基于微動探測的煤礦采空區(qū)勘察及其穩(wěn)定性評價研究

孫 飛

(山東省煤田地質(zhì)局 第五勘探隊，山東 濟南 250100)

隨著我國城市化進程的逐步加快與經(jīng)濟的快速發(fā)展，許多地區(qū)的自然資源開發(fā)情況越來越不合理，生態(tài)環(huán)境惡化，建設(shè)用地越來越少[1]。為了緩解這種情況，許多煤礦采空區(qū)被用作建筑用地，而在此過程中，由于對其穩(wěn)定性情況掌握不到位，使很多大型工程的施工、設(shè)計、選線等問題頻發(fā)，使得工程建設(shè)安全面臨較大威脅[2]。如果利用相關(guān)勘察技術(shù)在煤礦采空區(qū)塌陷之前對采空區(qū)進行治理，全面推進煤礦采空區(qū)的勘察和穩(wěn)定性評價，從而進行針對性地防治，將大幅降低煤礦采空區(qū)對于生態(tài)環(huán)境的影響和破壞以及大幅提升煤礦采空區(qū)建筑工程的安全性[3]。因此，必須進一步加強煤礦采空區(qū)管理，開展煤礦采空區(qū)勘察及其穩(wěn)定性評價方面的研究具有重要現(xiàn)實意義。

煤礦采空區(qū)問題早已引起多方重視，各國對于煤礦采空區(qū)勘察及其穩(wěn)定性評價方面的研究，已經(jīng)有著悠久的歷史[4]。美國很多專家利用先進的高分辨率地震法、高密度電阻率法等物探技術(shù)進行煤礦采空區(qū)的勘察及其穩(wěn)定性評價。而歐洲主要應(yīng)用淺層地震法、微重力法、探地雷達等進行礦采空區(qū)的勘察及其穩(wěn)定性評價。我國對于煤礦采空區(qū)勘察及其穩(wěn)定性評價方面的研究也取得了很豐碩的研究成果，有學(xué)者提出一種基于地震映像法和探地雷達法的煤礦采空區(qū)勘察及其穩(wěn)定性評價方法，還有學(xué)者提出一種基于二分量共偏移距縱的煤礦采空區(qū)勘察及其穩(wěn)定性評價方法。但是以上方法評價準確率較低，應(yīng)用微動探測技術(shù)，設(shè)計一種煤礦采空區(qū)勘察及其穩(wěn)定性評價方法，以期對采空區(qū)致災(zāi)因素分析與排除提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 基于微動探測的煤礦采空區(qū)勘察及其穩(wěn)定性評價方法

1.1 微動探測勘察

利用微動探測技術(shù)進行煤礦采空區(qū)的勘察，使用儀器為GT-MST 微動測試儀[5]。GT-MST 微動測試儀的標準配置具體為：10臺GT-MST基站，含電源適配器、網(wǎng)線等；10只檢波器，頻率可選；Lora天線、GPS天線、WiFi天線；1只U盤，含采集軟件；1臺筆記本電腦；1臺工業(yè)AP；1套處理軟件。

該微動測試儀采用無線節(jié)點式基站，可據(jù)勘察需求拓展基站數(shù)量；具備高精度外置GPS，記錄子基站點位，一鍵生成平面位置分布圖；具備本地對時、GPS對時2種時間同步模式；具備24位高性能AD，可實現(xiàn)各通道同步采樣；可以無線操控，界面友好，設(shè)備輕便，儀器功耗低，連續(xù)工作時間大于12 h；可以實現(xiàn)工業(yè)級AP通信，戶外可滿足半徑100 m無線傳輸；可選配單分量或三分量微動檢波器；具有離線數(shù)據(jù)存儲模式，可滿足連續(xù)12 h的數(shù)據(jù)存儲[6]。

GT-MST 微動測試儀主機參數(shù)：主控單元為Windows筆記本電腦；采樣頻率為1～32 kHz；采樣點數(shù)為可離線連續(xù)存儲12 h數(shù)據(jù)；采樣分辨率為24位AD；動態(tài)范圍為大于140 dB；共模壓制小于1%；時間精度小于5×10-6；道間串音壓制為140 dB；供電模式為內(nèi)置高性能復(fù)充鋰電池；功耗小于4 W；通信方式既支持有線，也支持無線；工作溫度為-20～+55 ℃；尺寸為220 mm×150 mm×75 mm；質(zhì)量為2.0 kg。

探頭參數(shù)：類型可以選擇三分量、水平分量以及垂直分量3種；自然頻率可以選擇2、1、0.5 Hz。

在實施微動探測前，要對GT-MST微動測試儀實施標定和一致性檢測，以確保該儀器能夠完成勘察任務(wù)。在檢測時，儀器的輸出帶寬需要在1～100 Hz范圍內(nèi)[7]。同時還要保障無車輛、天氣晴朗無風(fēng)，不存在較大干擾，并盡量減輕人員走動帶來的輕微擾動。

在數(shù)據(jù)采集完成以后，需要檢查波形文件，確保波形無斷裂[8]。接著實施數(shù)據(jù)的功率譜分析，測試儀器的一致性。微動測試儀功率譜測試的具體測試結(jié)果如圖1所示。

圖1 微動測試儀功率譜測試的具體測試結(jié)果Fig.1 Specific test results of micro motion tester power spectrum test

1.2 勘查方案設(shè)計

考慮到勘查實施過程、人員調(diào)配、儀器運輸?shù)葐栴}，勘查前，需要設(shè)計勘查方案[9]，以勘察方案為基礎(chǔ)設(shè)計微動臺陣。微動臺陣的設(shè)計過程具體如下。

將g(ω，r，θ)這一空間協(xié)方差函數(shù)所對應(yīng)的方位平均G(ω，r)定義為平均空間協(xié)方差函數(shù)，用式(1)表示：

(1)

式中，d為協(xié)方差閾值；θ為空間角。

假設(shè)共擺設(shè)M個測點，因此需要根據(jù)測點布置結(jié)果估算圓形臺陣的對應(yīng)平均空間協(xié)方差函數(shù)，具體如式(2)所示：

(2)

式中，i為測點數(shù)，最大值為M；v為M的關(guān)聯(lián)數(shù)(當M為偶數(shù)時，v取0.5；當M為奇數(shù)時，v取1)；J0(kr)為圓形臺陣的空間自相關(guān)系數(shù)；J2viM為數(shù)據(jù)擬合誤差[10]。

(3)

式中，εM(rk)為平均空間協(xié)方差函數(shù)的對應(yīng)殘差項。

以平均空間協(xié)方差函數(shù)的對應(yīng)殘差項和測點布置情況為基礎(chǔ)，將數(shù)值3、4、5、9作為M的討論對象，設(shè)計其微動臺陣，具體如圖2所示。

圖2 設(shè)計的微動臺陣Fig.2 Micro motion array designed

1.3 穩(wěn)定性評價

1.3.1 評價體系構(gòu)建

構(gòu)建煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性評價體系，并利用該體系對煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性實施評價[11]。構(gòu)建的煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性評價體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 構(gòu)建的煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性評價體系結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of stability evaluation system of coal mine goaf

在構(gòu)建的煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性評價體系中，子系統(tǒng)層分別為工程地質(zhì)條件、工程建設(shè)條件以及工程遺留條件[12]。子系統(tǒng)層的結(jié)構(gòu)具體如圖4所示。

圖4 子系統(tǒng)層的結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of subsystem layer

工程地質(zhì)條件是工程建設(shè)時全部地質(zhì)因素的和，具體包括天然建筑材料、水文地質(zhì)條件、動力性工程地質(zhì)作用、地層巖性、地質(zhì)地貌等方面[13-14]。在評價中，工程地質(zhì)條件處于評價體系中的重要位置。工程建設(shè)條件主要考慮地表建設(shè)條件和煤層開采條件[15-16]。工程遺留條件則主要考慮面積和地表影響距離[17]。

在構(gòu)建的煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性評價體系中，指標層具體包括覆巖巖性、表土層厚度、地下水活動情況、煤層傾角、開采深度與采厚、開采結(jié)束時間、埋藏深度、地表擬建狀況、地表影響距離以及面積[18-19]。

1.3.2 數(shù)據(jù)處理

利用構(gòu)建的煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性評價體系進行穩(wěn)定性評價時，需要無量綱化處理評價指標數(shù)據(jù)，具體處理方法如式(4)所示：

(4)

式中，Yi為處理后的評價指標數(shù)據(jù)；Xmax、Xmin分別為指標最大值、最小值；Xi為樣本實際值；Xa為指標理想值。

當指標較大時，用式(4)中的第1個公式；當指標較小時，用式(4)中的第2個公式；當指標為中性數(shù)據(jù)時，用式(4)中的第3個公式。通過第3個公式對平均值和樣本值的差異進行計算，當差異越小證明越穩(wěn)定[20]。

2 實驗測試

2.1 采空區(qū)與工程概況

選擇某煤礦采空區(qū)作為實驗采空區(qū)，在該區(qū)擬建地下工程，其中區(qū)間的施工法為盾構(gòu)法，車站的施工法為明挖法。實驗采空區(qū)中有3個煤礦開展過煤炭開采，遺留下了多個采空區(qū)。為進一步獲取該區(qū)采空區(qū)具體情況數(shù)據(jù)，利用設(shè)計的基于微動探測的煤礦采空區(qū)勘察及其穩(wěn)定性評價方法對該區(qū)實施勘察與穩(wěn)定性評價，以期為工程的實施提供基礎(chǔ)施工、設(shè)計數(shù)據(jù)。實驗采空區(qū)的基巖地質(zhì)情況如圖5所示。

圖5 實驗采空區(qū)的基巖地質(zhì)情況Fig.5 Bedrock geology of experimental goaf

2.2 實驗測試項目

利用設(shè)計的基于微動探測的煤礦采空區(qū)勘察及其穩(wěn)定性評價方法對實驗采空區(qū)進行勘察。在勘察中對該方法的勘察誤差進行測定與記錄，具體包括數(shù)據(jù)采集誤差以及儀器測量誤差。再利用該方法對實驗采空區(qū)進行穩(wěn)定性評價，對設(shè)計方法的評價準確率進行測試。

2.3 測試結(jié)果

2.3.1 勘察誤差實驗數(shù)據(jù)

首先對設(shè)計的基于微動探測的煤礦采空區(qū)勘察及其穩(wěn)定性評價方法的數(shù)據(jù)采集誤差以及儀器測量誤差進行測試，實驗中誤差的測量次數(shù)為12次，求取其平均值，獲取該方法的勘察誤差測試結(jié)果。具體測試結(jié)果見表1。

表1 數(shù)據(jù)采集誤差、儀器測量誤差具體測試結(jié)果Tab.1 Specific test results of data acquisition error and instrument measurement error

通過分析表1中的數(shù)據(jù)采集誤差、儀器測量誤差具體測試結(jié)果表明，設(shè)計的基于微動探測的煤礦采空區(qū)勘察及其穩(wěn)定性評價方法的數(shù)據(jù)采集誤差平均值為5.02 mm，儀器測量誤差平均值為0.47 mm。整體來說勘察誤差較小，勘察精準度較高。

2.3.2 評價準確率實驗數(shù)據(jù)

接著對該方法的煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性評價準確率進行測試。在測試中，將現(xiàn)有的2種煤礦采空區(qū)勘察及其穩(wěn)定性評價方法作為實驗中的對比方法，具體包括基于地震映像法和探地雷達法、基于二分量共偏移距縱的煤礦采空區(qū)勘察及其穩(wěn)定性評價方法，以增強實驗數(shù)據(jù)的對比性，使實驗結(jié)果更有說服力。對3種實驗方法的評價準確率進行測試，記錄實驗數(shù)據(jù)。所記錄的實驗數(shù)據(jù)見表2。

根據(jù)表2的評價準確率實驗數(shù)據(jù)，設(shè)計的基于微動探測的煤礦采空區(qū)勘察及其穩(wěn)定性評價方法的評價準確率平均值為83.14%；基于地震映像法和探地雷達法的煤礦采空區(qū)勘察及其穩(wěn)定性評價方法的評價準確率平均值為66.10%；基于二分量共偏移距縱的煤礦采空區(qū)勘察及其穩(wěn)定性評價方法的評價準確率平均值為69.95%。對比表2中數(shù)據(jù)可知，所設(shè)計方法的評價準確率更高，對于工程的施工與設(shè)計更有參考意義。

表2 評價準確率實驗數(shù)據(jù)Tab.2 Experimental data of evaluation accuracy

3 結(jié)語

在對煤礦采空區(qū)勘察及其穩(wěn)定性評價進行研究的過程中，應(yīng)用了微動探測法，通過實驗證明該方法具有較低的勘察誤差與較高的評價準確率。在研究中，發(fā)現(xiàn)存在以下問題：①進行微動探測時，無法保證絕對安靜，存在一定干擾行為。實際勘察時，需要盡量注意。②場地情況、實驗儀器固定不變也會帶來一定誤差。

對于問題①，在實際勘察時，需要盡量注意；對于問題②，需要進行多次勘察，以保證誤差數(shù)值穩(wěn)定在一個較低的水平。