我国因地下矿产资源开采形成了大量的采空区，采空区的形成改变了原有的地质构造和地应力场，不及时处置会引发地面塌陷和地裂缝等地质灾害。因此，查明老旧和现有采空区的位置、埋深和形态，研究采空区引发地表塌陷的可能机制，可以为采空塌陷的恢复治理和采空塌陷预警工作提供技术支撑。

由于采空区破坏了原有地层，场地周边环境复杂，提高了地球物理勘探难度，常规的探测方法对施工条件要求高且探测效果较差。近年来地震成像技术得到了广泛发展，已被广泛应用于地下构造探测。主动源面波和微动勘探方法已经在采空区探测中得到应用，并取得了一些成果，但是基于台站互相关的背景噪声面波走时成像和微地震走时成像等在采空区探测中应用较少。因此，系统的研究各种地震成像技术在采空区探测中的应用效果具有重要意义。基于线型台阵的ESPAC方法微动成像、基于密集台阵互相关的背景噪声面波走时成像和微地震走时成像技术、基于相移法和拉东变换方法的主动源面波成像等地震成像技术在采空区探测中的应用。为检验地震成像技术在采空区勘探中的成效，以安徽马鞍山钟九铁矿、定远东兴盐矿、凤台磷矿等不同矿山的采空区为研究对象，较为系统地研究了不同地震成像技术在这些矿山采空区探测中的应用效果及适宜性。

马鞍山钟九铁矿是典型的金属矿山，采空区的围岩为岩浆岩。利用线型密集台阵采集数据，首次联合应用扩展空间自相关（ESPAC）成像技术和台站自相关方法成功探测出矿山的废弃巷道，表明基于ESPAC方法的面波成像技术和台站自相关方法在矿山空腔探测中的潜力。

图1 使用SPAC方法获得的2号线二维Vs剖面和相应的台站自相关结果（低速异常区为巷道位置）。黑色箭头表示钻孔结果。绕射波由蓝色虚线标记，具有绕射波的道集显示为红色。

定远东兴盐矿是典型的非金属矿山，采空区的围岩虽然为层状沉积岩，但是地质构造复杂。利用120个台站布设长宽均为3km的密集台阵，采集了约一个月数据，开展背景噪声成像工作，结果表明基于密集台阵的背景噪声成像成功地探测出水溶型盐矿开采产生的溶腔。同时充分利用密集台阵接收到的定远盐矿开发时诱发的微地震数据，对微震数据采用基于深度学习的方法进行预处理。先使用CNNDetector检测地震事件，再使用PhaseNet拾取到时，之后用Rapid Earthquake Association and Location (REAL)进行初定位。最后使用双差层析成像（tomoDD）进行重定位和P波走时成像，获得了以定远盐矿Rt2溶腔为中心的附近地层横波速度，同时对比分析了背景噪声成像、微震走时成像和三维地震勘探的研究成果及它们之间差异。

图2 背景噪声成像和地震B-B’剖面对比图

凤台磷矿是非金属矿山，采空区的围岩为块状的沉积岩。充分利用之前开展二维地震勘探时采集的炮集数据，研究了基于相移法和拉东变换法的主动源面波成像技术在凤台磷矿采空区探测的效果。为对比分析主被动源面波勘探的成像差异，同时在主动源测线位置布设了一条基于ESPAC方法的线型密集台阵。此外，也对比分析了主被动源的成像结果和高密度电法、二维地震及地震映像的成果差异，结果表明基于ESPAC方法的线型密集台阵可以有效探测磷矿采空区。

图3（a）基于相移法获得的1线横波速度图；（b）基于拉东变换法获得的1线横波速度图;（c）:基于ESPAC方法获得的1线横波速度图；（d）1线浅层地震剖面图；（e）2线高密度电法剖面图；（f）2线地震映像剖面图

三个典型采空区探测的研究结果表明：在高频噪声源丰富的情况下，通过布设一个线性台阵，采集若干小时的背景噪声数据，可以使用基于ESPAC方法的噪声成像和台站自相关方法开展0-200m深度的采空区探测工作。针对地质条件复杂的在产矿山，可以通过布设一个密集台阵，采集一个月左右的背景噪声数据和微震数据，充分利用密集台阵的数据同时开展背景噪声面波走时成像、微地震走时成像、微动成像等工作。密集台阵的成像结果表明背景噪声面波走时成像结果要优于微地震走时成像和微动成像结果。基于主被动源的面波成像结果表明，在高频噪声源丰富的情况下，被动源面波成像结果总体优于主动源面波成像。在高频噪声源较差的情况下，通过基于相移法和拉东变换法的主动源面波成像可以开展0-100m深度的采空区探测工作。从这些不同矿山的综合应用效果可以看出基于背景噪声的被动源地震成像技术是一种有效的探测矿山采空区的手段。

在地震成像的基础上，我们针对定远盐矿，初步建立了因采矿诱发的地表塌陷模型。根据定远盐矿多期的三维地震资料、微地震监测资料、地面沉降观测资料和地震成像资料对定远盐矿典型溶腔的发育到诱发地表塌陷的过程进行了详细划分，分析了不同阶段溶腔顶上升的速率和微震规律及地表形变特征，为地面塌陷的预警和矿山的安全生产提供技术支持和保障。另外根据凤台磷矿地质和物探及钻探结果，分析了凤台磷矿因采矿诱发地表塌陷的成因，为塌陷后期的恢复治理提供了技术支持。

撰稿：王康东

核稿：戚玉菡