徐建国1，傅 磊2，谢新2，陈志亮2，陈 健3
（1.广州地铁集团有限公司，广东 广州 510000；2.中国煤炭地质总局广东煤炭地质局勘查院，广东 广州 510440；
3.中国煤炭地质总局广东煤炭地质局，广东 广州 510180）摘 要：地铁线路上的煤矿采空区，其填充物（空气、水体、泥砂等介质）与围岩接触面存在明显的波阻抗差异，微动探测具有较好的分层效果，能对采空区的分布进行探测，分析其稳定性，评价采空区对地铁工程建设和运营的影响。文章以广州市轨道交通14号线二期工程煤矿采空区勘察为例，结合微动探测原理、数据采集及资料解释方法，展示了微动探测在地铁煤矿采空区勘察中的应用效果。结果表明，微动探测技术可用于探测煤矿采空区的空间分布，具有分辨率高、抗干扰能力强、野外操作简单、成本低等优点。
关键词：微动探测技术；地铁煤矿采空区；城市地质勘察中图分类号：P631 文献标志码：A 文章编号：2096-2789（2020）08-0123-02
广州地铁3号线时间作者简介：徐建国，男，本科，高级工程师，研究方向：土建技术管理。
微动勘探法也称天然源面波法，其是通过从微动信号中提取瑞利面波的频散特性，然后通过对频散曲线反演来推测地下的横波速度分布。随着现代化工业的发展，越来越多的建筑工程需在建筑物密集、人文干扰强、场地条件复杂多变的条件下进行，且需要满足绿文明施工、不能扰民等要求，这就需要详细地了解城市的地下地质结构。城市的人文活动为浅层微动提供了丰富的信号源，在城市浅层地质勘探中得到了广泛的应用[1-3]。地铁煤矿采空区的自身物理特性，使其边缘部位存在一个明显的波阻抗反射界面，有明显的波速差异，为微动勘探采空区提供了较好的物性前提条件。
煤矿采空区受外应力的影响岩体内稳态遭受破坏，易产生应力集中，同时煤矿采空区顶部空间受到岩层压力作用，容易发生变形、断裂甚至冒落。如果对煤矿采空区的分布、岩石结构、空间形态和填充情况
等问题调查不全面，将对地铁工程建设和后期运营产生极大的影响，甚至威胁整个施工建设和人员安全。为确保项目的高效、顺利、安全进行，必须对地铁煤矿采空区的分布、空间形态等方面进行勘察。地铁建设场地位于城市，环境复杂，结合当前城市物探勘察方法，使用微动勘探是一种抗干扰强且高效、高精度的勘察方法。文章采用微动勘探技术，分析了依托工程工作区域中煤矿采空区的分布、空间形态，进而使该工程建设项目安全、顺利地进行。
1 微动勘探技术
1.1 技术原理
微动面波是一种稳定的随机过程，是随时间和位置适量而变化，某一时间段的微动记录可以作为稳定随机过程的样本函数来看待。同时，可用时间与空间上的平稳随机过程进行描述。微动勘探就是以这种平稳随机过程理论为依据的，由微动勘探信号中提取面波的频散曲线，然后通过对频散曲线的反演，得到地下横波的速度结构[4]。实际上，微动是由体波和面波组成的复杂振动，且振幅很小，其振幅位移一般在10-4 ～10-3cm ，因而，必须提高地震仪的放大倍数，从而增大微动信号，但是这样不仅放大了有用的地震信号，同时更放大了噪声，使得有用的微动信号被淹没。天然源面波勘探的基础就
是从天然源信号中提取面波信号，即由天然源信号推断地下构造的问题就是如何从天然源信号中提取面波的问题。提取面波，就是求出面波的周期（或频率）与相速度的关系，通过对频散曲线进行反演获得
地层的横波速度，在城市地质勘察中推断地壳浅部的横波速度结构，可划分土的类型，判断施工场地的类别，判别地层岩性及软硬、采空区的空间分布等。1.2 工作观测台阵
微动观测台阵主要有“+
”字形、“三角”形、圆形等形式，如图1所示，研究表明观测台阵还可以有更多的形式，也可以采取任意形式布置检波器，但需要满足3个条件：满足探查深度范围需要的波长、台阵中各接收点连线的方向要尽可能多、台阵中各接收点之间的距离要方便计算。城市中由于场地狭窄、不规则，三角形台阵也不一定完全适合，可根据实际情况布置不规则形状，不规则形状的中心点即为测点。
（a）十字形排列 （b）三角形排列 （c）圆形排列
图1 微动观测台阵
1.3 实施方法参数
现场采集仪器使用北京水电物探研究所生产的WD-1型智能微动勘探仪器，该仪器具有采集与处理信号、识别与剔除干扰波、筛选与叠加频散数据等自动功能。现场仪器屏幕直接显示面波频散曲线，改变了以往盲采被动局面。项目主要使用三角形排列台阵，最小～最大边上为3.46～24m ，采样间隔5ms ，检波器2HZ 采集数据。
2 工程实例
广州市轨道交通14号线二期工程线路彭边段位于广花煤田嘉禾矿区东大岭井田范围内，嘉禾矿区煤炭资源丰富，自明清时期就有零星开采，地表老窿残迹密布，局部个别小窑采深达-58m 。新中国成立后才有一定规模的开采，到了20世纪90年代中期该区所有煤矿陆续停产关闭，但留下了许多地下采空区[5]。在以往煤田勘探
和地铁线路勘察过程中，均有钻孔揭露到这些老窿和采空区。老窿和采空区的平面位置及空间状况对地铁线路的敷设方案及工法选择有着极大的影响，为更全面评估煤层、采空区和老窿对地铁建设运营的影响，对地铁沿线采空区开展专项勘察工作，主要使用微动勘探对地铁彭边段采空区范围进行勘察。
3 成果解释及验证情况
本次广州地铁十四号线二期彭边段微动探测沿地铁轨道线布置了2条测线，第一阶段以10m测点距进行了地铁轨道线扫面工作，第二阶段对已有的微动成果进行分析，在频散曲线呈现异常段进行测点加密，加密段测点距5m，共计完成微动测点120个。下面以微动探测在浅部和深部采空区及煤矿采空区场地探察的应用效果进行说明。
C400测点反演及其面波波速等值线剖面图如图2所示。图左侧为C400测点的频散曲线，在埋深58.2～100m
范围内，面波频散曲线极值的变化呈互层分层（即频散曲线极值多且密度大与频散曲线极值较单一且密度一般交替分布），面波视速度在频散曲线极值较单一处随深度增大而增大；而在频散曲线极值多位置，其面波视速度不随深度增大而增大。结合后期验证孔可知，在频散曲线拐点埋深58.2m异常为煤层引起，埋深69.2m异常为巷道顶板破碎引起。图右侧的等值线剖面图为6个测点的数据所绘，在面波波速值900～1000m/s高波速界线面内，出现了明显局部圈闭的800m/s低波速等值线，结合后期验证孔可知在68～71.1m为采空区顶板，71.1～73.4m为采空区，73.4～75m为采空区底板。
该次彭边站煤矿采空区场地共划分了3个物性异常区，收集地铁岩土工程勘察、煤田勘察钻孔等资料。在异常Ⅰ区共有42个钻孔，其中揭露了采空区的钻孔13个，揭露了煤层的钻孔11个（其中3个同时揭露了采空区），共计21个钻孔揭露了采空区或煤层；异常Ⅱ区内共有2个钻孔，其中揭露了采空区的钻孔1个，揭露了煤层的钻孔1个，共计2个钻孔揭露了采空区或煤层；异常Ⅲ区内共有5个钻孔，其中揭露了采空区的钻孔2个，揭露了煤层的钻孔2个（同时揭露了采空区），共计2个钻孔揭露了采空区或煤层。钻孔验证率达72.2%。
4 结束语
城市内施工场地道路错综复杂，交通拥塞、楼房林立，水泥路面下地下管线密布，噪音与地电干扰大，浅地表干扰源多而且复杂，施工区段周边空间狭窄。微动探测在台阵布置时拾震器合理地避开了地下管
线等空洞、房屋等较高墙体前提下，利用城市的人为干扰等造成的丰富地震信号，从中提取面波的频散特性，推断地下的速度结构。经过钻探验证，微动面波在城市复杂的环境下对煤矿采空区的勘察应用方面效果良好，结合前人调查的井田开采等地质资料，可对地铁轨道煤矿采空区场地的采空区分布、空间形态进行高精度的范围划分，并可根据采空区围岩的波速对其进行初步的稳定性分析。
参考文献：
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[2]马丽，金溪，贺正东.微动物探方法探测采空区[J].中国
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[3]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,2017,43(11):75-77.
[4]何正勤，丁志峰，贾辉，等，用微动中的面波信息探测地壳
浅部的速度结构[J].地球物理学报,2007(2):492-498.
[5]谭红艳，蒋小珍.广州市白云采空区稳定性分析[J].地下
工程与地下空间,2009,5(3):445-449.
图2 C400测点反演及其面波波速等值线剖面图（含钻孔验证）
图3 B335测点反演及其面波波速等值线剖面图（含钻孔验证）
B335测点反演及其面波波速等值线剖面图如图3所
示。图左侧为B335测点的频散曲线，在埋深19～34m
范围内，面波频散曲线极值呈现畸变，在同一深度位置
呈“之”字形回折，结合后期验证孔可知该段为采空区
引起。图右侧的等值线剖面图为11个测点的数据所绘，
在300m/s波速等值线平直背景下，400m/s波速等值线
局部呈条带状低速异常，形成一个条状的波速陡降，且
延深较大，结合后期验证钻孔可知在埋深27.7～31.7m
为采空区。
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