地震波CT技术在采空区勘查中的应用—— 以淄川区洪山镇北工村旧村改造项目为例

时彦芳

山东省地矿工程勘察院,山东济南,250014

地震波CT技术在采空区勘查中的应用
—— 以淄川区洪山镇北工村旧村改造项目为例

时彦芳*

山东省地矿工程勘察院,山东济南,250014

地震波CT层析成像技术是利用地震波在不同介质中传播速度的差异来重建测试区域地震波速度场的分布特征，以此来推断剖面介质的精细构造及地质异常体的位置、形态和分布状况。通过钻孔间的组合，可实现二维空间探测，具有直观准确、真实可靠等优点，具有单孔钻探方法无可比拟的优势，应用前景广阔。

地震波CT 孔间探测 采空区勘查

地震波CT技术是计算机技术和现代地震数字观测技术相结合发展起来的新的探测技术。作为一种新的精细测量技术，它利用地震波射线穿透地质体，可以形象直观的重现地质剖面的内部结构，从而对岩体作出评价，越来越广泛的应用于边坡治理、灾害评估、工程勘察等领域中，取得了显著的经济效益和社会效益。

1 地震波CT技术工作原理及方法

1.1 工作原理

地震波层析成像技术是通过探测超声波（其频率为103-106Hz）在岩体内的传播特征来研究岩体性质和完整性的一种物探手段。超声波在不同类型介质中具有不同的传播特征，当岩体介质的成分、结构和密度等因素发生变化时，超声波的传播速度、能量的衰减及频谱成份等发生相应变化。因此，利用该特性可对所测岩体的完整性等参数进行评价。

1.2 工作方法

采用跨孔弹性波CT技术在试验区内选定的两个钻孔间进行测试。在工作过程中采用单点激发多点接收的工作模式，即在一个钻孔中以一定的点距逐点激发，而在另一个钻孔中按照一定的间隔用检波器接收震源点所激发的地震波信号，并用仪器将该信号记录下来，从而构成地震CT层析成像观测系统。见图1。在实际工作中，钻孔间距要根据勘查区不同岩性的波的传播速度、能量和接收系统的接收精度来选择，激发与观测点距要小于目标体的空间大小以保证异常体空间分辩率,。有条件的情况下, 可对每对钻孔中采取的岩心进行声波测试, 以便获得测区岩体的纵波速度参数, 为地质解释提供可靠依据。

图1 地震波CT层析成像野外工作方法示意图Fig.1 Schematic diagram method of wave CT

2 应用实例

2.1 工区概况

工区位于淄博市洪山镇北工村，地下煤层分布广泛，煤矿开采历史悠久，虽现已停产，但所形成的的采空区域对地面建筑构成严重威胁，迫切需要对采空区的空间分布进行精确勘查。为此，山东省地矿工程勘察院对已钻钻孔进行了跨孔地震波CT勘查，取得了满意的效果。工作区区域属华北地层大区之鲁西地层分区，拟勘查部分地层由第四系砂砾层、砂土和第三系泥岩、砂岩构成。砂岩的纵波波速值较大，为2000～4000 m/s；泥岩的纵波波速值较小，为2000～3500 m/s。各地层地震波纵波速度值差异明显，存在地震波CT法勘查的物性前提。

2.2 观测系统及剖面布设

数据采集使用SE2404型地震仪, 采用率0.05ms, 采样点数1024, 频带范围为100～1000Hz。观测系统采用12道接收系统, 道距为1m,激发点距为1m，每个排列根据孔深布设炮点。激发系统采用电火花震源, 单次激发能量为5000J,接收系统采用压电式12道井中检波器串。工作区钻孔孔距为20～30m，孔深50～60m不等。工区地层较破碎，普遍出现塌孔现象，为保证观测顺利进行，测试钻孔全部采用花管护壁，与孔壁耦合良好。

2.3 工作成果分析

本次工作共进行了多对跨孔地震波CT勘查，均取得了满意的效果，现以YZ6-16孔对、YZ5-3孔对为例进行说明。剖面图以水平距离为横坐标，深度为纵坐标，根据速度大小成速度等值线色谱图。

2.3.1 地震波CT测试YZ6-16剖面 YZ6-16剖面位于钻孔YZ6与钻孔16之间，由图2速度剖面可以看出，在水平位置0～19m、深度35～36.5m处存在一纵波波速值小于2400m/s的低速异常区域，推测为采空区引起。YZ6孔掉钻位置、深度与观测结果基本吻合。

图2 YZ6-16地震波CT测试剖面成果图Fig.2 YZ6-16 seismic waveCT profile test result map

2.3.2 地震波CT测试YZ5-3剖面 YZ5-3剖面位于钻孔YZ5与钻孔3之间，由图3速度剖面可以看出，在水平位置18～21m、深度25～29m处存在一纵波波速值较低区域，推测为岩石破碎引起。剖面在水平位置0～4m、深度42～43.5m处存在一纵波波速值小于2400m/s的低速异常区域，推测为采空区引起。YZ5孔掉钻位置、深度与观测结果基本吻合。

图3 YZ5-3地震波CT测试剖面成果图Fig.3 YZ5-3 seismic wave CT profile test result map

3 讨论

地震波CT技术在勘查岩溶、破碎、采空区等地质现象时具有快速、直观、灵敏等优点，可以形象的揭示剖面介质的精细构造及地质异常体的位置、形态和分布状况。其作为一种新的地球物理探测方法，相比于其他探测技术虽起步较晚，但在实际应用中已发挥出了巨大优势。

勘察孔YZ5和YZ6发现的采空区基本都在地震波CY测试结果中得到了体现，地震层析成像不仅可以测试某一深度的点异常，还可以得到异常区在水平和垂直向的延伸发育情况，这充分体现了该方法的独特优势。

在实际工作中，为了发挥该方法的最大优势，应注意以下几点：①孔距不宜过大。灰岩地区孔距适当大些，泥、页岩地区孔距适当小些，这样可最大限度的提高探测精度，减小能量损耗。②钻孔可探测深度尽量大于要勘查的异常段深度。由于地震波射线的密度空间分布不均匀，在测试范围的中间位置比较均匀，精度高，而在两端较稀疏，精度稍差。③钻孔可探测深度尽量大于钻孔间距，这样可以提高射线对的交点数，提高探测精度。④在反演建立数学模型时，网格间距不宜过大，一般要小于接收点距。

1 GB50011- 2001,建筑抗震设计规范[S].

2 GB50021- 2001,岩土工程勘察规范[S] .

3 王运生，顾汉明，王家映.弹性波CT 关键技术与应用实例［J］．工程勘察，2005，（3）.

4 李新宝，陈霞.应用弹性波CT 技术测试岩体灌浆效果［J］．东北水利水电，2012，（4）.

5 董清华，朱介寿．井间电阻率层析成像及其应用［J］．计算物理，1999，（5）.

6 裴顺平, 许忠淮. 新疆及邻区Pn速度层析成像[ J].地球物理学报, 2002, 45( 2) : 218～225.

THE WIDE APPLICATION OF EARTHQUAKE WAVE COMPUTERIZED TOMOGRAPHY IN WORKED OUT SECTION PROSPECTING——take Beigong village renovation of Hongshan town in Zichuan District for example

Shi Yanfang
Shandong Provinicial Burean of Geology &Mineral Resources, Jinan, Shandong, 250014，China

Earthquake wave computerized tomography (CT) is a kind of technology, which applied earthquake wave speed difference extending in different media to rebuild its distribution characteristics of testing zone to infer the fine structure of lateral section media and location, form and distribution of geological abnormity body. Two-dimensional space exploration can be realized through drill holes combination with some advantages, such as accurate, visual, real and so on. These advantages are beyond compare with Single hole drilling, so the earthquake wave CT has broad prospects.

earthquake wave CT，detection between the drill holes，worked out section prospecting

P631.5:TP391

A

1006-5296（2014）03-0190-03

时彦芳（1983～），男，现主要从事测绘、物探及相关地质工作，硕士，工程师

2013-12-20；改回日期：2014-06-23