SSP地震散射剖面技术在高速水塘隧道采空区探查应用

SSP隧道超前预报技术探测贵州毕威高速水塘隧道煤矿采空区的实例。SSP技术是以地震散射理论为基础，来源于TST隧道超前预报技术的，其观测系统设置于隧道内部。在用于煤矿采空区探测时可以采用地表观测方式，从地表向地下探测。水塘隧道所处地区地质条件复杂，断裂构造发育，煤层薄而断续分布，反射地震无法追踪层位。使用同度物探SSP散射地震技术和锤击震源，查清了埋深120m范围内煤层、顶底板和采空区的分布，并得到开挖验证。

工程概况及预报方法的选择

贵州省毕威高速水塘隧道为高瓦斯隧道，其中出口端地表边坡坡度大，横向起伏变化剧烈，在隧道施工范围内既有采空区多处，分布错综复杂。施工中多处遇到高瓦斯地层、采空区、洞身断层破碎带及涌突水等现象，区域地质条件复杂，施工难度大。因此，水塘隧道出口端超前地质预报工作的重点就集中在探明采空区与隧道的空间区位关系，进而对潜在的施工中瓦斯聚集突出、涌水、涌泥等问题提出推测结论。

由于本隧道施工过程中，隧道内瓦斯浓度较高，在洞内大规模进行电磁法（诸如瞬变电磁法、地质雷达法等）进行超前地质预报存在一定的安全隐患；加之受施工方案控制，二次衬砌至掌子面距离保持在50米以内，没有足够的空间与距离进行相关弹性波法（诸如TST法、TSP法等）的测试。况且，传统地震反射、折射、面波等勘探方法都不能适应该隧道地表地形变化大、地质结构横向不连续的场合。因此，本隧道出口端超前地质预报测试工作，不宜主要在隧道内开展。

在地表进行测试的诸多方法中，最常用的有地质雷达法、高密度电法与瞬变电磁法。地质雷达配合低频天线试结果精度较高，往往可以取得较好的效果，然而其有限的探测深度局限了其使用；高密度电法同样受布线长度要求不适合本场区而存在这种局限性；而瞬变电磁法的探测深度完全可以满足本工程的测试要求，在场地勘察等项目中得到了很好的应用，但其测试精度并不能满足指导隧道施工的要求。

因此，本次水塘隧道出口端的地质灾害勘查主要采用了SSP地震散射剖面技术。为便于描述，文中称之为SSP地震散射技术。

SSP技术在采空区探查的数据采集

水塘隧道煤矿采空区的勘探，采用北京同度工程物探技术有限公司开发的SSP勘查系统，包括地震仪、检波器、信号线缆，及资料处理软件系统。

勘查沿水塘隧道出口段地表布置，24个检波器，间距3m，激发点距6m，采用锤击震源。共布置7个排列，编号p1到p7，组成2条纵向剖面和3条横向剖面。2条纵向剖面沿左右隧道轴线布置，排列p1和p2首尾相接，沿左侧隧道轴线布置； 排列p5沿右侧隧道轴线布置。3条横向剖面，垂直隧道走向，控制两隧道中间地区。由左到右分别为排列p3、p4和p6+p7。各剖面位置见图1，测线编号、长度等数据如表1。

图1 水塘隧道出口边坡勘测布置示意图

表1 测线布置位置与参数表

SSP的资料处理技术

采用SSP软件系统对资料进行处理，理论基础是反射+散射混合模型，数据对象包括反射波和散射波。主要处理过程包括：观测系统坐标编辑、数据预处理、空间方向滤波、围岩波速分析、地质体偏移成像、剖面三维拼接、综合地质解释等环节。其中关键技术包括方向滤波、速度扫描和地质体偏移成像三个步骤。这里对其要点进行简单介绍。

方向滤波是一种空间滤波技术，它是实现波场分离的有效手段。方向滤波是利用不同方向传播的地震波在观测记录中具有不同的视速度这一特征，因此也称视速度滤波。常用的方向滤波技术有F-K变换和τ-P变换，对于线性同相轴的地震记录，两者的作用相同。在SSP技术中采用F-K变换滤波技术。在超前预报中地震观测在隧道中，沿轴线两侧布置，对这种地震记录方向滤波的目的是要滤除来至地表和地层的侧向波和隧道表面波，保留前方回波，避免虚报误报。在煤矿采空区探测中是采用地表观测方式，要滤除地表面波和直达波，保留地下反射和散射回波。两种情况下虽然都采用相同的滤波技术，但要滤除和保留的波场是不同的，因而滤波参数的选取也完全不同。采空区的散射信号比较弱，如果不采用方向滤波手段滤除面波干扰，采空区很难突显出来。

波速扫描的目的是确定地下介质的波速分布，为地震波时间记录转化为深度剖面做好准备。地面观测包含了不同偏移距的资料，为波速分析提供了很好的条件。散射波的走时规律与反射波不同，不能用反射波的中心点道集的速度扫描方法。在SSP技术中建立起与合成孔径偏移成像配套的叠加能量最大化原理，同时考虑反射层和散射点，判断速度最优值。

SSP的地质偏移成像是采用合成孔径深度偏移成像技术，对地质介质的散射强度α(r)成像。偏移成像使用的资料是经过方向滤波处理后的地震数据和速度扫描得到的速度分布。偏移中地震波的走时信息，用于确定散射体的位置，幅值与极性用来确定介质的散射强度，用以表征岩土介质的力学性状，即模量的分布特征。散射强度正表示异常体波速高、模量高、强度高，反之波速低、强度低、松散。煤矿采空区的散射强度为负，表现为强烈的低波速、低强度特点，易于识别。

采空区的勘查结果与解释

地震散射资料的处理得到散射强度分布图像，它反应了地质结构和采空区的分布。3个横剖面和2个纵剖面的勘探结果展示在剖面图2与筛状图3中。图中横坐标代表水平里程，纵坐标代表深度，不同的颜色代表不同的波速界面。勘测结果表明，区内存在三个低速层，对应三个煤系地层，埋深从10m到80m。受构造影响，煤层横向连续性差，断续分布。这一结果与前期的地质勘查结果一致。区内共发现13个采空区，其中有5个采空区与隧道相交，可能对施工和安全产生影响，导致坍塌、涌水和瓦斯突出等地质灾害。

测试地质解释及开挖验证

（1）两条纵剖面的勘测结果

左侧隧道P1-P2剖面图中显示存在三个低速层，产状顺坡倾斜，推测为煤层及采空区，该采空区与隧道相交的煤层位置在ZK108+728～ZK108+748里程，采空区在ZK108+748～ZK108+798，ZK108+798～ZK108+818里程。这一结论得到隧道开挖的证实，当隧道开挖到ZK108+758～ZK108+788段拱顶揭露煤渣、废弃枕木等，为采空塌陷区；开挖至ZK108+797～ZK108+800段掌子面范围内穿越采空区。

右侧隧道P5剖面图中显示里程YK108+818～YK108+858段隧道位置上方存在采空区、松动层，其中YZK108+818～YK108+838段隧道穿越煤层。隧道开挖中揭露YK108+818～YK108+858范围内发育中厚煤层，大角度超前钻探验证隧道上方存在采空区；YK108+814～YK108+818段开挖中发生冒顶，涌水量大。上述探测结果得到了开挖证实。

（2）三条横剖面勘探结果

P3为左侧横剖面，在山体最上方，偏移图像内未发现煤层与采空区。实际开挖施工中未受采空区影响，正常通过。

P4测线显示在YK108+798处隧道右斜上方，距隧道顶板约5米。实际开挖施工中YK108+814～YK108+818受到采空区影响，形成冒顶，涌水量大。探测结果基本准确。

P5测线显示在YK108+818～YK108+858段，隧道顶板上方存在既有采空区，其中YZK108+818～YK108+838段隧道穿越煤层软弱区。实际开挖施工中YK108+818～YK108+858段，掌子面范围内发育中厚层煤，大角度超前钻探验证拱顶上方存在采空区，预报基本准确。

P6-P7测线显示在ZK108+832处穿越采空区等软弱区域。实际开挖施工中ZK108+827～ZK108+832段，拱顶处见煤渣，结构局部失稳险形成冒顶，该段预报基本准确。

这项研究表明散射地震技术比反射地震技术更适合山区复杂地质条件的地震勘探，为山区的地震勘探探索出一条新的途径。