微动探测在矿山采空区勘查中的应用

张 星，丁志军，连伟章

（甘肃省有色地质调查院，甘肃 兰州 730000）

微动探测技术作为矿山勘查技术中一项重要方法，在抗干扰能力方面表现突出，且不受各种场地限制，还可以把各种各样的振动源化为自身的场源，增强信号。因此，微动在矿山采空区勘查中拥有其不可替代的作用。本文以乌鲁木齐市六道湾某矿山为例，采用微动探测方法，对地下采空区的空间展布和采空塌陷区回填情况以及充实程度进行研究，取得了较好的应用成果。

1 勘查区地质概况

工作区位于准南矿山东南部乌鲁木齐市六道湾西侧，区内均为陆相沉积地层，以中新生界为主，其中以侏罗系分布最广，新生界次之。工作区出露地层除部分红山背斜有二叠系分布以外，在整个塌陷区及其南北地区主要以第四系松散沉积物为主，下伏地层为侏罗系的三工河组、西山窑组和头屯河组，且大部分被第四系覆盖。下侏罗统三工河组岩性主要是绿色粉细砂岩和黄白色中粗粒砂岩组成，厚度在235m～430m；中侏罗统西山窑组三组是侏罗系地层中的含矿地层，呈带状延伸，包含33层可采矿层，其中含矿系数18.9%，岩性主要由一套砂岩、泥岩和砂质泥岩组成，地层厚度317.3m；中罗统头屯河组岩性主要由粉砂岩和细砂岩组成，厚度203m。第四系分布范围较广，岩性主要有砂、卵砾石、黄土和亚砂土等。且绝大部分覆盖于侏罗系之上，厚度在六道湾矿山一带在10m～40m左右，七道湾乡增大到100m～200m。

在六道湾矿区构造较为简单，无大的断裂，地层产状变化也较小，在西二石门到西三石门一带微向南凸呈弓形，倾向330°～336°，矿层陡倾，倾角一般在65°～75°。岩层倾角由浅到深逐渐变缓，浅部倾角在一般70°～75°，深部变缓为50°～55°。

地震作用会加剧矿山塌陷区范围的扩大，地质活动频繁，这将对塌陷区的形成起到催化作用。

2 微动勘查技术与方法

2.1 技术原理

在没有地震的时刻，地球表面的任何地方都处在一种微弱的振动状态下，地球表面的这种连续的微弱振动称为微动。微动的振幅约为101um～10um，因而人类感觉不到。微动信号属于天然源信号，震源主要源于两个方面，一是人类的日常活动，包括各种机械振动，道路交通等。这些活动产生的信号频率大于1Hz，属于高频信号源，通常，这类微动信号也被称为常时微动；二是各种自然现象，包括海浪对海岸的撞击、河水的流动、风、雨、气压的变化等。这些现象产生的信号频率小于1Hz，属于低频信号源，通常，这类微动被称为长波微动。微动没有特定的震源，振动波来自观测点的四面八方，携带有丰富的地球内部信息。

微动是一种没有特定震源的微弱振动，它是由多种形式的波组成的复杂振动，主要包括体波和面波，其中面波的能量达70%以上，且主要以基阶振型传播。微动中的面波信息与地下地质结构密切相关，实际运用中主要利用微动信号的瑞雷波信息。由于面波的频散特性，微动信号具有随振幅、频率随时间、空间发生显著变化的特点，但在一定时空范围内仍满足统计稳定性，可用平稳随机过程来描述。微动探测方法(The Microtremor Survey Method，简称MSM)是以平稳随机过程理论为依据，从微动信号提取面波（瑞雷波）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。

从微动信号中提取瑞雷波频散曲线常用的两种方法是频率-波数法(The Frequency-wavenumber Power Spectral Method，简称F-K法)和空间自相关方法(Spatical Autocorrelation Method， 简 称SPAC法)。SPAC法利用不同半径的自相关系数计算相速度，进而根据相速度的分布提取频散曲线，最后根据理论模型和实测模型的拟合，进而计算出地层速度。下文中采用规则台阵采集数据，采用的是SPAC法提取频散曲线。

2.2 微动测量野外数据采集与处理

2.2.1 台阵布设

多重圆观测台阵是微动单点探测常用的布设方式，下图1为本次施工的台阵观测系统示意图，圆心处布设1台数据采集器，圆周上布设3台数据采集器。在利用SPAC法时，圆形观测台阵的半径称为观测半径R，最大探测深度H与观测半径R之间通常存在以下关系：H=(3～5)R。微动单点探测目的是获得测点下方地层介质的横波速度及界面深度，也称为微动测深。

图1 微动单点探测台阵示意图

本次采用的三重圆观测台阵半径分别为:r=15m；2r=30m；4r=60m。

2.2.2 剖面测点观测

剖面观测采用单点台阵测量的方式，测量点距20m。以台阵的中心为一个测点进行剖面连续观测。

剖面观测示意图如下图2。

图2 排列移动示意图

2.3 数据处理

野外数据采集时需要进行实时预处理，预处理的主要目的是将实测原始数据转换成SPAC数据处理格式，画出波形图，以监控实测数据的有效性。剔除被场地噪声明显干扰的数据段，计算台站间空间自相关系数，判断实测数据质量，指导现场施工。

探测数据处理时，需要从时序数据中提取瑞雷波，获得其相速度频散曲线，再对频散曲线进行反演获得地下横波速度结构，当所有测点的频散曲线提取完成后，就可以合并插值平滑计算获得二维视S波速度剖面，进而绘制相速度等值线图，最后结合当地的地质背景对横波速度结构做出地质解释。

利用实际微动信号中提取的瑞雷波频散曲线反演得到地下视S波速度结构信息。常用的反演算法有半波法经验公式反演，半波法经验公式反演是一种采用经验公式对频散曲线进行反演计算的方法，探测目标剖面上对应的视S波速度的变化情况，以获取相应的地层构造。计算视S波速度半波法经验公式如下：

该方法用于剖面上岩性的相对变化而无需反演横波速度的绝对值。

式中：vs为视S波速度；

vr为瑞雷波相速度；

ti=1/fi为周期，对应的深度一般取半波长。

计算出视S波速度后，可根据相速度频散曲线算得视S波速度随深度的变化曲线(vs-h曲线)，再利用光滑差值等计算处理后，即可得到视S波速度的剖面图。视S波速度不等于实际的S波速度值，是拥有速度量纲的物性参数，其变化趋势可以反映出实际的S波速度变化，故可通过视S波速度的剖面图进行地质诊断。

3 应用实例

本次微动探测使用的仪器为合肥国维电子有限公司生产的GN201微动探测系统。

该系统主要由GN201主机、0.1Hz拾震器、天线组成。该设备采用了32-bit高精度ADC，动态范围122dB，极大的降低了仪器自身的本地噪声，提高了仪器信噪比，使获取的微动信号更加精确；同时通过接收GPS卫星的标准时间信号自动实时地进行内部校正，时钟同步误差小于15ns，保证在长时间观测中各数据采集器之间的同步性，满足勘探要求。

3.1 地球物理特征

物性差异是开展物探工作的前提，本次笔者收集了前人的成果，下表1是用浅震反射波法在勘查区测量的各种地质体的波速。

表1 物性参数统计表

通过上表物性参数可知，不同地质体间波速差异较大，可以通过波速特征实现对地下地质体的划分。由于采空区内岩层破碎、裂隙发育，密度降低，地震波速度降低。根据理论和实测经验，矿层采空区岩层的视S波速度比未开采的矿层低，在视S波速度剖面上形成低速异常。

据以往六道湾矿区勘查资料，勘查区主要开采矿层分两层，分别在深130和240m。为查明采空区的空间展布位置，本次安排了两条微动剖面，测线距200m，方位66°，探测深度300m。

施工前，为确定合适的采集参数，在W2测线240～360点（20m点距）多种采集参数试验，包括不同半径、不同采集时间切片以及不同采样率等，最终确定了本次采集系统参数为：半径分别为15、30和60m三重圆、采样率250Hz、单点采集时间不少于40分钟。

3.2 断面解释

研究区共两条测线，W2测线长380m，共20个测点；W3线长360m，共19个测点。两条测线平行布置，方位66°。

在深35m～80m区域，视S波速在1000m/s～1500m/s之间，呈中高速特征，在W2线断面图中近似水平层状，推测开采矿层的顶；在深80m～160m区域，视S波速度在800m/s～1100m/s之间，W2线视S波速度断面图和W3线视S波速度断面图局部出现多处封闭的低速异常区域，异常以倾斜的串珠状和长条状为主，如图3上的W1-1和W1-2异常以及图4上W2-1、W2-2和W2-3异常；推测矿层开采后留下的空白区、拆除支护和液压支架后形成采空区以及矿层顶板冒落垮塌形成的冒落带反映；160m以下，视S波速度呈高速区，无明显异常特征，推测为未开采地层的底界面。

图3 W1线微动探测视S波速度断面图

图4 W2线微动探测视S波速度断面图

根据钻孔资料显示，30.4m以浅主要为第四系松散堆积物和地面塌陷回填物，30.4m至48.7m为矿层顶板，岩性为泥质粉砂岩；48.7m至73.1m为塌陷扰动矿层73.1m至120m。120m以下为矿层底板粉砂岩。从已有钻孔揭露来看，微动探测成果与钻孔结果基本相符，这也为后续大面积调查治理提供了依据。

4 结论与讨论

微动探测可以在充满各种信号源干扰的环境下，取得较好的勘探效果。事实上，微动探测有效的利用了市区的各种噪声，如矿山开采发出的微振动信号源，微动探测拥有自己独特的优势，基本不受电磁干扰的影响，而且它属于分布式采集站采集数据，采用高精度GPS同步，采集站体积较小，不受场地条件的限制。因此，微动探测是一种经济高效的勘探手段，尤其是在闹市区，对地面零破坏，更加环保。

微动探测对市区内的采空区勘探，具有较高的分辨率，不论是采空区的空间位置、埋深和形态，还是因采空形成的发育带，都有较好的反应。一般来说，形成的采空区越大，速度异常也就越明显。

微动探测成果还可以进行采空区域的稳定性评价，如判定为稳定区、一般稳定区还是不稳定区。它是根据已有地层物性资料和实测相速度速度进行对比研究，进而划分稳定区和不稳定区域