微动探测在煤矿断层勘查中的应用

郑亚迪，殷伟伟，李 峰，丁学文，赵向佳，霍 魁，任力伟

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.冀中能源邯郸矿业集团，河北 邯郸 056082；3.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西 太原 030025)

0 引言

我国大多数煤田地质构造复杂，煤矿采掘过程中会遇到断层构造，对安全生产造成威胁[1]。探明矿区隐伏断层等地质构造，可防范采煤过程中因断层造成的井巷围岩失稳、矿井突水等隐患，是煤矿安全生产的重要保障。常用的探测煤矿断层等地质构造的物探方法有三维地震勘探法[2]、探地雷达法[3]、瞬变电磁法[4]和直流电法[5]等。这些方法探测深度浅，受地形影响大，受环境干扰严重，信噪比、分辨率低。微动探测是应用环境噪声中的面波信号，研究地下速度结构的一种技术。作为矿山勘查的一种方法，在识别煤矿隐伏断层构造[6]、陷落柱[7]、采空区[8]及岩性差异较大的地质界面等方面有较好效果，不受各种场地限制，抗干扰能力强，可把不同的振动源化为自身的场源[8]。该文以山西介休鑫峪沟煤矿为例，采用微动探测方法，对研究区断层构造和地层分层进行探测研究。

1 微动探测原理

微动本质上是一种复杂振动，由体波(P波、S波)和面波(瑞雷波、拉夫波)组成，垂直方向上面波的能量大，为信号总能量的70%以上[9]。微动探测方法是从微动信号提取瑞雷波面波的频散曲线，通过对频散曲线的反演，获取地下速度结构信息的地球物理探测方法[8]。提取微动信号中的瑞雷波频散曲线的常用方法有空间自相关方法(SPAC法)[10]、频率波数法(F-K法)[11]。此次研究通过圆形台阵进行数据采集，采用空间自相关方法提取频散曲线，反演出研究区地下视S波速度结构。

2 山西介休鑫峪沟矿区微动探测

2.1 测区概况

研究区位于介休市张兰镇沟口村，地处华北地台山西断隆之沁水台凹西缘。研究区内地表大多被第四系全新统及中、上更新统覆盖，中部沟谷地带出露二叠系上统上石盒子组，东部、中部出露二叠系上统上石盒子组、二叠系下统下石盒子组。其中，第四系全新统为张涧河及主要支沟沟谷冲、洪积物，由卵石、砾石和砂土等组成，厚度0～35 m，平均厚度12 m。第四系中、上更新统为浅棕黄、浅棕红色砂质黏土，底部为厚层砂土和碎石土，厚度0～175 m，平均厚度35 m左右。区域构造多为断裂，褶曲不甚发育，总体上呈向北西缓倾斜的单斜构造。存在影响区域煤层赋存和水文地质特征的区域性断裂构造，如，化家窑地垒和F3正断层。井田总体构造为背斜，轴部位于井田东侧，走向北段近NS向，南段为ES向，地层倾角一般为5°～13°，局部可达30°。断裂构造发育，井田构造属中等类型。F5正断层位于井田中部，走向NE，倾向NW，倾角70°，落差15～20 m。通过钻孔煤岩层对比和井巷工程控制，井田内延伸长度2 200 m。微动测线选定在县道边沿路的方向布设 (见第48页图1)。

图1 研究区地质构造及微动探测测线布设Fig.1 Geological structure map of the study area and the layout of the microtremor survey line

2.2 微动数据采集

此次微震探测的目的是探测洗煤厂附近的F5断层构造(见图1)，分析研究区已有的工程地质勘查资料，结合地形条件选定在县道边沿路方向布设测线。为便于研究微动探测技术对断层的探测效果，设计微动测线1条，微动勘探物理点6个，测线为NNW向，经过F5断层。由于矿区大型重车较多，测线一侧的洗煤厂工作时会有持续较强震动，现场人为干扰较多。采用三重圆台阵进行数据采集，根据探测深度，经试验并结合现场地形条件，选择30 m、60 m、120 m半径的三重圆形观测台阵(见图2)。为适应地形条件，探测点距设置为30～90 m不等的微动剖面观测系统。采用GN309微动探测系统，主频为2 Hz的垂直分量宽频带拾震器进行数据采集(见第49页图3)，采集站参数如第49页表1所示。观测台阵由10个台站组成一个探测点，每次观测时间为1 h，观测结束后将仪器移至下一探测点，逐点观测。现场采用4G数据实时监控系统，实时传输数据，确保采集到有效数据(见第49页图4)。

图2 三重圆台阵布设Fig.2 The layout of the triple circle array

图3 GN309微动探测系统仪器外观Fig.3 Instrument appearance of GN309 microtremor survey system

图4 数据采集过程中实时数据监控系统部分界面Fig.4 Partial interface of real-time data monitoring system during data acquisition

表1 采集站参数Table 1 Acquisition station parameters

为确保采集的数据真实有效，在正式采集数据前，进行仪器的一致性测试[9]。将所有仪器放在一起，进行20 min的同步采集，得到的一致性测试波形记录、计算获得的各台仪器功率谱、功率谱之比、相干系数和相位差如图5、图6 所示，所有台站采集数据波形同步，各仪器一致性达到微动探测要求。

图5 仪器一致性测试部分波形Fig.5 Partial waveforms of instrument consistency test

图6 一致性测试结果Fig.6 Conformance test results

2.3 数据处理

微动探测数据处理，是从测点时序数据中提取瑞雷波频散曲线来计算视S波速度(见图7)，得到二维视S波速度剖面，反映地下速度结构变化。采用上述方法从实测微动数据中提取频散谱，如图8所示，频散谱中相速度与频率的变化特征反映出地下波速总体上与深度呈正比的趋势。频散谱能量分布跃变反映出地下岩性的不均匀。

图7 微动单点原始波形Fig.7 Single point original waveform of microtremor

图8 单点频散谱Fig.8 Single point dispersion spectrum

对于地下断层的识别，只需计算剖面上S波速度的相对变化。将实际微动信号中提取的瑞雷波频散谱通过半波法经验公式进行反演，得到地下视S波速度结构信息。半波法经验公式为：

式中：VS为视S波速度(m/s)；Vr为瑞雷波相速度(m/s)；ti为周期(s)，对应的深度一般取半波长[8]。

2.4 成果资料解释

如图9所示，微动探测视S波速度剖面图从测点1到测点6的方向即为由北至南沿测线布设的方向。可以看出，从地表至埋深45～70 m左右为第一层，波速分布均匀，表明该地层较均匀、平缓，对应地质勘查资料，该层为第四系土层；埋深45 m～70 m至100 m左右为第二层，北侧相对较薄，南侧较厚，呈北低南高走势，从第5个测点开始该层与向下的低速异常通道连接；埋深80 m至180 m处，存在一个高速夹层，夹层北侧较致密，南侧较松散，呈北低南高走势。在北侧第5个测点埋深80 m处，开始存在向下、向北侧倾斜的低速异常通道，延伸至第3个测点下埋深至400多米，推测这一低速异常通道为断层构造发育区域。该断层为正断层，断距约20 m，与矿区前期地质勘查资料中F5断层的位置、产状、断距等结果的显示一致(图9中直线为推断构造走向及位置)。

图9 微动探测视S波速度结构Fig.9 Velocity structure of apparent S-wave in microtremor survey

3 结语

此次微动探测通过采集矿山微震动信号，提取面波频散曲线，反演得到地下视S波速度结构。探测结果表明，在测点下方，地层存在明显错动和低速异常通道，推测该处存在一断距约20 m的正断层。此次微动探测工作抗干扰能力强，受场地影响小，对矿区内的断层勘探具有较高的分辨率，对断层的空间位置、断距，显著地层分界面均有较好的反应。此次微动探测结果为该区域的后续开采提供参考依据。