系，通過對頻散曲線進行反演獲得地層的橫波速度，在城市地質(zhì)勘察中推斷地殼淺部的橫波速度結(jié)構(gòu)，可劃分土的類型，判斷施工場地的類別，判別地層巖性及軟硬、采空區(qū)的空間分布等。

1.2 工作觀測臺陣

微動觀測臺陣主要有“+”字形、“三角”形、圓形等形式，如圖1所示，研究表明觀測臺陣還可以有更多的形式，也可以采取任意形式布置檢波器，但需要滿足3個條件：滿足探查深度范圍需要的波長、臺陣中各接收點連線的方向要盡可能多、臺陣中各接收點之間的距離要方便計算。城市中由于場地狹窄、不規(guī)則，三角形臺陣也不一定完全適合，可根據(jù)實際情況布置不規(guī)則形狀，不規(guī)則形狀的中心點即為測點。

圖1 微動觀測臺陣

1.3 實施方法參數(shù)

現(xiàn)場采集儀器使用北京水電物探研究所生產(chǎn)的WD-1型智能微動勘探儀器，該儀器具有采集與處理信號、識別與剔除干擾波、篩選與疊加頻散數(shù)據(jù)等自動功能。現(xiàn)場儀器屏幕直接顯示面波頻散曲線，改變了以往盲采被動局面。項目主要使用三角形排列臺陣，最小～最大邊上為3.46～24m，采樣間隔5ms，檢波器2HZ采集數(shù)據(jù)。

2 工程實例

廣州市軌道交通14號線二期工程線路彭邊段位于廣花煤田嘉禾礦區(qū)東大嶺井田范圍內(nèi)，嘉禾礦區(qū)煤炭資源豐富，自明清時期就有零星開采，地表老窿殘跡密布，局部個別小窯采深達-58m。新中國成立后才有一定規(guī)模的開采，到了20世紀90年代中期該區(qū)所有煤礦陸續(xù)停產(chǎn)關(guān)閉，但留下了許多地下采空區(qū)[5]。在以往煤田勘探和地鐵線路勘察過程中，均有鉆孔揭露到這些老窿和采空區(qū)。老窿和采空區(qū)的平面位置及空間狀況對地鐵線路的敷設(shè)方案及工法選擇有著極大的影響，為更全面評估煤層、采空區(qū)和老窿對地鐵建設(shè)運營的影響，對地鐵沿線采空區(qū)開展專項勘察工作，主要使用微動勘探對地鐵彭邊段采空區(qū)范圍進行勘察。

3 成果解釋及驗證情況

本次廣州地鐵十四號線二期彭邊段微動探測沿地鐵軌道線布置了2條測線，第一階段以10m測點距進行了地鐵軌道線掃面工作，第二階段對已有的微動成果進行分析，在頻散曲線呈現(xiàn)異常段進行測點加密，加密段測點距5m，共計完成微動測點120個。下面以微動探測在淺部和深部采空區(qū)及煤礦采空區(qū)場地探察的應用效果進行說明。

C400測點反演及其面波波速等值線剖面圖如圖2所示。圖左側(cè)為C400測點的頻散曲線，在埋深58.2～100m范圍內(nèi)，面波頻散曲線極值的變化呈互層分層（即頻散曲線極值多且密度大與頻散曲線極值較單一且密度一般交替分布），面波視速度在頻散曲線極值較單一處隨深度增大而增大；而在頻散曲線極值多位置，其面波視速度不隨深度增大而增大。結(jié)合后期驗證孔可知，在頻散曲線拐點埋深58.2m異常為煤層引起，埋深69.2m異常為巷道頂板破碎引起。圖右側(cè)的等值線剖面圖為6個測點的數(shù)據(jù)所繪，在面波波速值900～1000m/s高波速界線面內(nèi)，出現(xiàn)了明顯局部圈閉的800m/s低波速等值線，結(jié)合后期驗證孔可知在68～71.1m為采空區(qū)頂板，71.1～73.4m為采空區(qū)，73.4～75m為采空區(qū)底板。

圖2 C400測點反演及其面波波速等值線剖面圖（含鉆孔驗證）

B335測點反演及其面波波速等值線剖面圖如圖3所示。圖左側(cè)為B335測點的頻散曲線，在埋深19～34m范圍內(nèi)，面波頻散曲線極值呈現(xiàn)畸變，在同一深度位置呈“之”字形回折，結(jié)合后期驗證孔可知該段為采空區(qū)引起。圖右側(cè)的等值線剖面圖為11個測點的數(shù)據(jù)所繪，在300m/s波速等值線平直背景下，400m/s波速等值線局部呈條帶狀低速異常，形成一個條狀的波速陡降，且延深較大，結(jié)合后期驗證鉆孔可知在埋深27.7～31.7m為采空區(qū)。

圖3 B335測點反演及其面波波速等值線剖面圖（含鉆孔驗證）

該次彭邊站煤礦采空區(qū)場地共劃分了3個物性異常區(qū)，收集地鐵巖土工程勘察、煤田勘察鉆孔等資料。在異常Ⅰ區(qū)共有42個鉆孔，其中揭露了采空區(qū)的鉆孔13個，揭露了煤層的鉆孔11個（其中3個同時揭露了采空區(qū)），共計21個鉆孔揭露了采空區(qū)或煤層；異常Ⅱ區(qū)內(nèi)共有2個鉆孔，其中揭露了采空區(qū)的鉆孔1個，揭露了煤層的鉆孔1個，共計2個鉆孔揭露了采空區(qū)或煤層；異常Ⅲ區(qū)內(nèi)共有5個鉆孔，其中揭露了采空區(qū)的鉆孔2個，揭露了煤層的鉆孔2個（同時揭露了采空區(qū)），共計2個鉆孔揭露了采空區(qū)或煤層。鉆孔驗證率達72.2%。

4 結(jié)束語

城市內(nèi)施工場地道路錯綜復雜，交通擁塞、樓房林立，水泥路面下地下管線密布，噪音與地電干擾大，淺地表干擾源多而且復雜，施工區(qū)段周邊空間狹窄。微動探測在臺陣布置時拾震器合理地避開了地下管線等空洞、房屋等較高墻體前提下，利用城市的人為干擾等造成的豐富地震信號，從中提取面波的頻散特性，推斷地下的速度結(jié)構(gòu)。經(jīng)過鉆探驗證，微動面波在城市復雜的環(huán)境下對煤礦采空區(qū)的勘察應用方面效果良好，結(jié)合前人調(diào)查的井田開采等地質(zhì)資料，可對地鐵軌道煤礦采空區(qū)場地的采空區(qū)分布、空間形態(tài)進行高精度的范圍劃分，并可根據(jù)采空區(qū)圍巖的波速對其進行初步的穩(wěn)定性分析。