微動探測在礦山采空區勘查中的應用

張 星，丁志軍，連偉章

（甘肅省有色地質調查院，甘肅 蘭州 730000）

微動探測技術作為礦山勘查技術中一項重要方法，在抗干擾能力方面表現突出，且不受各種場地限制，還可以把各種各樣的振動源化為自身的場源，增強信號。因此，微動在礦山采空區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，采用微動探測方法，對地下采空區的空間展布和采空塌陷區回填情況以及充實程度進行研究，取得了較好的應用成果。

1 勘查區地質概況

工作區位于準南礦山東南部烏魯木齊市六道灣西側，區內均為陸相沉積地層，以中新生界為主，其中以侏羅系分布最廣，新生界次之。工作區出露地層除部分紅山背斜有二疊系分布以外，在整個塌陷區及其南北地區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。下侏羅統三工河組巖性主要是綠色粉細砂巖和黃白色中粗粒砂巖組成，厚度在235m～430m；中侏羅統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18.9%，巖性主要由一套砂巖、泥巖和砂質泥巖組成，地層厚度317.3m；中羅統頭屯河組巖性主要由粉砂巖和細砂巖組成，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，七道灣鄉增大到100m～200m。

在六道灣礦區構造較為簡單，無大的斷裂，地層產狀變化也較小，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，淺部傾角在一般70°～75°，深部變緩為50°～55°。

地震作用會加劇礦山塌陷區范圍的擴大，地質活動頻繁，這將對塌陷區的形成起到催化作用。

2 微動勘查技術與方法

2.1 技術原理

在沒有地震的時刻，地球表面的任何地方都處在一種微弱的振動狀態下，地球表面的這種連續的微弱振動稱為微動。微動的振幅約為101um～10um，因而人類感覺不到。微動信號屬于天然源信號，震源主要源于兩個方面，一是人類的日常活動，包括各種機械振動，道路交通等。這些活動產生的信號頻率大于1Hz，屬于高頻信號源，通常，這類微動信號也被稱為常時微動；二是各種自然現象，包括海浪對海岸的撞擊、河水的流動、風、雨、氣壓的變化等。這些現象產生的信號頻率小于1Hz，屬于低頻信號源，通常，這類微動被稱為長波微動。微動沒有特定的震源，振動波來自觀測點的四面八方，攜帶有豐富的地球內部信息。

微動是一種沒有特定震源的微弱振動，它是由多種形式的波組成的復雜振動，主要包括體波和面波，其中面波的能量達70%以上，且主要以基階振型傳播。微動中的面波信息與地下地質結構密切相關，實際運用中主要利用微動信號的瑞雷波信息。由于面波的頻散特性，微動信號具有隨振幅、頻率隨時間、空間發生顯著變化的特點，但在一定時空范圍內仍滿足統計穩定性，可用平穩隨機過程來描述。微動探測方法(The Microtremor Survey Method，簡稱MSM)是以平穩隨機過程理論為依據，從微動信號提取面波（瑞雷波）的頻散曲線，通過對頻散曲線的反演獲取地下速度結構信息的地球物理探測方法。

從微動信號中提取瑞雷波頻散曲線常用的兩種方法是頻率-波數法(The Frequency-wavenumber Power Spectral Method，簡稱F-K法)和空間自相關方法(Spatical Autocorrelation Method， 簡 稱SPAC法)。SPAC法利用不同半徑的自相關系數計算相速度，進而根據相速度的分布提取頻散曲線，最后根據理論模型和實測模型的擬合，進而計算出地層速度。下文中采用規則臺陣采集數據，采用的是SPAC法提取頻散曲線。

2.2 微動測量野外數據采集與處理

2.2.1 臺陣布設

多重圓觀測臺陣是微動單點探測常用的布設方式，下圖1為本次施工的臺陣觀測系統示意圖，圓心處布設1臺數據采集器，圓周上布設3臺數據采集器。在利用SPAC法時，圓形觀測臺陣的半徑稱為觀測半徑R，最大探測深度H與觀測半徑R之間通常存在以下關系：H=(3～5)R。微動單點探測目的是獲得測點下方地層介質的橫波速度及界面深度，也稱為微動測深。

圖1 微動單點探測臺陣示意圖

本次采用的三重圓觀測臺陣半徑分別為:r=15m；2r=30m；4r=60m。

2.2.2 剖面測點觀測

剖面觀測采用單點臺陣測量的方式，測量點距20m。以臺陣的中心為一個測點進行剖面連續觀測。

剖面觀測示意圖如下圖2。

圖2 排列移動示意圖

2.3 數據處理

野外數據采集時需要進行實時預處理，預處理的主要目的是將實測原始數據轉換成SPAC數據處理格式，畫出波形圖，以監控實測數據的有效性。剔除被場地噪聲明顯干擾的數據段，計算臺站間空間自相關系數，判斷實測數據質量，指導現場施工。

探測數據處理時，需要從時序數據中提取瑞雷波，獲得其相速度頻散曲線，再對頻散曲線進行反演獲得地下橫波速度結構，當所有測點的頻散曲線提取完成后，就可以合并插值平滑計算獲得二維視S波速度剖面，進而繪制相速度等值線圖，最后結合當地的地質背景對橫波速度結構做出地質解釋。

利用實際微動信號中提取的瑞雷波頻散曲線反演得到地下視S波速度結構信息。常用的反演算法有半波法經驗公式反演，半波法經驗公式反演是一種采用經驗公式對頻散曲線進行反演計算的方法，探測目標剖面上對應的視S波速度的變化情況，以獲取相應的地層構造。計算視S波速度半波法經驗公式如下：

該方法用于剖面上巖性的相對變化而無需反演橫波速度的絕對值。

式中：vs為視S波速度；

vr為瑞雷波相速度；

ti=1/fi為周期，對應的深度一般取半波長。

計算出視S波速度后，可根據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波速度不等于實際的S波速度值，是擁有速度量綱的物性參數，其變化趨勢可以反映出實際的S波速度變化，故可通過視S波速度的剖面圖進行地質診斷。

3 應用實例

本次微動探測使用的儀器為合肥國維電子有限公司生產的GN201微動探測系統。

該系統主要由GN201主機、0.1Hz拾震器、天線組成。該設備采用了32-bit高精度ADC，動態范圍122dB，極大的降低了儀器自身的本地噪聲，提高了儀器信噪比，使獲取的微動信號更加精確；同時通過接收GPS衛星的標準時間信號自動實時地進行內部校正，時鐘同步誤差小于15ns，保證在長時間觀測中各數據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測量的各種地質體的波速。

表1 物性參數統計表

通過上表物性參數可知，不同地質體間波速差異較大，可以通過波速特征實現對地下地質體的劃分。由于采空區內巖層破碎、裂隙發育，密度降低，地震波速度降低。根據理論和實測經驗，礦層采空區巖層的視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。

據以往六道灣礦區勘查資料，勘查區主要開采礦層分兩層，分別在深130和240m。為查明采空區的空間展布位置，本次安排了兩條微動剖面，測線距200m，方位66°，探測深度300m。

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

3.2 斷面解釋

研究區共兩條測線，W2測線長380m，共20個測點；W3線長360m，共19個測點。兩條測線平行布置，方位66°。

在深35m～80m區域，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，推測開采礦層的頂；在深80m～160m區域，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多處封閉的低速異常區域，異常以傾斜的串珠狀和長條狀為主，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；推測礦層開采后留下的空白區、拆除支護和液壓支架后形成采空區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，無明顯異常特征，推測為未開采地層的底界面。

圖3 W1線微動探測視S波速度斷面圖

圖4 W2線微動探測視S波速度斷面圖

根據鉆孔資料顯示，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，巖性為泥質粉砂巖；48.7m至73.1m為塌陷擾動礦層73.1m至120m。120m以下為礦層底板粉砂巖。從已有鉆孔揭露來看，微動探測成果與鉆孔結果基本相符，這也為后續大面積調查治理提供了依據。

4 結論與討論

微動探測可以在充滿各種信號源干擾的環境下，取得較好的勘探效果。事實上，微動探測有效的利用了市區的各種噪聲，如礦山開采發出的微振動信號源，微動探測擁有自己獨特的優勢，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據，采用高精度GPS同步，采集站體積較小，不受場地條件的限制。因此，微動探測是一種經濟高效的勘探手段，尤其是在鬧市區，對地面零破壞，更加環保。

微動探測對市區內的采空區勘探，具有較高的分辨率，不論是采空區的空間位置、埋深和形態，還是因采空形成的發育帶，都有較好的反應。一般來說，形成的采空區越大，速度異常也就越明顯。

微動探測成果還可以進行采空區域的穩定性評價，如判定為穩定區、一般穩定區還是不穩定區。它是根據已有地層物性資料和實測相速度速度進行對比研究，進而劃分穩定區和不穩定區域