李建平,趙俐紅,彭海洋

(1.山東省物化探勘查院,山東 濟南 221116;2.山東科技大學 地球科學與工程學院,山東 青島 266590;3.青島地質(zhì)工程勘察院,山東 青島 266000)

1 引 言

采空區(qū)指的是人為挖掘或天然地質(zhì)運動在地下產(chǎn)生的“空洞”，隨著我國礦產(chǎn)資源的大規(guī)模開采，產(chǎn)生了大量的采空區(qū)，采空區(qū)的存在使上部地層失去支撐和發(fā)生變形，造成地層的沉降和地面塌陷。近年來，國內(nèi)外有多個城市發(fā)生過由采空區(qū)引發(fā)的道路塌陷事故，對周邊人民的生命和財產(chǎn)安全造成了嚴重的威脅[1-3]。因此，必須對采空區(qū)進行有效的治理，這就需要對采空區(qū)的位置，范圍，深度等進行精準的探測。

采空區(qū)通常與四周的圍巖間具有較為明顯的波阻抗和電性差異，故淺層反射波地震法和高密度電法是探測采空區(qū)常用的物探方法。如胡安順等[4]、季凇達等[5]分別利用淺層反射波地震法進行了石膏礦采空區(qū)的調(diào)查，徐紅利等[6]利用淺層反射波地震法完成了公路采空區(qū)的勘查，劉芳等[7]利用高密度電法對公路下伏的采空區(qū)進行了勘查，李樹軍等[8]利用高密度電法對淺埋采空區(qū)進行了調(diào)查，但由于地質(zhì)條件的復雜性和地球物理資料的多解性，單一物探方法往往會產(chǎn)生較大的誤差，彭超[9]、吳曲波等[10]、卓武等[11]、李良泉[12]、贠鵬等[13]將以上兩種方法結(jié)合用于地質(zhì)災害的評價，獲得了比單一方法更好的效果。本文綜合利用淺層反射波地震法和高密度電法對道路采空區(qū)進行了勘查，并將二者的探測結(jié)果進行對比解釋和相互驗證，準確地獲得了采空區(qū)的位置和范圍。

2 物探方法簡介

2.1 淺層反射波地震勘探

淺層反射波地震勘探是利用地下介質(zhì)之間的波阻抗差異，由人工激發(fā)的地震波在地下傳播到達彈性分界面時會產(chǎn)生反射波，當反射波在介質(zhì)中傳播時，其傳播路徑、振動強度和波形將隨著通過介質(zhì)的結(jié)構(gòu)和彈性性質(zhì)的不同而變化，根據(jù)地面上接收到反射波的旅行時間和速度資料，就能推斷出基巖的深度、起伏、巖性接觸帶、斷裂破碎帶、地下空洞的位置、延伸方向等信息。

淺層反射波地震勘探常采用共反射點多次覆蓋的觀測系統(tǒng)[14-17]，其工作原理示意如圖 1所示,其特點是把不同激發(fā)點、不同接收點上接收到的來自同一反射點的地震記錄進行疊加，以壓制多次波和隨機干擾波，提高信噪比[18-20]。

圖1 淺層反射波地震勘探工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of shadow seismic reflection method

2.2 高密度電法勘探

高密度電法是以地殼中巖石的電阻率差異為物性基礎(chǔ)，觀測和研究人工電場的變化和分布規(guī)律，從而解決地質(zhì)問題的一種勘探方法[21-26]。高密度電法集電剖面和電測深于一體，工作時將多個電極同時排列在測線上，通過對電極自動轉(zhuǎn)換器的控制，實現(xiàn)常規(guī)電阻率法中不同裝置、不同極距的自動組合，從而一次布極可測得多種裝置、多種極距情況下的多種視電阻率參數(shù)。高密度電法野外工作的裝置類型包括溫納、偶級、施倫貝謝、三級、微分等，圖2為常用的溫納裝置工作原理示意圖。

圖2 溫納裝置工作原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of Wenner device

3 方法應用實例

3.1 工區(qū)概況

工區(qū)位于萊州市虎頭崖鎮(zhèn)某路段，出露地層由老至新為古元古代粉子山群，新生代第四紀地層，其中下覆基巖主要為白云質(zhì)大理巖、斜長角閃巖、黑云變粒巖等，抗壓穩(wěn)定性較好。區(qū)內(nèi)構(gòu)造以褶皺構(gòu)造為主，斷裂構(gòu)造不發(fā)育，多表現(xiàn)為順層擠壓、滑動及柔性巖石破碎。區(qū)內(nèi)的菱鎂石礦經(jīng)過長年開采，形成了數(shù)目眾多的采空區(qū)，這些采空區(qū)與圍巖存在明顯的波阻抗、視電阻率等物性差異，具備開展淺層反射波地震和高密度電法勘探的前提條件。

圖3 地震反射波記錄Fig.3 Single shot seismic wave reflection record

圖4 綜合物探成果圖1Fig.4 Results map 1 of integrated geophysical method

3.2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集概況

淺層地震勘探采用的是驕鵬公司生產(chǎn)的Miniseis24工程地震儀，依據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)及場地條件，采用8次覆蓋，單邊放炮的觀測系統(tǒng)，由錘擊激發(fā)，24道接收，偏移距1 m，道間距5 m，采樣率0.1 ms，記錄長度400 ms，單點疊加10～15次，共布設測線40條，完成勘探點6 960點，單炮地震反射記錄如圖3所示。高密度電法勘探采用的是重慶奔騰公司生產(chǎn)的WGMD-4高密度電法儀，裝置類型為溫納排列，電極數(shù)為60個，電極距2 m，共布設測線20條，完成勘探點2 300點。

3.3 資料推斷與解釋

采用淺層地震勘探方法時，將地震勘探數(shù)據(jù)經(jīng)編輯，預處理，濾波，疊加，時深轉(zhuǎn)換處理后得到了地震反射剖面；采用高密度電法勘探時，將高密度電法數(shù)據(jù)在剔除地表電性不均勻造成的畸變點后利用阻尼最小二乘法進行了反演計算。下文以典型剖面分析兩種方法的應用效果。

通過對實測數(shù)據(jù)的處理、比對與分析，結(jié)合現(xiàn)場鉆探資料和已有地質(zhì)資料，推斷含有采空區(qū)的高密度電法剖面如圖4(a)、圖5(a)所示；地震勘探剖面圖如圖4(b)、圖5(b)所示。

由圖4(a)可知，在高密度電法測線的96 m，132 m處有兩處視電阻率低值異常，反演電阻率值為30～60 Ω·m，深度范圍大約12～25 m，推斷為采空區(qū)進水后形成的低阻異常；由圖4(b)可知，在地震勘探測線的32 m，65 m處同相軸不連續(xù)，出現(xiàn)分叉現(xiàn)象，深度范圍大約15～30 m，推斷為采空區(qū)引起的異常。對比圖4(a)和圖4(b)可知，兩種方法推斷的采空區(qū)1，2的水平位置和深度范圍基本一致(受場地等客觀條件所限，地震勘探和高密度電法剖面長度、起終點均不同，地震勘探測線對應于高密度電法測線的60～180 m)。經(jīng)鉆孔驗證，1，2均為采空區(qū)，表明兩種方法都準確地探測出了采空區(qū)。

圖5 綜合物探成果圖2Fig.5 Results map 2 of integrated geophysical method

由圖5(a)可知，在高密度電法測線剖面的120 m，142 m，180 m處有三處視電阻率低值異常，反演電阻率值為70～90 Ω·m，深度范圍大約10～20 m，初步推斷為采空區(qū)進水后形成的低阻異常；由圖5(b)可知，在地震勘探測線的23 m，58 m，77 m處同相軸不連續(xù)，出現(xiàn)分叉現(xiàn)象，深度范圍大約12～20 m，推斷為采空區(qū)引起的異常。對比圖5(a)、圖5(b)可知，高密度電法推斷的采空區(qū)1，2和地震勘探推斷的采空區(qū)2，3能較好地吻合(地震勘探測線對應于高密度電法測線的60～180 m)，經(jīng)鉆孔驗證為采空區(qū)。而高密度電法推斷的采空區(qū)3和地震勘探推斷的采空區(qū)1經(jīng)驗證為假異常。據(jù)此可知，若推斷出的采空區(qū)能被高密度電法和地震勘探同時探測到，則更為準確。

4 結(jié) 論

本文結(jié)合工程實例探討了淺層反射波地震和高密度電法在道路采空區(qū)勘查中的應用效果，得出如下結(jié)論：

①采空區(qū)和圍巖即具有波阻抗差異也具有電阻率差異，反射波地震和高密度電法都能較準確的探測出采空區(qū)的位置和深度；

②在實際工作中由于觀測誤差和各種干擾的存在，反射波地震和高密度電法的探測結(jié)果都可能產(chǎn)生假異常；

③將反射波地震和高密度電法的探測資料進行綜合解釋推斷，可減少解釋的多解性，提高勘探結(jié)果的準確性。