微動(dòng)探測(cè)在礦山采空區(qū)勘查中的應(yīng)用

張 星，丁志軍，連偉章

（甘肅省有色地質(zhì)調(diào)查院，甘肅 蘭州 730000）

微動(dòng)探測(cè)技術(shù)作為礦山勘查技術(shù)中一項(xiàng)重要方法，在抗干擾能力方面表現(xiàn)突出，且不受各種場(chǎng)地限制，還可以把各種各樣的振動(dòng)源化為自身的場(chǎng)源，增強(qiáng)信號(hào)。因此，微動(dòng)在礦山采空區(qū)勘查中擁有其不可替代的作用。本文以烏魯木齊市六道灣某礦山為例，采用微動(dòng)探測(cè)方法，對(duì)地下采空區(qū)的空間展布和采空塌陷區(qū)回填情況以及充實(shí)程度進(jìn)行研究，取得了較好的應(yīng)用成果。

1 勘查區(qū)地質(zhì)概況

工作區(qū)位于準(zhǔn)南礦山東南部烏魯木齊市六道灣西側(cè)，區(qū)內(nèi)均為陸相沉積地層，以中新生界為主，其中以侏羅系分布最廣，新生界次之。工作區(qū)出露地層除部分紅山背斜有二疊系分布以外，在整個(gè)塌陷區(qū)及其南北地區(qū)主要以第四系松散沉積物為主，下伏地層為侏羅系的三工河組、西山窯組和頭屯河組，且大部分被第四系覆蓋。下侏羅統(tǒng)三工河組巖性主要是綠色粉細(xì)砂巖和黃白色中粗粒砂巖組成，厚度在235m～430m；中侏羅統(tǒng)西山窯組三組是侏羅系地層中的含礦地層，呈帶狀延伸，包含33層可采礦層，其中含礦系數(shù)18.9%，巖性主要由一套砂巖、泥巖和砂質(zhì)泥巖組成，地層厚度317.3m；中羅統(tǒng)頭屯河組巖性主要由粉砂巖和細(xì)砂巖組成，厚度203m。第四系分布范圍較廣，巖性主要有砂、卵礫石、黃土和亞砂土等。且絕大部分覆蓋于侏羅系之上，厚度在六道灣礦山一帶在10m～40m左右，七道灣鄉(xiāng)增大到100m～200m。

在六道灣礦區(qū)構(gòu)造較為簡(jiǎn)單，無大的斷裂，地層產(chǎn)狀變化也較小，在西二石門到西三石門一帶微向南凸呈弓形，傾向330°～336°，礦層陡傾，傾角一般在65°～75°。巖層傾角由淺到深逐漸變緩，淺部?jī)A角在一般70°～75°，深部變緩為50°～55°。

地震作用會(huì)加劇礦山塌陷區(qū)范圍的擴(kuò)大，地質(zhì)活動(dòng)頻繁，這將對(duì)塌陷區(qū)的形成起到催化作用。

2 微動(dòng)勘查技術(shù)與方法

2.1 技術(shù)原理

在沒有地震的時(shí)刻，地球表面的任何地方都處在一種微弱的振動(dòng)狀態(tài)下，地球表面的這種連續(xù)的微弱振動(dòng)稱為微動(dòng)。微動(dòng)的振幅約為101um～10um，因而人類感覺不到。微動(dòng)信號(hào)屬于天然源信號(hào)，震源主要源于兩個(gè)方面，一是人類的日常活動(dòng)，包括各種機(jī)械振動(dòng)，道路交通等。這些活動(dòng)產(chǎn)生的信號(hào)頻率大于1Hz，屬于高頻信號(hào)源，通常，這類微動(dòng)信號(hào)也被稱為常時(shí)微動(dòng)；二是各種自然現(xiàn)象，包括海浪對(duì)海岸的撞擊、河水的流動(dòng)、風(fēng)、雨、氣壓的變化等。這些現(xiàn)象產(chǎn)生的信號(hào)頻率小于1Hz，屬于低頻信號(hào)源，通常，這類微動(dòng)被稱為長(zhǎng)波微動(dòng)。微動(dòng)沒有特定的震源，振動(dòng)波來自觀測(cè)點(diǎn)的四面八方，攜帶有豐富的地球內(nèi)部信息。

微動(dòng)是一種沒有特定震源的微弱振動(dòng)，它是由多種形式的波組成的復(fù)雜振動(dòng)，主要包括體波和面波，其中面波的能量達(dá)70%以上，且主要以基階振型傳播。微動(dòng)中的面波信息與地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，實(shí)際運(yùn)用中主要利用微動(dòng)信號(hào)的瑞雷波信息。由于面波的頻散特性，微動(dòng)信號(hào)具有隨振幅、頻率隨時(shí)間、空間發(fā)生顯著變化的特點(diǎn)，但在一定時(shí)空范圍內(nèi)仍滿足統(tǒng)計(jì)穩(wěn)定性，可用平穩(wěn)隨機(jī)過程來描述。微動(dòng)探測(cè)方法(The Microtremor Survey Method，簡(jiǎn)稱MSM)是以平穩(wěn)隨機(jī)過程理論為依據(jù)，從微動(dòng)信號(hào)提取面波（瑞雷波）的頻散曲線，通過對(duì)頻散曲線的反演獲取地下速度結(jié)構(gòu)信息的地球物理探測(cè)方法。

從微動(dòng)信號(hào)中提取瑞雷波頻散曲線常用的兩種方法是頻率-波數(shù)法(The Frequency-wavenumber Power Spectral Method，簡(jiǎn)稱F-K法)和空間自相關(guān)方法(Spatical Autocorrelation Method， 簡(jiǎn) 稱SPAC法)。SPAC法利用不同半徑的自相關(guān)系數(shù)計(jì)算相速度，進(jìn)而根據(jù)相速度的分布提取頻散曲線，最后根據(jù)理論模型和實(shí)測(cè)模型的擬合，進(jìn)而計(jì)算出地層速度。下文中采用規(guī)則臺(tái)陣采集數(shù)據(jù)，采用的是SPAC法提取頻散曲線。

2.2 微動(dòng)測(cè)量野外數(shù)據(jù)采集與處理

2.2.1 臺(tái)陣布設(shè)

多重圓觀測(cè)臺(tái)陣是微動(dòng)單點(diǎn)探測(cè)常用的布設(shè)方式，下圖1為本次施工的臺(tái)陣觀測(cè)系統(tǒng)示意圖，圓心處布設(shè)1臺(tái)數(shù)據(jù)采集器，圓周上布設(shè)3臺(tái)數(shù)據(jù)采集器。在利用SPAC法時(shí)，圓形觀測(cè)臺(tái)陣的半徑稱為觀測(cè)半徑R，最大探測(cè)深度H與觀測(cè)半徑R之間通常存在以下關(guān)系：H=(3～5)R。微動(dòng)單點(diǎn)探測(cè)目的是獲得測(cè)點(diǎn)下方地層介質(zhì)的橫波速度及界面深度，也稱為微動(dòng)測(cè)深。

圖1 微動(dòng)單點(diǎn)探測(cè)臺(tái)陣示意圖

本次采用的三重圓觀測(cè)臺(tái)陣半徑分別為:r=15m；2r=30m；4r=60m。

2.2.2 剖面測(cè)點(diǎn)觀測(cè)

剖面觀測(cè)采用單點(diǎn)臺(tái)陣測(cè)量的方式，測(cè)量點(diǎn)距20m。以臺(tái)陣的中心為一個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行剖面連續(xù)觀測(cè)。

剖面觀測(cè)示意圖如下圖2。

圖2 排列移動(dòng)示意圖

2.3 數(shù)據(jù)處理

野外數(shù)據(jù)采集時(shí)需要進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)處理，預(yù)處理的主要目的是將實(shí)測(cè)原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成SPAC數(shù)據(jù)處理格式，畫出波形圖，以監(jiān)控實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的有效性。剔除被場(chǎng)地噪聲明顯干擾的數(shù)據(jù)段，計(jì)算臺(tái)站間空間自相關(guān)系數(shù)，判斷實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

探測(cè)數(shù)據(jù)處理時(shí)，需要從時(shí)序數(shù)據(jù)中提取瑞雷波，獲得其相速度頻散曲線，再對(duì)頻散曲線進(jìn)行反演獲得地下橫波速度結(jié)構(gòu)，當(dāng)所有測(cè)點(diǎn)的頻散曲線提取完成后，就可以合并插值平滑計(jì)算獲得二維視S波速度剖面，進(jìn)而繪制相速度等值線圖，最后結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)背景對(duì)橫波速度結(jié)構(gòu)做出地質(zhì)解釋。

利用實(shí)際微動(dòng)信號(hào)中提取的瑞雷波頻散曲線反演得到地下視S波速度結(jié)構(gòu)信息。常用的反演算法有半波法經(jīng)驗(yàn)公式反演，半波法經(jīng)驗(yàn)公式反演是一種采用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)頻散曲線進(jìn)行反演計(jì)算的方法，探測(cè)目標(biāo)剖面上對(duì)應(yīng)的視S波速度的變化情況，以獲取相應(yīng)的地層構(gòu)造。計(jì)算視S波速度半波法經(jīng)驗(yàn)公式如下：

該方法用于剖面上巖性的相對(duì)變化而無需反演橫波速度的絕對(duì)值。

式中：vs為視S波速度；

vr為瑞雷波相速度；

ti=1/fi為周期，對(duì)應(yīng)的深度一般取半波長(zhǎng)。

計(jì)算出視S波速度后，可根據(jù)相速度頻散曲線算得視S波速度隨深度的變化曲線(vs-h曲線)，再利用光滑差值等計(jì)算處理后，即可得到視S波速度的剖面圖。視S波速度不等于實(shí)際的S波速度值，是擁有速度量綱的物性參數(shù)，其變化趨勢(shì)可以反映出實(shí)際的S波速度變化，故可通過視S波速度的剖面圖進(jìn)行地質(zhì)診斷。

3 應(yīng)用實(shí)例

本次微動(dòng)探測(cè)使用的儀器為合肥國(guó)維電子有限公司生產(chǎn)的GN201微動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)。

該系統(tǒng)主要由GN201主機(jī)、0.1Hz拾震器、天線組成。該設(shè)備采用了32-bit高精度ADC，動(dòng)態(tài)范圍122dB，極大的降低了儀器自身的本地噪聲，提高了儀器信噪比，使獲取的微動(dòng)信號(hào)更加精確；同時(shí)通過接收GPS衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)自動(dòng)實(shí)時(shí)地進(jìn)行內(nèi)部校正，時(shí)鐘同步誤差小于15ns，保證在長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)中各數(shù)據(jù)采集器之間的同步性，滿足勘探要求。

3.1 地球物理特征

物性差異是開展物探工作的前提，本次筆者收集了前人的成果，下表1是用淺震反射波法在勘查區(qū)測(cè)量的各種地質(zhì)體的波速。

表1 物性參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

通過上表物性參數(shù)可知，不同地質(zhì)體間波速差異較大，可以通過波速特征實(shí)現(xiàn)對(duì)地下地質(zhì)體的劃分。由于采空區(qū)內(nèi)巖層破碎、裂隙發(fā)育，密度降低，地震波速度降低。根據(jù)理論和實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)，礦層采空區(qū)巖層的視S波速度比未開采的礦層低，在視S波速度剖面上形成低速異常。

據(jù)以往六道灣礦區(qū)勘查資料，勘查區(qū)主要開采礦層分兩層，分別在深130和240m。為查明采空區(qū)的空間展布位置，本次安排了兩條微動(dòng)剖面，測(cè)線距200m，方位66°，探測(cè)深度300m。

施工前，為確定合適的采集參數(shù)，在W2測(cè)線240～360點(diǎn)（20m點(diǎn)距）多種采集參數(shù)試驗(yàn)，包括不同半徑、不同采集時(shí)間切片以及不同采樣率等，最終確定了本次采集系統(tǒng)參數(shù)為：半徑分別為15、30和60m三重圓、采樣率250Hz、單點(diǎn)采集時(shí)間不少于40分鐘。

3.2 斷面解釋

研究區(qū)共兩條測(cè)線，W2測(cè)線長(zhǎng)380m，共20個(gè)測(cè)點(diǎn)；W3線長(zhǎng)360m，共19個(gè)測(cè)點(diǎn)。兩條測(cè)線平行布置，方位66°。

在深35m～80m區(qū)域，視S波速在1000m/s～1500m/s之間，呈中高速特征，在W2線斷面圖中近似水平層狀，推測(cè)開采礦層的頂；在深80m～160m區(qū)域，視S波速度在800m/s～1100m/s之間，W2線視S波速度斷面圖和W3線視S波速度斷面圖局部出現(xiàn)多處封閉的低速異常區(qū)域，異常以傾斜的串珠狀和長(zhǎng)條狀為主，如圖3上的W1-1和W1-2異常以及圖4上W2-1、W2-2和W2-3異常；推測(cè)礦層開采后留下的空白區(qū)、拆除支護(hù)和液壓支架后形成采空區(qū)以及礦層頂板冒落垮塌形成的冒落帶反映；160m以下，視S波速度呈高速區(qū)，無明顯異常特征，推測(cè)為未開采地層的底界面。

圖3 W1線微動(dòng)探測(cè)視S波速度斷面圖

圖4 W2線微動(dòng)探測(cè)視S波速度斷面圖

根據(jù)鉆孔資料顯示，30.4m以淺主要為第四系松散堆積物和地面塌陷回填物，30.4m至48.7m為礦層頂板，巖性為泥質(zhì)粉砂巖；48.7m至73.1m為塌陷擾動(dòng)礦層73.1m至120m。120m以下為礦層底板粉砂巖。從已有鉆孔揭露來看，微動(dòng)探測(cè)成果與鉆孔結(jié)果基本相符，這也為后續(xù)大面積調(diào)查治理提供了依據(jù)。

4 結(jié)論與討論

微動(dòng)探測(cè)可以在充滿各種信號(hào)源干擾的環(huán)境下，取得較好的勘探效果。事實(shí)上，微動(dòng)探測(cè)有效的利用了市區(qū)的各種噪聲，如礦山開采發(fā)出的微振動(dòng)信號(hào)源，微動(dòng)探測(cè)擁有自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，基本不受電磁干擾的影響，而且它屬于分布式采集站采集數(shù)據(jù)，采用高精度GPS同步，采集站體積較小，不受場(chǎng)地條件的限制。因此，微動(dòng)探測(cè)是一種經(jīng)濟(jì)高效的勘探手段，尤其是在鬧市區(qū)，對(duì)地面零破壞，更加環(huán)保。

微動(dòng)探測(cè)對(duì)市區(qū)內(nèi)的采空區(qū)勘探，具有較高的分辨率，不論是采空區(qū)的空間位置、埋深和形態(tài)，還是因采空形成的發(fā)育帶，都有較好的反應(yīng)。一般來說，形成的采空區(qū)越大，速度異常也就越明顯。

微動(dòng)探測(cè)成果還可以進(jìn)行采空區(qū)域的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，如判定為穩(wěn)定區(qū)、一般穩(wěn)定區(qū)還是不穩(wěn)定區(qū)。它是根據(jù)已有地層物性資料和實(shí)測(cè)相速度速度進(jìn)行對(duì)比研究，進(jìn)而劃分穩(wěn)定區(qū)和不穩(wěn)定區(qū)域