微動法在馬坑鐵礦采空區(qū)的應(yīng)用分析

孔令添 王超凡 林燁 李文杰

（1.福建馬坑礦業(yè)股份有限公司；2.中地華北（北京）工程技術(shù)研究院有限公司）

近年來，越來越多的礦山事故是由采空區(qū)塌陷引起，這給礦山企業(yè)和人民生命財產(chǎn)造成了巨大的損失，也給社會帶來了巨大的安全隱患［1］。目前，采空區(qū)作為影響礦山安全生產(chǎn)的主要危害源之一，存在著重大的安全隱患，因此，采空區(qū)的勘察研究至關(guān)重要［2-3］。當(dāng)前，我國探測采空區(qū)的方法還是主要依靠傳統(tǒng)的鉆探工程，地球物理方法的優(yōu)勢還未能發(fā)揮［4-5］。

研究微動法最早的國家是日本，發(fā)展于20 世紀(jì)50～70 年代，學(xué)者們對該技術(shù)進(jìn)行了大量的研究［6-7］。微動法探測是指基于臺陣觀測的天然場源微動信號，采用數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)提取面波頻散信息，通過瑞利波反演技術(shù)獲得地下介質(zhì)S波速度結(jié)構(gòu)的地球物理勘探方法［8-9］。目前，微動面波信息研究的主要方法是傅里葉變換法、基階和高階模提取法及相對基準(zhǔn)點譜比法［10］。微動法具有操作簡單、適應(yīng)性廣、成本低等特點，在國外多個領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用。近年，我國學(xué)者也在此方面進(jìn)行了大量研究，目前主要在地?zé)嵴{(diào)查［11］、煤礦采區(qū)構(gòu)造［12］及采空區(qū)探測［13］、城市地質(zhì)調(diào)查［14］、活斷層探測［15］等領(lǐng)域應(yīng)用并取得了實質(zhì)性成果。馬坑鐵礦受早期石灰石采礦（+400 m標(biāo)高以上）影響，在83～87線地表發(fā)生局部塌陷，加上原開采留下的采空區(qū)未治理，為保證礦山開采活動的安全，礦山首次利用微動技術(shù)快速探測出塌陷區(qū)內(nèi)采空區(qū)平面分布范圍及空間展布特征，為下一步勘探工作及安全管理提供了重要的依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

1.1 地形地貌

該區(qū)地理劃屬閩西山地博平嶺山脈的中段山嶺地帶，地貌上屬構(gòu)造侵蝕地形，主要為山嶺及部分丘陵、谷地。地形較復(fù)雜，山脈多呈北北東—南北向延伸，與區(qū)域主要構(gòu)造線方向基本一致，山嶺、山脈多呈尖棱狀。區(qū)內(nèi)最高點在礦區(qū)北側(cè)，海拔標(biāo)高+1 147 m，最低為龍巖盆地，標(biāo)高為+311 m，礦區(qū)位于龍巖盆地東南部中低山區(qū)，山巒連綿起伏，“V”形溝谷發(fā)育，屬侵蝕中低山地貌類型。其東西兩側(cè)由泥盆系南靖群淺變質(zhì)巖和花崗巖體組成的近南北向分水嶺，礦區(qū)處于分水嶺至河谷過渡地帶，侵蝕作用顯著，地形切割強(qiáng)烈，大體呈北東東向。

1.2 地層巖性

礦區(qū)地層由老至新：下石炭統(tǒng)林地組（C1l）、中二迭統(tǒng)棲霞組（P2q）、下二迭統(tǒng)文筆山組（P1w）、下二迭統(tǒng)童子巖組（P1t）和第四系（Q）。

（1）下石炭統(tǒng)林地組（C1l）分布于礦區(qū)中部，為濱海—海陸交互相碎屑巖沉積，下部以粗碎屑為主，巖性為灰白色厚層狀石英砂礫巖夾石英砂礫巖和粉砂巖；上部以細(xì)碎屑為主，巖性為灰白色厚層狀石英砂巖或石英砂礫巖和粉砂巖。地層總體走向北東，傾向北西，傾角34°～40°。厚度大于290 m。

（2）中二迭統(tǒng)棲霞組（P2q）分布于礦區(qū)中部，巖性為灰色-灰黑色厚層狀純灰?guī)r夾硅質(zhì)巖、硅質(zhì)灰?guī)r、燧石灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r。地層總體走向北東，傾向北西，傾角30°～40°，厚度達(dá)184.12 m，與下石炭統(tǒng)林地組呈不整合接觸。

（3）下二迭統(tǒng)文筆山組（P1w）分布于礦區(qū)中北部，巖性為灰黑色薄—中層狀泥巖、砂質(zhì)泥巖，局部夾透鏡狀鈣質(zhì)粉砂巖；地層總體走向北東，傾向北西，傾角30°左右，淺海相細(xì)碎屑巖沉積，平均厚度178 m。

（4）下二迭統(tǒng)童子巖組（P1t）分布于礦區(qū)西部和北西部，總體走向北東，傾向北西，傾角38°左右。巖性以灰黑色中厚層狀泥巖和砂質(zhì)泥巖為主，地層厚度202 m。

（5）第四系（Q）分布于山坡及溝谷，以山麓堆積和殘坡積層為主，巖性為磚紅、褐黃色含礫砂質(zhì)黏土，厚度一般為5～10 m。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

區(qū)內(nèi)地層呈單斜層狀產(chǎn)出，小揉皺構(gòu)造較發(fā)育，地層總體產(chǎn)狀為走向北東，傾向北西，傾角30°～59°。

礦區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，共有5 組斷裂，第1 組北東向（F1、F2、F3），第2 組北北東向（F14），第3 組北西向（F10、F11），第4 組北北西向（F13、F12、F20），第5組近東西向（F15）。其中控制礦區(qū)含礦地層的斷裂構(gòu)造主要有F1、F2、F14、F10、F11、F13、F12共7條，它們破壞了區(qū)內(nèi)地層的正常分布和礦體的連續(xù)性。本次物探工作區(qū)域內(nèi)未有斷層通過。

1.4 地球物理特征

通過地質(zhì)調(diào)查以及前人勘察工作顯示，該區(qū)域主要基巖為灰?guī)r。該段內(nèi)主要巖土層的反演橫波波速值統(tǒng)計結(jié)果見表1。

通過統(tǒng)計可以發(fā)現(xiàn)測區(qū)內(nèi)各巖性不同、同巖性其風(fēng)化程度不同，存在著一定反演橫波波速值差異，因此本工作區(qū)具備電法勘探物理前提。

2 野外工作方法技術(shù)

2.1 物探工作方法

測區(qū)點位分布如圖1 所示，平行勘探線布置9 條測線，每條約400 m，線距50 m，點距20 m，共計189個測點。本次微動測量選用高性能智能化Mole 數(shù)字加速度（MEMS）儀，內(nèi)部集成3 通道32 位采集器，32位的ADC 提供大于130 dB（200點采樣）的動態(tài)范圍，適合于匹配大動態(tài)范圍力平衡反饋式加速度計進(jìn)行微動測量。采集器使用高速嵌入式ARM 芯片處理AD 芯片輸出的32 位高速比特流，由處理器實現(xiàn)FIR數(shù)字濾波，并同時提供最小相位濾波，線性相位濾波、瞬態(tài)濾波及同時存儲2 種采樣率的實時數(shù)據(jù)。Mole 內(nèi)部集成了最先進(jìn)的衛(wèi)星授時及高精度溫補(bǔ)壓控時鐘功能，多臺設(shè)備之間時間誤差范圍25～100 ns，1 h無衛(wèi)星信號守時時間誤差小于2 μs。Mole微動儀可以通過4G 或者WIFI對采集排列進(jìn)行實時的FV 能量譜分析，以便于用戶查看采集質(zhì)量和采集狀態(tài)。

2.2 野外測量

測區(qū)地形起伏較大，本次探測線與已有地質(zhì)勘探線平行，測線大致與地形等高線平行，為盡量減小地形影響，兼顧質(zhì)量及效率，本次微動探測擬選用直線型，臺陣排列方向與測線重合。在正式測量前，在測區(qū)中部按擬定臺陣方式開展試驗性測量，根據(jù)現(xiàn)場微動背景及探測要求分析試驗成果，若滿足要求則全區(qū)采用直線型臺陣，若不能滿足測量要求，則在現(xiàn)場選用其他臺陣?yán)^續(xù)試驗，直至滿足探測要求為準(zhǔn)，最終以滿足要求的臺陣形式推廣至整個探測區(qū)域。

2.3 數(shù)據(jù)采集

野外觀測時，采用的微動儀器的頻帶范圍為0.05～230 Hz，GPS 同步授時，同時電腦WIFI 接收原始數(shù)據(jù)并同步顯示頻散能量譜圖像。工作參數(shù)為基本點距20 m，檢波距20 m，采樣率1 000，每個點有效同步觀測時長不少于30 min，具體采集參數(shù)由現(xiàn)場試驗確定。

測點定位及檢波器布置采用RTK 測定，數(shù)據(jù)采集過程中檢波器水平放置，偏斜度小于10°，且與地面耦合良好，拾取微動波形記錄清晰穩(wěn)定，確保采集數(shù)據(jù)可靠。

3 數(shù)據(jù)處理及成果

3.1 數(shù)據(jù)處理

本次微動數(shù)據(jù)處理軟件采用（Geogiga Surface Plus）面波地震數(shù)據(jù)處理軟件（高級版）。軟件可處理人工源與天然源面波數(shù)據(jù)，包含基礎(chǔ)版（SURFACE）的所有功能，可以采用頻率-波數(shù)法（F-K法）、空間自相關(guān)法（SPAC 法）和擴(kuò)展空間自相關(guān)法（ESPAC 法）處理由任意形狀幾何排列采集的天然源面波數(shù)據(jù)，提供了時間分段、SPAC函數(shù)分析、震源方位角分析和頻散譜圖合并等高級功能。

本次微動數(shù)據(jù)處理中主要采用空間自相關(guān)（SPAC，Spatial Auto-Correlation）法或擴(kuò)展空間自相關(guān)（ESPAC，Expanded Spatial Auto-Correlation）法進(jìn)行頻散譜的計算，利用SPAC/ESPAC 法提取微動信號頻散曲線。

獲得各微動測點臺陣中心點的面波頻散曲線后，通過半波長原理計算探測深度，將相速度頻散曲線（Vr-f曲線）轉(zhuǎn)換成視S波速度Vx隨深度的變化曲線（Vx-H曲線），再通過插值、光滑計算，可獲得視S波速度結(jié)構(gòu)剖面。為了獲得比較真實的橫波速度結(jié)構(gòu)，可以在實測頻散曲線的基礎(chǔ)上進(jìn)行地層結(jié)構(gòu)的反演即微動面波頻散曲線的反演。

3.2 數(shù)據(jù)解釋

微動探測數(shù)據(jù)反演得到的剪切波速（橫波速度）和下伏巖土層的巖性、密度、含水飽和度等物性性質(zhì)有密切關(guān)系。巖土層越完整，其剪切波速度越大；巖土層越破碎，其剪切波速度越小。巖土層橫向變化可根據(jù)微動反演斷面剪切波速度橫向等值線趨勢判斷，趨勢越平緩，巖土層橫向越均勻，趨勢越跳躍，巖土層橫向變化越大。

剖面上存在剪切波速度等值線密集帶或橫向斜率突變帶，說明在該處兩側(cè)存在不同地質(zhì)體，往往是不同速度地層的分界處或斷裂帶；在推斷斷裂時，低速顯示區(qū)范圍廣，剪切波速度值低，很可能為斷裂破碎嚴(yán)重區(qū)。在資料分析中，判別異常區(qū)（推測采空區(qū)）主要是根據(jù)剪切波速度值變化及相對值、等值線的形態(tài)等綜合因素考慮的。

反演成果圖中不同顏色所代表剪切波速度值與地層巖性有一定相對應(yīng)的關(guān)系。從縱向上看，一方面可根據(jù)各微動反演成果圖中不同顏色所代表剪切波速度值與地層不同巖性以及同一巖性不同的風(fēng)化程度（密實度）的不同有一定相對應(yīng)的關(guān)系。不同巖性的剪切波速之間，同一巖性不同風(fēng)化程度（密實度）的剪切波速之間，存在較大差異。另一方面，由于地質(zhì)條件復(fù)雜，地層巖土之間的剪切波速不存在較大差異，可根據(jù)微動反演成果圖中不同顏色變化頻率趨勢即等值線的形態(tài)結(jié)合現(xiàn)場踏勘資料來分層劃分。

3.3 數(shù)據(jù)成果

馬坑鐵礦83～87線塌陷區(qū)布置物探微動測試剖面9條，各剖面整體趨勢為上部為橫波速度低速區(qū)域，橫波速度范圍值為100～350 m/s，物探推測為覆蓋層（碎石含量越高，橫波波速值越小）；中部為相對低速區(qū)域，橫波速度范圍值為350～750 m/s，物探推測為較破碎基巖；底部為高速區(qū)域，橫波速度范圍值為750～2 000 m/s，物探推測為相對完整基巖。

其中，00、01、02、08 剖面從左至右低速層（相對破碎巖體）厚度逐漸減小，與地質(zhì)界線趨勢相符，但03、04、05、06、07 剖面中部（100～300 m 范圍）出現(xiàn)等值線下凹區(qū)域，說明該區(qū)域可能存在更大的采空區(qū)或其他地質(zhì)變化情況，無法估量規(guī)模（由于篇幅有限文中僅展示08剖面的反演結(jié)果如圖2所示）。

物探推測采空區(qū)為等值線下凹或等值線閉合的低阻區(qū)域。依據(jù)反演成果圖，結(jié)合整個測區(qū)的地質(zhì)資料進(jìn)行綜合解譯（圖3），部分解譯結(jié)果見表2。

4 結(jié)論

（1）通過對馬坑鐵礦83～87 線塌陷區(qū)的物探勘察，有效探查了地表至標(biāo)高400 m 范圍內(nèi)地層巖性結(jié)構(gòu)、斷層破碎帶及不良地質(zhì)體的分布特征。勘探區(qū)域碎石土較多，測試接地條件較差，數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，局部區(qū)域可信度低。物探推測的灰?guī)r層橫波波速值為350～750 m/s，與常規(guī)值相較嚴(yán)重偏低，說明該區(qū)域內(nèi)灰?guī)r整體巖體較破碎，進(jìn)行下一步勘探工作前應(yīng)加強(qiáng)安全管理。

（2）依據(jù)物探剖面反演結(jié)果結(jié)合相關(guān)地質(zhì)資料，圈定了橫波速度異常，通過分析、判釋異常推測探測區(qū)域采空區(qū)平面分布范圍及采空區(qū)空間展布特征，建立了反演橫波速度與不同巖性及其完整性之間的對應(yīng)關(guān)系，綜合得出了橫波速度分類成果圖。需要說明的是，依據(jù)物探反演橫波等值線變化劃分的異常結(jié)果為推測采空區(qū)域，僅可作為參考依據(jù)之一。