微动与地震映像在采空区勘察中的应用

左国青，方 华

(1.水能资源利用关键技术湖南省重点实验室，湖南长沙410014；2.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙410014；3.中南大学地球科学与信息物理学院，湖南长沙410014)

0 引 言

采空区是人为挖掘或天然地质运动在地表下产生的空洞，采空区的存在使得矿山的安全生产面临很大的安全问题，人员与机械设备都可能掉入采空区内。由于地下采空区具有隐伏性强、空间分布特征规律性差、采空区顶板冒落塌陷情况难以预测等特点，因此，如何对地下采空区的分布范围、空间形态特征和采空区的冒落状况等进行量化评判，一直是困扰工程技术人员进行采空区潜在危害性评价及合理确定采空区处治对策的关键技术难题。由于地下采空区与围岩之间存在明显的地震波弹性差异，本文尝试采用地震映像法和微动法对采空区进行综合勘探分析。

1 勘探原理

1.1 微动勘探

微动是一种由体波(P波和S波)和面波(瑞利波和拉夫波)组成的复杂振动[1]，源于自然界和人类的各种活动，所以探测时不需要震源。其中，面波的能量占总能量70%以上，具有低频、低速、能量强和频散特性，携带着地下地层结构信息。尽管微动信号振幅和形态随时空变化，但在一定时空范围内具有统计稳定性，可用时间和空间上的平稳随机过程描述。微动探测方法就是以平稳随机过程理论为依据，从微动信号中提取面波频散曲线，通过对频散曲线反演获得地下介质的横波速度结构，利用速度与岩土物理力学性质的相关性解决诸多工程地质问题，如探测断层、采空区等不良地质体的分布情况。

典型微动勘探得到的实测波形见图1。数据的处理流程主要是采用空间自相关(SPAC)法或频率-波数(F-K)法，从微动记录中提取瑞雷波并计算频散曲线，用遗传算法由相速度频散曲线反演地下S波速度结构，反演计算前先给定初始模型(层数及层厚范围)，再求得S波速度的最优解。

图1 典型微动勘探波形

空间自相关法主要是在时间域进行面波提取的一种比较简便、实用的方法。对野外所接收的数据首先在时间域进行窄带滤波处理，求出不同频率的空间自相关系数ρ，ρ实际是面波频率成分f及空间坐标的函数，不但与频率有关，还与拾震器的位置有关。从形态上看，实测空间自相关曲线应是近似于零阶贝塞尔函数曲线，通过它求取效正值，再加入空间坐标参数就可以提取各个频点的相速度，从而画出相速度-频散曲线，进而进行地质分层。

频率-波数方法是在频率域进行面波提取的一种方法。首先对野外所采集的数据，通过傅氏变换对原始数据进行带通滤波，去除各种干扰信号，再通过最大似然法等方法求取各个频率成分的功率谱的分布图，此功率谱是空间坐标的单值函数，所以可以比较方便地得到相速度-频散曲线，进行地质分层。

图2为微动探测采空区测线面波典型速度剖面。由于微动勘探与常规的地震勘探相比具有现场场地工作条件要求不高、不受各地层速度的影响、对浅部地层分辨率高等特点，使得微动勘探技术得到快速发展[2]。

图2 微动测线面波速度剖面

1.2 地震映像勘探

地震映像法是根据反射法中的最佳偏移距技术，在最佳窗口内选择1个最佳偏移距，激发点与检波点的距离固定不变(一般采用铁锤锤击作为震源)[3]，每激发1次，记录1～3道，输入地震仪，同时移动激发点及检波点。通过地震仪记录及计算机进行数据处理解释，可获得1条最佳偏移距地震反射时间剖面，再现地下地层结构形态。由于是在最佳窗口内选择的公共偏移距，因此不受振幅和相位变化的影响，可在现场显示出似t0时间剖面图。

当地下存在一定范围的构造带或洞穴等地质异常时，在构造带或溶洞的位置会产生反射及绕射波，地震波同相轴的特征会发生变化。因此，可根据反射时间剖面图，分析同相轴的变化特征，判断构造带或洞穴等的位置、埋深及空间展布情况。

2 工程应用

广西某煤矿采空区停产多年，对上方构筑物存在安全隐患，有必要采用一定的检测手段和技术查明其分布状况，为后续处理和施工提供依据。鉴于探查区内地面复杂的工作条件，低矮民居、工棚、各类电线电缆交错散布，电法及电磁法类物探勘探方法因干扰源太多而使用受限，考虑到地下采空区与围岩之间存在明显的地震波弹性差异，故采用地震映像和微动法进行综合勘探。

因地面民居散布的限制，勘探工作布置时只能因地制宜，不强求呈等间距、测线平行的测网。测线和测点适当在建筑物间绕行通过，各测线均开展地震映像法和微动勘探测试。地震映像法采用工程地震仪、100Hz检波器，测点距和道间距均为2 m，偏移距8 m，采用人工锤击震源；微动勘探采用工程地震仪和2 Hz低频检波器，测点距为3～5 m。

图3为测区内典型的地震映像法在测线K4上的反射时间剖面。根据反射波同相轴形态和异常判断，该测线116～150 m段出现异常区。微动勘探在地震映像异常区段测点的频散曲线反演结果见图4。比较图3、4可知，2种方法勘探结果较吻合。

根据经验统计及本次微动勘探分析，地下岩体的判断标准如下：面波速度Vs<350 m/s为覆盖层；Vs>600 m/s为基岩岩体；岩溶发育或富水岩体存在的低速异常区为采空区。依据面波速度Vs的大小并结合地震映像数据，可直接推断采空区部位，速度越高其密实度越好，反之则密实度差。微动测线勘探Vs分布见图5。从图5可知，该测线浅部3 m左右整体波速Vs在300 m/s左右，推测为覆盖层反应；中部3～5 m平均波速Vs在540 m/s左右，为基岩反应；测线平距116～150 m段深度5～8 m有一相对低速异常带，波速Vs为280 m/s左右，发现低波速软弱部位；同样，在地震映像剖面中同一部位附近波形异常，出现明显双曲线型同相轴，综合推测该部位为采空区反应。

图3 K4测线地震映像反射时间剖面

图4 频散曲线反演结果

图5 K4测线微动测线勘探Vs分布

3 结 语

随着人类活动范围越来越大，电磁等物探手段受到严重干扰。而微动探测方法则不受电磁等干扰影响，具有设备简单、无损、轻便、操作简便、高效、探测深度相对较大、对场地及其环境噪声无特殊要求、无需人工震源等优点，可根据反演的S波波速推断采空区。但由于反演的S波速度为平均波速，分辨率有限，故结合地震映像或其他方法可以得到更加精确的结果[4- 6]。

地震映像法采集速度快，但勘探深度有限，抗干扰能力弱，不宜确定最佳偏移距，故结合地震微动法勘探不失为一种高效的探测采空区的方法。同时，在资料解释过程中，建议加强收集已知资料，优化现有程序，对初始模型进行调整，利用频散进行广义线性反演，并结合多种物探手段综合分析，提供真实可靠的物性参数。

[1] 刘康和. 面波探测新技术综述[J]. 电力勘测, 1997, 6(2)： 61- 64．

[2] 祁生文, 孙进忠, 何华. 瑞雷波勘探的研究现状及展望[J]. 地球物理学进展, 2002, 17(4)： 630- 635．

[3] 单娜琳, 程志平. 地震映像方法及其应用[J]. 桂林工学院学报, 2003, 23(1)： 36- 40．

[4] 严寿民. 瞬态瑞雷波勘探方法[J]. 物探与化探, 1992, 16(2)： 113- 119．

[5] 崔占荣, 张世洪, 张俊喻, 等. 瞬态瑞雷波勘探中一些问题的探讨[J]. 物探与化探, 1995, 19(5)： 367- 377．

[6] 刘黎东, 冯彦谦. 瑞雷波速度与横波速度在第四系勘察中的相关性探讨[J]. 工程地球物理学报, 2009, 6(z1)： 8- 10．