左國青,方 華
(1.水能資源利用關(guān)鍵技術(shù)湖南省重點實驗室,湖南長沙410014;2.中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計研究院有限公司,湖南長沙410014;3.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院,湖南長沙410014)
采空區(qū)是人為挖掘或天然地質(zhì)運動在地表下產(chǎn)生的空洞,采空區(qū)的存在使得礦山的安全生產(chǎn)面臨很大的安全問題,人員與機(jī)械設(shè)備都可能掉入采空區(qū)內(nèi)。由于地下采空區(qū)具有隱伏性強(qiáng)、空間分布特征規(guī)律性差、采空區(qū)頂板冒落塌陷情況難以預(yù)測等特點,因此,如何對地下采空區(qū)的分布范圍、空間形態(tài)特征和采空區(qū)的冒落狀況等進(jìn)行量化評判,一直是困擾工程技術(shù)人員進(jìn)行采空區(qū)潛在危害性評價及合理確定采空區(qū)處治對策的關(guān)鍵技術(shù)難題。由于地下采空區(qū)與圍巖之間存在明顯的地震波彈性差異,本文嘗試采用地震映像法和微動法對采空區(qū)進(jìn)行綜合勘探分析。
微動是一種由體波(P波和S波)和面波(瑞利波和拉夫波)組成的復(fù)雜振動[1],源于自然界和人類的各種活動,所以探測時不需要震源。其中,面波的能量占總能量70%以上,具有低頻、低速、能量強(qiáng)和頻散特性,攜帶著地下地層結(jié)構(gòu)信息。盡管微動信號振幅和形態(tài)隨時空變化,但在一定時空范圍內(nèi)具有統(tǒng)計穩(wěn)定性,可用時間和空間上的平穩(wěn)隨機(jī)過程描述。微動探測方法就是以平穩(wěn)隨機(jī)過程理論為依據(jù),從微動信號中提取面波頻散曲線,通過對頻散曲線反演獲得地下介質(zhì)的橫波速度結(jié)構(gòu),利用速度與巖土物理力學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性解決諸多工程地質(zhì)問題,如探測斷層、采空區(qū)等不良地質(zhì)體的分布情況。
典型微動勘探得到的實測波形見圖1。數(shù)據(jù)的處理流程主要是采用空間自相關(guān)(SPAC)法或頻率-波數(shù)(F-K)法,從微動記錄中提取瑞雷波并計算頻散曲線,用遺傳算法由相速度頻散曲線反演地下S波速度結(jié)構(gòu),反演計算前先給定初始模型(層數(shù)及層厚范圍),再求得S波速度的最優(yōu)解。
圖1 典型微動勘探波形
空間自相關(guān)法主要是在時間域進(jìn)行面波提取的一種比較簡便、實用的方法。對野外所接收的數(shù)據(jù)首先在時間域進(jìn)行窄帶濾波處理,求出不同頻率的空間自相關(guān)系數(shù)ρ,ρ實際是面波頻率成分f及空間坐標(biāo)的函數(shù),不但與頻率有關(guān),還與拾震器的位置有關(guān)。從形態(tài)上看,實測空間自相關(guān)曲線應(yīng)是近似于零階貝塞爾函數(shù)曲線,通過它求取效正值,再加入空間坐標(biāo)參數(shù)就可以提取各個頻點的相速度,從而畫出相速度-頻散曲線,進(jìn)而進(jìn)行地質(zhì)分層。
頻率-波數(shù)方法是在頻率域進(jìn)行面波提取的一種方法。首先對野外所采集的數(shù)據(jù),通過傅氏變換對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行帶通濾波,去除各種干擾信號,再通過最大似然法等方法求取各個頻率成分的功率譜的分布圖,此功率譜是空間坐標(biāo)的單值函數(shù),所以可以比較方便地得到相速度-頻散曲線,進(jìn)行地質(zhì)分層。
圖2為微動探測采空區(qū)測線面波典型速度剖面。由于微動勘探與常規(guī)的地震勘探相比具有現(xiàn)場場地工作條件要求不高、不受各地層速度的影響、對淺部地層分辨率高等特點,使得微動勘探技術(shù)得到快速發(fā)展[2]。
圖2 微動測線面波速度剖面
地震映像法是根據(jù)反射法中的最佳偏移距技術(shù),在最佳窗口內(nèi)選擇1個最佳偏移距,激發(fā)點與檢波點的距離固定不變(一般采用鐵錘錘擊作為震源)[3],每激發(fā)1次,記錄1~3道,輸入地震儀,同時移動激發(fā)點及檢波點。通過地震儀記錄及計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理解釋,可獲得1條最佳偏移距地震反射時間剖面,再現(xiàn)地下地層結(jié)構(gòu)形態(tài)。由于是在最佳窗口內(nèi)選擇的公共偏移距,因此不受振幅和相位變化的影響,可在現(xiàn)場顯示出似t0時間剖面圖。
當(dāng)?shù)叵麓嬖谝欢ǚ秶臉?gòu)造帶或洞穴等地質(zhì)異常時,在構(gòu)造帶或溶洞的位置會產(chǎn)生反射及繞射波,地震波同相軸的特征會發(fā)生變化。因此,可根據(jù)反射時間剖面圖,分析同相軸的變化特征,判斷構(gòu)造帶或洞穴等的位置、埋深及空間展布情況。
廣西某煤礦采空區(qū)停產(chǎn)多年,對上方構(gòu)筑物存在安全隱患,有必要采用一定的檢測手段和技術(shù)查明其分布狀況,為后續(xù)處理和施工提供依據(jù)。鑒于探查區(qū)內(nèi)地面復(fù)雜的工作條件,低矮民居、工棚、各類電線電纜交錯散布,電法及電磁法類物探勘探方法因干擾源太多而使用受限,考慮到地下采空區(qū)與圍巖之間存在明顯的地震波彈性差異,故采用地震映像和微動法進(jìn)行綜合勘探。
因地面民居散布的限制,勘探工作布置時只能因地制宜,不強(qiáng)求呈等間距、測線平行的測網(wǎng)。測線和測點適當(dāng)在建筑物間繞行通過,各測線均開展地震映像法和微動勘探測試。地震映像法采用工程地震儀、100Hz檢波器,測點距和道間距均為2 m,偏移距8 m,采用人工錘擊震源;微動勘探采用工程地震儀和2 Hz低頻檢波器,測點距為3~5 m。
圖3為測區(qū)內(nèi)典型的地震映像法在測線K4上的反射時間剖面。根據(jù)反射波同相軸形態(tài)和異常判斷,該測線116~150 m段出現(xiàn)異常區(qū)。微動勘探在地震映像異常區(qū)段測點的頻散曲線反演結(jié)果見圖4。比較圖3、4可知,2種方法勘探結(jié)果較吻合。
根據(jù)經(jīng)驗統(tǒng)計及本次微動勘探分析,地下巖體的判斷標(biāo)準(zhǔn)如下:面波速度Vs<350 m/s為覆蓋層;Vs>600 m/s為基巖巖體;巖溶發(fā)育或富水巖體存在的低速異常區(qū)為采空區(qū)。依據(jù)面波速度Vs的大小并結(jié)合地震映像數(shù)據(jù),可直接推斷采空區(qū)部位,速度越高其密實度越好,反之則密實度差。微動測線勘探Vs分布見圖5。從圖5可知,該測線淺部3 m左右整體波速Vs在300 m/s左右,推測為覆蓋層反應(yīng);中部3~5 m平均波速Vs在540 m/s左右,為基巖反應(yīng);測線平距116~150 m段深度5~8 m有一相對低速異常帶,波速Vs為280 m/s左右,發(fā)現(xiàn)低波速軟弱部位;同樣,在地震映像剖面中同一部位附近波形異常,出現(xiàn)明顯雙曲線型同相軸,綜合推測該部位為采空區(qū)反應(yīng)。
圖3 K4測線地震映像反射時間剖面
圖4 頻散曲線反演結(jié)果
圖5 K4測線微動測線勘探Vs分布
隨著人類活動范圍越來越大,電磁等物探手段受到嚴(yán)重干擾。而微動探測方法則不受電磁等干擾影響,具有設(shè)備簡單、無損、輕便、操作簡便、高效、探測深度相對較大、對場地及其環(huán)境噪聲無特殊要求、無需人工震源等優(yōu)點,可根據(jù)反演的S波波速推斷采空區(qū)。但由于反演的S波速度為平均波速,分辨率有限,故結(jié)合地震映像或其他方法可以得到更加精確的結(jié)果[4- 6]。
地震映像法采集速度快,但勘探深度有限,抗干擾能力弱,不宜確定最佳偏移距,故結(jié)合地震微動法勘探不失為一種高效的探測采空區(qū)的方法。同時,在資料解釋過程中,建議加強(qiáng)收集已知資料,優(yōu)化現(xiàn)有程序,對初始模型進(jìn)行調(diào)整,利用頻散進(jìn)行廣義線性反演,并結(jié)合多種物探手段綜合分析,提供真實可靠的物性參數(shù)。
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