孫 飛

(山東省煤田地質(zhì)局 第五勘探隊(duì)，山東 濟(jì)南 250100)

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的逐步加快與經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，許多地區(qū)的自然資源開(kāi)發(fā)情況越來(lái)越不合理，生態(tài)環(huán)境惡化，建設(shè)用地越來(lái)越少[1]。為了緩解這種情況，許多煤礦采空區(qū)被用作建筑用地，而在此過(guò)程中，由于對(duì)其穩(wěn)定性情況掌握不到位，使很多大型工程的施工、設(shè)計(jì)、選線等問(wèn)題頻發(fā)，使得工程建設(shè)安全面臨較大威脅[2]。如果利用相關(guān)勘察技術(shù)在煤礦采空區(qū)塌陷之前對(duì)采空區(qū)進(jìn)行治理，全面推進(jìn)煤礦采空區(qū)的勘察和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，從而進(jìn)行針對(duì)性地防治，將大幅降低煤礦采空區(qū)對(duì)于生態(tài)環(huán)境的影響和破壞以及大幅提升煤礦采空區(qū)建筑工程的安全性[3]。因此，必須進(jìn)一步加強(qiáng)煤礦采空區(qū)管理，開(kāi)展煤礦采空區(qū)勘察及其穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方面的研究具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

煤礦采空區(qū)問(wèn)題早已引起多方重視，各國(guó)對(duì)于煤礦采空區(qū)勘察及其穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方面的研究，已經(jīng)有著悠久的歷史[4]。美國(guó)很多專家利用先進(jìn)的高分辨率地震法、高密度電阻率法等物探技術(shù)進(jìn)行煤礦采空區(qū)的勘察及其穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。而歐洲主要應(yīng)用淺層地震法、微重力法、探地雷達(dá)等進(jìn)行礦采空區(qū)的勘察及其穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。我國(guó)對(duì)于煤礦采空區(qū)勘察及其穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方面的研究也取得了很豐碩的研究成果，有學(xué)者提出一種基于地震映像法和探地雷達(dá)法的煤礦采空區(qū)勘察及其穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法，還有學(xué)者提出一種基于二分量共偏移距縱的煤礦采空區(qū)勘察及其穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法。但是以上方法評(píng)價(jià)準(zhǔn)確率較低，應(yīng)用微動(dòng)探測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)一種煤礦采空區(qū)勘察及其穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法，以期對(duì)采空區(qū)致災(zāi)因素分析與排除提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 基于微動(dòng)探測(cè)的煤礦采空區(qū)勘察及其穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法

1.1 微動(dòng)探測(cè)勘察

利用微動(dòng)探測(cè)技術(shù)進(jìn)行煤礦采空區(qū)的勘察，使用儀器為GT-MST 微動(dòng)測(cè)試儀[5]。GT-MST 微動(dòng)測(cè)試儀的標(biāo)準(zhǔn)配置具體為：10臺(tái)GT-MST基站，含電源適配器、網(wǎng)線等；10只檢波器，頻率可選；Lora天線、GPS天線、WiFi天線；1只U盤(pán)，含采集軟件；1臺(tái)筆記本電腦；1臺(tái)工業(yè)AP；1套處理軟件。

該微動(dòng)測(cè)試儀采用無(wú)線節(jié)點(diǎn)式基站，可據(jù)勘察需求拓展基站數(shù)量；具備高精度外置GPS，記錄子基站點(diǎn)位，一鍵生成平面位置分布圖；具備本地對(duì)時(shí)、GPS對(duì)時(shí)2種時(shí)間同步模式；具備24位高性能AD，可實(shí)現(xiàn)各通道同步采樣；可以無(wú)線操控，界面友好，設(shè)備輕便，儀器功耗低，連續(xù)工作時(shí)間大于12 h；可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)級(jí)AP通信，戶外可滿足半徑100 m無(wú)線傳輸；可選配單分量或三分量微動(dòng)檢波器；具有離線數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模式，可滿足連續(xù)12 h的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)[6]。

GT-MST 微動(dòng)測(cè)試儀主機(jī)參數(shù)：主控單元為Windows筆記本電腦；采樣頻率為1～32 kHz；采樣點(diǎn)數(shù)為可離線連續(xù)存儲(chǔ)12 h數(shù)據(jù)；采樣分辨率為24位AD；動(dòng)態(tài)范圍為大于140 dB；共模壓制小于1%；時(shí)間精度小于5×10-6；道間串音壓制為140 dB；供電模式為內(nèi)置高性能復(fù)充鋰電池；功耗小于4 W；通信方式既支持有線，也支持無(wú)線；工作溫度為-20～+55 ℃；尺寸為220 mm×150 mm×75 mm；質(zhì)量為2.0 kg。

探頭參數(shù)：類型可以選擇三分量、水平分量以及垂直分量3種；自然頻率可以選擇2、1、0.5 Hz。

在實(shí)施微動(dòng)探測(cè)前，要對(duì)GT-MST微動(dòng)測(cè)試儀實(shí)施標(biāo)定和一致性檢測(cè)，以確保該儀器能夠完成勘察任務(wù)。在檢測(cè)時(shí)，儀器的輸出帶寬需要在1～100 Hz范圍內(nèi)[7]。同時(shí)還要保障無(wú)車輛、天氣晴朗無(wú)風(fēng)，不存在較大干擾，并盡量減輕人員走動(dòng)帶來(lái)的輕微擾動(dòng)。

在數(shù)據(jù)采集完成以后，需要檢查波形文件，確保波形無(wú)斷裂[8]。接著實(shí)施數(shù)據(jù)的功率譜分析，測(cè)試儀器的一致性。微動(dòng)測(cè)試儀功率譜測(cè)試的具體測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

圖1 微動(dòng)測(cè)試儀功率譜測(cè)試的具體測(cè)試結(jié)果Fig.1 Specific test results of micro motion tester power spectrum test

1.2 勘查方案設(shè)計(jì)

考慮到勘查實(shí)施過(guò)程、人員調(diào)配、儀器運(yùn)輸?shù)葐?wèn)題，勘查前，需要設(shè)計(jì)勘查方案[9]，以勘察方案為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)微動(dòng)臺(tái)陣。微動(dòng)臺(tái)陣的設(shè)計(jì)過(guò)程具體如下。

將g(ω，r，θ)這一空間協(xié)方差函數(shù)所對(duì)應(yīng)的方位平均G(ω，r)定義為平均空間協(xié)方差函數(shù)，用式(1)表示：

(1)

式中，d為協(xié)方差閾值；θ為空間角。

假設(shè)共擺設(shè)M個(gè)測(cè)點(diǎn)，因此需要根據(jù)測(cè)點(diǎn)布置結(jié)果估算圓形臺(tái)陣的對(duì)應(yīng)平均空間協(xié)方差函數(shù)，具體如式(2)所示：

(2)

式中，i為測(cè)點(diǎn)數(shù)，最大值為M；v為M的關(guān)聯(lián)數(shù)(當(dāng)M為偶數(shù)時(shí)，v取0.5；當(dāng)M為奇數(shù)時(shí)，v取1)；J0(kr)為圓形臺(tái)陣的空間自相關(guān)系數(shù)；J2viM為數(shù)據(jù)擬合誤差[10]。

(3)

式中，εM(rk)為平均空間協(xié)方差函數(shù)的對(duì)應(yīng)殘差項(xiàng)。

以平均空間協(xié)方差函數(shù)的對(duì)應(yīng)殘差項(xiàng)和測(cè)點(diǎn)布置情況為基礎(chǔ)，將數(shù)值3、4、5、9作為M的討論對(duì)象，設(shè)計(jì)其微動(dòng)臺(tái)陣，具體如圖2所示。

圖2 設(shè)計(jì)的微動(dòng)臺(tái)陣Fig.2 Micro motion array designed

1.3 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

1.3.1 評(píng)價(jià)體系構(gòu)建

構(gòu)建煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)體系，并利用該體系對(duì)煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性實(shí)施評(píng)價(jià)[11]。構(gòu)建的煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 構(gòu)建的煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)體系結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of stability evaluation system of coal mine goaf

在構(gòu)建的煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)體系中，子系統(tǒng)層分別為工程地質(zhì)條件、工程建設(shè)條件以及工程遺留條件[12]。子系統(tǒng)層的結(jié)構(gòu)具體如圖4所示。

圖4 子系統(tǒng)層的結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of subsystem layer

工程地質(zhì)條件是工程建設(shè)時(shí)全部地質(zhì)因素的和，具體包括天然建筑材料、水文地質(zhì)條件、動(dòng)力性工程地質(zhì)作用、地層巖性、地質(zhì)地貌等方面[13-14]。在評(píng)價(jià)中，工程地質(zhì)條件處于評(píng)價(jià)體系中的重要位置。工程建設(shè)條件主要考慮地表建設(shè)條件和煤層開(kāi)采條件[15-16]。工程遺留條件則主要考慮面積和地表影響距離[17]。

在構(gòu)建的煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)體系中，指標(biāo)層具體包括覆巖巖性、表土層厚度、地下水活動(dòng)情況、煤層傾角、開(kāi)采深度與采厚、開(kāi)采結(jié)束時(shí)間、埋藏深度、地表擬建狀況、地表影響距離以及面積[18-19]。

1.3.2 數(shù)據(jù)處理

利用構(gòu)建的煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)體系進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)時(shí)，需要無(wú)量綱化處理評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)，具體處理方法如式(4)所示：

(4)

式中，Yi為處理后的評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)；Xmax、Xmin分別為指標(biāo)最大值、最小值；Xi為樣本實(shí)際值；Xa為指標(biāo)理想值。

當(dāng)指標(biāo)較大時(shí)，用式(4)中的第1個(gè)公式；當(dāng)指標(biāo)較小時(shí)，用式(4)中的第2個(gè)公式；當(dāng)指標(biāo)為中性數(shù)據(jù)時(shí)，用式(4)中的第3個(gè)公式。通過(guò)第3個(gè)公式對(duì)平均值和樣本值的差異進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)差異越小證明越穩(wěn)定[20]。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

2.1 采空區(qū)與工程概況

選擇某煤礦采空區(qū)作為實(shí)驗(yàn)采空區(qū)，在該區(qū)擬建地下工程，其中區(qū)間的施工法為盾構(gòu)法，車站的施工法為明挖法。實(shí)驗(yàn)采空區(qū)中有3個(gè)煤礦開(kāi)展過(guò)煤炭開(kāi)采，遺留下了多個(gè)采空區(qū)。為進(jìn)一步獲取該區(qū)采空區(qū)具體情況數(shù)據(jù)，利用設(shè)計(jì)的基于微動(dòng)探測(cè)的煤礦采空區(qū)勘察及其穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法對(duì)該區(qū)實(shí)施勘察與穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，以期為工程的實(shí)施提供基礎(chǔ)施工、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)采空區(qū)的基巖地質(zhì)情況如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)采空區(qū)的基巖地質(zhì)情況Fig.5 Bedrock geology of experimental goaf

2.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試項(xiàng)目

利用設(shè)計(jì)的基于微動(dòng)探測(cè)的煤礦采空區(qū)勘察及其穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法對(duì)實(shí)驗(yàn)采空區(qū)進(jìn)行勘察。在勘察中對(duì)該方法的勘察誤差進(jìn)行測(cè)定與記錄，具體包括數(shù)據(jù)采集誤差以及儀器測(cè)量誤差。再利用該方法對(duì)實(shí)驗(yàn)采空區(qū)進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，對(duì)設(shè)計(jì)方法的評(píng)價(jià)準(zhǔn)確率進(jìn)行測(cè)試。

2.3 測(cè)試結(jié)果

2.3.1 勘察誤差實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

首先對(duì)設(shè)計(jì)的基于微動(dòng)探測(cè)的煤礦采空區(qū)勘察及其穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法的數(shù)據(jù)采集誤差以及儀器測(cè)量誤差進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)中誤差的測(cè)量次數(shù)為12次，求取其平均值，獲取該方法的勘察誤差測(cè)試結(jié)果。具體測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 數(shù)據(jù)采集誤差、儀器測(cè)量誤差具體測(cè)試結(jié)果Tab.1 Specific test results of data acquisition error and instrument measurement error

通過(guò)分析表1中的數(shù)據(jù)采集誤差、儀器測(cè)量誤差具體測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的基于微動(dòng)探測(cè)的煤礦采空區(qū)勘察及其穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法的數(shù)據(jù)采集誤差平均值為5.02 mm，儀器測(cè)量誤差平均值為0.47 mm。整體來(lái)說(shuō)勘察誤差較小，勘察精準(zhǔn)度較高。

2.3.2 評(píng)價(jià)準(zhǔn)確率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

接著對(duì)該方法的煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)準(zhǔn)確率進(jìn)行測(cè)試。在測(cè)試中，將現(xiàn)有的2種煤礦采空區(qū)勘察及其穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法作為實(shí)驗(yàn)中的對(duì)比方法，具體包括基于地震映像法和探地雷達(dá)法、基于二分量共偏移距縱的煤礦采空區(qū)勘察及其穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法，以增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比性，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更有說(shuō)服力。對(duì)3種實(shí)驗(yàn)方法的評(píng)價(jià)準(zhǔn)確率進(jìn)行測(cè)試，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。所記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

根據(jù)表2的評(píng)價(jià)準(zhǔn)確率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)的基于微動(dòng)探測(cè)的煤礦采空區(qū)勘察及其穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法的評(píng)價(jià)準(zhǔn)確率平均值為83.14%；基于地震映像法和探地雷達(dá)法的煤礦采空區(qū)勘察及其穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法的評(píng)價(jià)準(zhǔn)確率平均值為66.10%；基于二分量共偏移距縱的煤礦采空區(qū)勘察及其穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法的評(píng)價(jià)準(zhǔn)確率平均值為69.95%。對(duì)比表2中數(shù)據(jù)可知，所設(shè)計(jì)方法的評(píng)價(jià)準(zhǔn)確率更高，對(duì)于工程的施工與設(shè)計(jì)更有參考意義。

表2 評(píng)價(jià)準(zhǔn)確率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Experimental data of evaluation accuracy

3 結(jié)語(yǔ)

在對(duì)煤礦采空區(qū)勘察及其穩(wěn)定性評(píng)價(jià)進(jìn)行研究的過(guò)程中，應(yīng)用了微動(dòng)探測(cè)法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明該方法具有較低的勘察誤差與較高的評(píng)價(jià)準(zhǔn)確率。在研究中，發(fā)現(xiàn)存在以下問(wèn)題：①進(jìn)行微動(dòng)探測(cè)時(shí)，無(wú)法保證絕對(duì)安靜，存在一定干擾行為。實(shí)際勘察時(shí)，需要盡量注意。②場(chǎng)地情況、實(shí)驗(yàn)儀器固定不變也會(huì)帶來(lái)一定誤差。

對(duì)于問(wèn)題①，在實(shí)際勘察時(shí)，需要盡量注意；對(duì)于問(wèn)題②，需要進(jìn)行多次勘察，以保證誤差數(shù)值穩(wěn)定在一個(gè)較低的水平。