被动源面波线形台阵在路基采空区勘查中的应用.pdf

收稿日期:2 0 2 2 1 2 1 4;改回日期:2 0 2 3 0 4 2 2;责任编辑:余和勇作者简介:贾世俊(1 9 8 8),男,高级工程师,主要从事地球物理勘查生产应用工作。通信地址:山西太原市小店区龙城大街1 0 7号,中国冶金地质总局第三地质勘查院;邮政编码:0 3 0 0 0 0;E-m a i l:6 7 3 9 1 5 4 2 0q q.c o md o i:1 0.6 0 5 3/j.i s s n.1 0 0 1 1 4 1 2.2 0 2 3.0 2.0 1 6被动源面波线形台阵在路基采空区勘查中的应用贾世俊1,崔杨洋1,周鹏1,李朝辉1,刘晓斐2,牛井恒3(1.中国冶金地质总局第三地质勘查院,太原 0 3 0 0 0 0;2.山西冶金岩土工程勘察有限公司,太原 0 3 0 0 0 0;3.中国冶金地质总局内蒙古地质勘查院,呼和浩特 0 1 0 0 0 0)摘要:被动源面波勘探又称作微动勘探,以其野外采集布设灵活、抗干扰、环境适应性强等优点,在城市工程勘察中的应用效果越发明显。文章以某地城市道路交通施工前期的采空区勘探工作为例,开展了被动源面波法线性台阵在探测路基下方采空区的应用效果研究,采用A t l a s节点地震仪布置线形台阵采集微动数据,利用SWA I N S面波处理软件提取微动数据的频散曲线,进而反演地下介质视横波速度剖面。试验结果表明,线形台阵被动源面波法适合于城市道路复杂场地环境下的采空区探测,钻探验证率高。关键词:面波;微动;线形台阵;路基;采空区中图分类号:P 6 3 1.4 文献标识码:A0 引言被动源面波勘探又称为微动勘探或天然源面波勘探,这项技术的研究始于2 0世纪5 0年代,A k i和C a p o n分别于1 9 5 7年和1 9 6 9年用空间自相关法(S P A C法)和频率 波数法(F-K法)从天然源信号中提取面波,并求出面波频散曲线,之后人们逐步将被动源面波勘探技术与工程实际应用联系起来。2 0世纪8 0年代末,由王振东和冉伟彦把此方法引入国内14。近年来,随着面波处理技术的不断提高,被动源面波勘探方法在国内的工程勘查领域也逐渐得到应用:徐佩芬等把该技术应用于煤矿采空区陷落柱的勘探5;马丽等利用被动源面波进行了采空区探测;毋光荣、李娜、李井冈等研究了不同台阵类型频散曲线及频散谱能量集中度,认为嵌套式等边三角形或圆形台阵优于线形台阵的应用效果68。然而,当前城市工程地质勘查中面临工作空间有限,二维台阵布设受建筑物或人文活动的影响,难以规则化布设,线形台阵呈现出较好的场地适应性和抗干扰性。本文以某城市道路交通施工前期路基下采空区勘查工作为例,对被动源面波线形台阵的实际应用效果和适宜条件进行了分析。1 被动源面波勘探原理被动源面波来源于自然界和人类的各种活动,如自然界的风、潮汐和火山活动等会产生震动;移动的火车、汽车、机器的运转等会产生震动;甚至于人类的行走也会产生震动。各种震动都以体波以及面波的形式向远处传播,其中面波的能量占信号总能量的7 0%以上,具有低频、低速、能量强和频散的特性,并携带有地层结构的信息。尽管微动信号的振幅和形态随时空变化,但在一定时空范围内具有统计稳定性,可用时间和空间上的平稳随机过程描述。第3 8卷 第2期2 0 2 3年6月:2 5 6 2 6 2 地 质 找 矿 论 丛 C o n t r i b u t i o n s t o G e o l o g y a n d M i n e r a l R e s o u r c e s R e s e a r c h V o l.3 8 N o.2J u n.2 0 2 3:2 5 6 2 6 2微动探测方法就是以平稳随机过程理论为依据,从微动信号中提取面波频散曲线,通过对频散曲线反演获得地下介质的横波速度结构,利用速度与岩土物理力学性质的相关性解决诸多工程地质问题,如探测断层、采空区等不良地质体的分布状况91 0。图1 线性排列观测方式示意图F i g.1 O b s e r v a t i o n s k e t c h o f t h e l i n e a r a r r a y2 线性台阵工作方法线性台阵是指节点地震仪以一定点距按照直线排列布置于工作区,以多个节点的地震数据作为一个台阵进行空间自相关计算,进而提取频散曲线反演地下横波速度结构的工作布置。在城市周边进行工作时相对二维台阵或其他台阵类型具有如下优势:台阵布置相对灵活,线型台阵可以根据城市建筑物分布合理地规划测线方向,从而保证测线的规则化布设和数据采集的完整性;二维台阵因受建筑物分布的限制,难以进行规则化布设;台阵排列长度不受限制,由于天然场震源的随机性,台阵的排列长度(半径)需要通过试验确定,相比二维台阵工作方式,线性台阵排列长度(半径)可通过一次性布置多个节点地震仪,提取不同长度的排列数据进行对比确定最佳长度;数据采集效率提高,二维台阵数据采集一般以点为单位,而线型台阵可利用相对少量的节点地震仪进行以剖面线为单位的数据采集。线型台阵的这些优点为其在城市地质勘查中的应用带来较大的竞争力,但同时这种工作方法也存在一些缺陷和不足,主要体现在:当随机震源能量集中于测线某一方向时,线性台阵提取的频散曲线误差较大78,1 11 2,即对固定方向的噪声抗干扰较差;根据施工经验可通过延长观测时间或变换不同时段采集来改善;对于深度较大的探测目标,线型台阵需要更大的排列半径,同时降低了横向分辨率,即对大深度探测有效性较差。2.1 野外数据采集野外测量时将仪器尾锥旋转接入主机底部,之后将仪器按线性台阵依次插入到接收点,保证每个检波器与地面接触良好(图1);采集数据时,减少人员、车辆在测点附近走动等,确有人为干扰震动时要详细记录时间、位置,以供数据处理时选取最佳的数据时间窗口。2.2 数据处理将数据按照仪器编号导入计算机中,检查数据的连续性,对观测时间段数据不连续的仪器进行标记并查明原因,之后进行数据处理。整个处理流程见图2 ad。(1)按照R o c k e t软件格式编辑排列观测系统。(2)采用R o c k e t软件对微动每个排列有效信号逐个进行提取为地震标准数据格式s e g y或s e g 2。(3)将数据导入SWA I N S面波处理软件,核对观测系统无误后,计算频散曲线。(4)提 取 基 阶 面 波。采 用 空 间 自 相 关 法(S P A C)计算;首先将实测数据分成若干个数据段,剔除明显干扰大的数据段,将各数据段通过中心频率不同的窄带滤波处理,分别提取各个频率成分,再对各频率成分分别计算中心测点与其他测点之间的空间自相关系数并进行方向平均,进而计算相速度,根据分布趋势拟合出相速度频散曲线1 3。(5)对频散曲线进行迭代反演。根据拾取的频散曲线定义一个初始模型,进行迭代反演拟合计算,当反演的归一化均方根误差小于1%时截止,使反演结果模型与观测数据达到最佳拟合。752第3 8卷 第2期贾世俊等:被动源面波线形台阵在路基采空区勘查中的应用图2 微动数据处理流程示意图F i g.2 D i a g r a m o f f r e t t i n g d a t a p r o c e s s i o n f l o wa.线形台阵采集数据;b.排列波形及频数;c.反演曲线;d.视速度反演剖面 (6)用反演所得波速结构和已知资料进行地质推断。3 应用实例3.1 工作区概况某市城区快速路工程项目地表被新生界松散层覆盖,地势起伏变化较大,地貌以黄土梁、峁为主,为典型的黄土高原侵蚀地貌,地表切割强烈,沟谷较发育,冲沟与黄土梁、峁相间分布。工作区地层由老至新依次有石炭系、二叠系、新近系和第四系。石炭系、二叠系为含煤地层。快速路段大部分处于煤矿矿界范围内,4号、6号和1 0号煤层均有不同程度开采,一些小煤窑的实际采空情况不明,使得线路路基有较大的安全隐患,需查明路基两侧采空区分布,为后续针对性治理工作提供依据。工作区地处城市周边,电磁干扰严重,加之地形及建筑物影响,常用的瞬变电磁法、高密度电法、大地电磁等手段难以发挥有效作用,被动源线性台阵可体现出城市周边物探勘查工作较好的适应性。3.2 地球物理特征在煤系地层中,当岩层密实连续时,视横波速度随深度逐步增加;如果存在采空区等异常体,易使得其上部岩层结构受到破坏,产生松动、裂隙甚至坍塌现象。这样必然破坏了原来地层的层状分布特征,导致面波在采空区和完整的煤层介质中存在明显的波速差异,在采空区、强风化破碎层和溶洞处的视横波速度小,而完整煤层或围岩的视横波速度大,因此可采用视横波的速度差异对采空区进行定性分析。3.3 微动方法有效性试验为验证微动探测方法的有效性,选取已知路段施测了2段试验剖面(图3)。(1)S Y 1试验剖面位于隧道顶部且垂直于现有隧道,剖面长2 1 0 m(图3 a)。试验剖面在隧道处深约8 0 m显示低速异常,与实际 隧道埋深情 况吻合,在相 对距离8 0 m2 1 0 m处、深度6 01 0 0 m处存在一处“八”字型低速异常带,推测为断裂构造或破碎带;K 3 2钻孔证实,该异常位置岩心破碎,漏水严重,与物探推断852地 质 找 矿 论 丛2 0 2 3年图3 试验剖面位置实景示意图F i g.3 T h e i n-s i t u s k e t c h o f t h e t e s t s e c t i o na.S Y 1试验剖面实景示意图;b.S Y 2试验剖面实景示意图结果吻合(图4)。该试验剖面说明微动方法对于寻找空洞或破碎带构造具有一定的效果。(2)S Y 2试验剖面从距隧道北口约3 0 m处开始,向南沿拟建工程路基布设,剖面有效长度3 2 0 m(图3 b)。在埋深1 0 0 m剖面断续出现5处低速异常,其中1 0 0 m1 2 0 m处、2 5 0 m3 0 0 m处为已知采空区,1 6 0 m1 8 0 m、3 2 0 m3 6 0 m和3 9 0 m4 2 0 m处为推断采空区异常(图5)。根据S Y 2试验剖面结果,在已知采空区布置K 3 1孔验证钻孔,在推断采空区异常位置分别布置K 3 0孔和K 2 9孔进行验证。K 2 9孔。孔深为1 7 2.0 m,0 m1 4.1 m为第四系,1 4.1 m1 2 1.3 m为二叠系山 西组,1 2 1.3 m1 7 2.0 m为石炭系山西组。钻探过程中在8 2.5 m处突然掉钻,掉钻至深度8 4.5 m处,掉钻处上下层为砂岩,岩心完整。继续钻进后8 9.2 m处突然漏水,在9 0.2 m处突然掉钻,掉钻至深度9 1.6 m,顶、底板均为泥岩,继续加水钻进至石炭系山西组6号煤层,埋深1 2 8.7 m1 2 9.4 m,厚度0.7 m,石炭系山西组1 0号煤层埋深1 6 6.0 m1 6 9.1 m,厚度3.1 m,推测第一次掉钻处为巷道。K 3 0孔。孔深1 4 8.0 m,0 m2 9.2 m为第四系,2 9.2 m1 3 3.2 m为二叠系山西组,1 3 3.2 m1 4 8.0 m为石炭系山西组。钻探过程中9 9.3 m处突然漏水,在1 0 6.4 m处 突 然 掉 钻,掉 钻 至 深 度1 0 7.2 m,顶底板均为泥岩。继续加水钻进至石炭系山西组6号煤层埋深1 4 3.01 4 3.4 m,厚度0.4 m,顶底板围岩为泥岩。K 3 1孔。孔深为1 6 0.0 m,0 m4 6.9 m为第四系,4 6.9 m1 4 7.1 m为二叠系山 西组,1 4 7.1 m1 6 0.0 m为石炭系山西组。钻孔揭示二叠系山西组4号煤层埋深1 2 1.4 m1 2 2.7 m,厚度1.3 m,顶底板岩石为泥岩;石炭系山西组6号煤层埋深1 5 3.0 m1 5 4.4 m,厚度1.4 m,顶底板岩石为泥岩。钻进过程中6 5 m后开始漏水,孔内水位明显下降,但未出现掉钻现象,主要原因是该段为煤矿采空区边界,停采时间长,采空区冒落裂隙带内大的空洞已被压实,还残存一些裂隙,从而漏浆但不掉钻。经过钻探的验证,已知采空区和推断采空区异常均得到了证实,表明利用微动勘探线性台阵方法探测采空区可以收到较好的工作效果,并且在垂向上有一定的分层作用,在横向上对采空区边界有较好的反映。3.4 应用与效果在微动方法试验剖面的有效性得到钻孔验证后,以拟建道路中心线为中线,两侧各1 0 0 m沿拟建道路进行了微动线性台阵测量。本次工作采用1 0 0台仪器滚动接收数据,道间距1 0 m;每2 1台仪器组成一个排列,长度2 0 0 m,记录点位于中间道,数据采样率2 5 0 H z,采集时间不小于3 0 m i n,多主机G P S精确授时,确保数据时间记录同步;测量工作共完成微动面波剖面测量1 8 k m。工作过程中,节点线性台阵展现出良好的城市勘查的优越性(穿越建筑物、不受电磁干扰、沿线路勘查较高的施工效率等)。图6为拟建道路的一段微动测量视速度反演断面图。断面图中可见明显的2处“凹”字形低速异常,且异常位于煤层的底板标高附近,结合试验结果,推断这2处异常系采空区所致。后期针对采空区异常共实施验证钻孔2 4个,钻孔验证统计:3个钻孔未在异常位置施工,确未打到采空区;3个钻孔952第3 8卷 第2期贾世俊等:被动源面波线形台阵在路基采空区勘查中的应用图4 S Y 1试验剖面视速度反演断面图F i g.4 I n v e r s i o n s e c t i o n o f a p p a r e n t v e l o c i t y f o r t e s t s e c t i o n S Y 1图5 S Y 2试验剖面视速度反演断面图F i g.5 I n v e r s i o n s e c t i o n o f a p p a r e n t v e l o c i t y f o r t e s t s e c t i o n S Y 2位于圈出的异常区,但未验证到采空区,经与已知采掘图对比,推断为保护煤柱;其余1 8个钻孔均有不同程度的漏水或掉钻现象。4 结论通过某城市道路交通施工前期采空区勘探工作方法试验及应用效果研究,得到以下结论:(1)微动在寻找空洞或破碎带构造有一定效果,在采空区勘查中垂向上有一定的分层作用,横向上对采空区边界有较好的反映。(2)微动线性台阵布置较为方便,排列长度更趋灵活,数据采集效率较高,但对固定方向的噪声抗干扰较差,需通过改变观测时间段或其他措施进行抑制,对大深度探测的有效性较差。(3)微动线性台阵更加适合城市复杂环境下的无损勘查,能够有效克服城市建筑物障碍、人文活动062地 质 找 矿 论 丛2 0 2 3年图6 拟建道路微动测量视速度反演断面图F i g.6 I n v e r s i o n s e c t i o n o f m e a s u r e d a p p a r e n t v e l o c i t y o f a p r o p o s e d h i g h w a y等干扰,且数据采集不受电磁干扰。尽管线性台阵一定程度上频散谱能量集中度相对二维台阵较弱,会给相速度频散曲线的提取带来一定误差,但在城市环境中往往场地狭窄,不具备二维台阵的布设条件,线性台阵微动测量从应用效果和可操作性多维度考虑可以在城市复杂环境下发挥优势的物探勘查方法。参考文献:1 孙勇军,徐佩芬,凌甦群,等.微动勘查方法及其研究进展J.地球物理学进展,2 0 0 9,2 4(1):3 2 6 3 3 4.2 马丽,金溪,贺正东.微动物探方法探测采空区J.中国煤炭地质,2 0 1 3,2 5(5):5 0 5 4.3 董耀,高鹏举,金路,等.微动探测在城市地质勘查中的应用研究J.能源与环保,2 0 1 9,4 1(1 2):8 8 9 2.4 李凯.面波勘探技术在工程勘察中的应用进展J.工程地球物理学报,2 0 1 1,8(1):9 7 1 0 4.5 徐佩芬,李传金,凌甦群,等.利用微动勘察方法探测煤矿陷落柱J.地球物理学报,2 0 0 9,5 2(7):1 9 2 3 1 9 3 0.6 毋光荣,余凯,马若龙.天然源面波勘探技术在工程中的应用研究J.工程地球物理学报,2 0 1 3,1 0(3):2 7 9 2 8 5.7 李娜,何正勤,叶太兰,等.天然源面波勘探台阵对比试验J.地震学报,2 0 1 5,3 7(2):3 2 3 3 3 4+3 7 0.8 李井冈,谢朋,王秋良,等.不同台阵形式对微动探测结果的影响J.大地测量与地球动力学,2 0 2 0,4 0(1):9 8 1 0 3.9 左国青,方华.微动与地震映像在采空区勘察中的应用J.水力发电,2 0 1 7,4 3(1 1):7 5 7 7.1 0 王继鑫.基于微动勘探方法的浅层波速结构反演研究D.北京:中国地震局地壳应力研究所,2 0 2 0.1 1 周紫岩,廖武林,李井冈.微动线型台阵数据快速处理研究J.大地测量与地球动力学,2 0 2 0,4 0(1 0):1 0 9 7 1 1 0 0.1 2 杜亚楠,龚雪,徐佩芬,等.微动勘探中噪声场分布的不均匀性对圆形和直线形台阵的影响研究J.地球物理学进展,2 0 2 2,3 7(3):1 0 0 7 1 0 1 2.1 3 庞景尹.浅地表被动源面波成像中数据筛选方法研究D.武汉:中国地质大学,2 0 1 9.162第3 8卷 第2期贾世俊等:被动源面波线形台阵在路基采空区勘查中的应用A p p l i c a t i o n o f l i n e a r a r r a y o f p a s s i v e s o u r c e s u r f a c e w a v e i n e x p l o r a t i o n o f r o a d b e d G O A FJ I A S h i j u n1,C U I Y a n g y a n g1,Z H O U P e n g1,L I Z h a o h u i1,L I U X i a o f e i2,N I U J i n g h e n g3(1.T h e T h i r d G e o l o g i c a l E x p l o r a t i o n I n s t i t u t e o f C h i n a M e t a l l g i c a l G e o l o g y B u r e a u,T a i y u a n 0 3 0 0 0 0,C h i n a;2.S h a n x i M e t a l l u r g i c a l G e o t e c h n i c a l E n g i n e e r i n g E x p l o r a t i o n C o.L t d.,T a i y u a n 0 3 0 0 0 0,C h i n a;3.I n n e r M o n g o l i a I n s t i t u t e o f G e o l o g i c a l E x p l o r a t i o n,C A G,H u h e h a o t e 0 1 0 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:P a s s i v e s u r f a c e w a v e e x p l o r a t i o n,a l s o k n o w n a s m i c r o t r e m o r e x p l o r a t i o n i s w i d e l y u s e d i n u r-b a n e n g i n e e r i n g w i t h g o o d r e s u l t s d u e t o i t s f l e x i b l e f i e l d a c q u i s i t i o n a n d l a y o u t,a n t i-i n t e r f e r e n c e a n d s t r o n g e n v i r o n m e n t a l a d a p t a b i l i t y.P a s s i v e s u r f a c e w a v e l i n e a r a r r a y e x p l o r a t i o n i s a p p l i e d i n a c i t y r o a d t r a f f i c c o n s t r u c t i o n e n g i n e e r i n g t o d e t e c t GOA F u n d e r r o a d b e d a n d s t u d y t h e e x p l o r a t i o n e f f e c t.A t l a s n o d e s e i s m o g r a p h i s u s e d t o l a y o u t t h e l i n e a r a r r a y a n d c o l l e c t f r e t t i n g d a t a.T h e f r e t t i n g d a t a a r e p r o-c e s s e d a n d t h e d i s p e r s i o n c u r v e e x t r a c t e d w i t h S T A I N S s o f t w a r e.T h e n t h e a p p a r e n t s h e a r v e l o c i t y p r o f i l e o f u n d e r g r o u n d m e d i u m i s i n v e r t e d.R e s u l t o f t h e t e s t e x p l o r a t i o n s h o w t h a t t h e l i n e a r a r r a y p a s s i v e s u r-f a c e w a v e m e t h o d i s s u i t a b l e f o r d e t e c t i o n o f GOA F u n d e r t h e c o m p l e x e n v i r o n m e n t o f u r b a n r o a d w i t h h i g h d r i l l i n g v e r i f i c a t i o n r a t e.K e y W o r d s:S u r f a c e w a v e;m i c r o t r e m o r;L i n e a r a r r a y;r o a d b e d;GOA F262地 质 找 矿 论 丛2 0 2 3年