专利名称：一种震电隧道地质探测预报方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种震电隧道地质探测预报方法及装置，属于应用地球 物理学震电原理电法探测技术领域，尤其涉及用于爆破掘进施工的掘进 面周围含水体或其他不良地质体的震电电法探测与预报技术。
技术背景隧道施工地质探测预报是隧道施工地质工作最主要的任务，隧道施 工地质预报的主要内容包括破碎带、溶洞、地下水、煤系地层及其他不 良地质体在爆破掘进面周围空间一定范围的出露位置和对施工的影响。现有隧道施工地质预报方法主要有工程地质调査法、超前水平钻探 法、超前导洞法和地球物理方法。工程地质调查法是隧道施工超前地质 预报中使用最早的方法。该方法是通过调査与分析地表和隧道内的工程 地质条件，了解隧道所处地段的地质结构特征，推断前方的地质情况。 这种预报方法在隧道埋深较浅、构造不太复杂的情况下有很高的准确性， 但是在构造比较复杂地区和隧道深埋较大的情况下，该方法工作难度较 大，准确性较差。超前水平钻探法和超前导洞法是与隧道平行或沿隧道 正洞轴线开挖超前导洞，直接探明前方的地质情况。这种方法准确率高， 但费用昂贵。地球物理方法中，用于隧道地质探测的方法主要有波法、温度场法和电阻率法[1][2]。波法中使用较多的是地震波法中的TSP法^ (隧道地震 波地质预报)和电磁波法中的地质雷达法[4]。 TSP法一次预报的距离较 长，对断层破碎带构造预报准确度较高，但工作时需要占用施工时间， 对含水体反映不灵敏，信号易受干扰。地质雷达法对断层破碎带预报有 较高的准确性，对岩溶预报有一定的准确性，但在隧道地质预报时，需 要占用施工时间，预测的距离较短，在隧道内不方便布置，影响因素多， 多用于地表探测；电阻率法中的高密度电法对含水构造判定较好，能预 报断层破碎带，但工作时需要布置多个电极，在隧道中受施工现场空间 的限制，很少采用。 检索文献1"公路隧道施工超前地质预报技术方法研究现状综述"，原载杂志 "公路交通科技"，2005，22(9):126 128, 136;作者张志龙， 王兰生，王跃飞。2"隧道及地下工程超前地质预报技术"，原载杂志"隧道建设"， 2005， 25(3) :9 11;作者齐传生。3"TSP2003地质超前预报系统简介及其应用"，原载杂志"铁道工程学报"，2004， (4):27 30;作者史柏生。4"地质雷达在公路隧道短期地质超前预报中的应用"，原载杂志 "岩土力学"，2003,24 (增l) :154 157;作者吴俊，毛海和，应松等。以上这些地球物理方法都是一种间断性的地质探测方法，无法现场 获得探测前方的地质情况，信号分析难度大，结果存在多解性，常采用 的措施是多种方法结合使用，但这样又大大增加了地质预报费用。 发明内容本发明的目的是提出一种震电隧道地质探测预报方法及装置，通过 这种方法，可以现场探测预报爆破掘进面周围空间一定范围的地质情况， 对含水体等危险地质体实时预报。本发明的技术方案本发明的震电隧道地质探测预报方法具体步骤 如下1) 测量爆破所致的振动强度信号、地电信号和/或电磁信号；2) 根据振动信号来归一化地电信号和/或电磁信号；3) 利用归一化的地电信号和/或电磁信号作为探测预报参量，与预置 的多种目标体模型的探测预报参量数值范围相比较，以所落入的参量数 值范围来识别目标体对象地质灾害预报等级。所述方法，步骤1)用一个地震传感器来测量爆破产生的振动强度 信号；用两对不极化电极相互垂直布置，来测量爆破产生的地电信号， 和/或用线圈来测量爆破产生的电磁信号。所述方法，步骤1)采用地震传感器、不极化电极和线圈接收的爆 破前、中、后三个阶段的振动强度信号、地电信号和/或电磁信号；2) 根据振动信号来归一化三个阶段的地电信号和/或电磁信号；将 爆破中的地电信号和/或电磁信号减去爆破前的地电信号和/或电磁信 号；将爆破后的地电信号和/或电磁信号减去爆破前的地电信号和/或电 磁信号；3) 利用步骤2)所得的两个差值，来与预置的多种目标体模型的探 测预报参量数值范围相比较，得到对应的目标体地质灾害预报等级参数。所述方法，步骤1)用两对不极化电极相互垂直布置来测量爆破产 生的地电信号，取其中大的地电信号作为识别目标体对象地质灾害识别 参数。两对不极化电极呈"+ "型布置最佳。一种震电隧道地质探测预报装置，包括信号接收部分、信号预处理 部分、信号采集部分、中央处理单元、输出部分和电源模块，信号接收 部分包括测量振动强度的地震传感器，测量地电信号的不极化电极和/或测量电磁信号的线圈；信号接收部分与信号预处理部分连接，信号预 处理部分通过信号采集部分与中央处理单元连接；中央处理单元与输出 部分连接。所述震电隧道地质探测预报装置，测量地电信号的不极化电极包括 相互垂直布置的两对不极化电极。所述震电隧道地质探测预报装置，测量地电信号的两对不极化电极 呈"+ "型布置。所述震电隧道地质探测预报装置，信号预处理部分通过电缆与信号 采集部分和中央处理单元连接。所述震电隧道地质探测预报装置，输出部分包括显示器和报警器。 本发明的有益效果应用本发明可以实现在用爆破法掘进施工的工程中，如隧道、巷道 等，利用爆破产生的震电效应进行地质探测预报。相比于现有的地质预 报设备，本发明的有益效果主要表现在(1) 在用爆破法施工的场地，利用爆破产生的震电效应进行地质探测 预报，不需要任何其它激震和钻孔，不增加任何额外的工程量，简单易 行。(2) 利用归一化的动电效应和电磁辐射效应来判定探测的有害地质 体，可提高判定准确率。(3) 利用爆破前、爆破、爆破后三阶段的地电信号和电磁信号效应综 合判定探测的有害地质体，可提高判定准确率。(4) 地震传感器观测爆破能量，不极化电极观测地电信号值，线圈观 测电磁信号值，信号放大器对这些信号进行放大，现场主机实现控制、 同步数据采集、分析处理和自动进行地质灾害预报。
图1是本发明装置硬件系统逻辑框图。 图2是现场信号接收部分布置示意图。 图3系统工作过程流程图。 图4现场软件工作流程图。
具体实施例方式参照图1、图2、图3和图4，说明本发明实施例的系统组成、硬件 逻辑和工作流程。图1给出震电隧道地质探测预报装置:现场部分包括信号接收部分、信号预处理部分和现场主机。信号接收部分包括不极化电极对1、不极化电极对2、地震传感器3、线圈4;测量地电信号的两对不极化电极呈"+ "型布置。信号接收部分与信号预处理部分5连接。信号预处理部分5主要是放大器组。信号 预处理部分通过数据采集处理模块7的A/D转换与中央处理单元8连接。不极化电极对1和不极化电极对2垂直布置在地面。地震传感器3 和线圈4布置在电极附近。信号预处理部分5布置在信号接收部分近侧， 通过导线与各传感器连接。现场主机6放置在安全位置，通过电缆与预 处理部分5连接。现场主机6包括内置的数据采集处理模块7 、中央处理单元8和电源接口 9。数据采集模块7的输入端与信号预处理部分5的输出端通过电缆连 接，实现对模拟信号的采集，转换后的数字信号进入中央处理单元的数 据总线。中央处理单元8包括中央处理器，如高性能的单片机微处理器 (MCU)、数据处理芯片(DSP)或中央控制器(CPU)等；中央处理器的 输入端与系统总线连接，中央处理单元的输出与存储器、键盘鼠标、显 示与打印电路、网络接口等连接。电源模块9提供系统所需的各种电源。输出部分包括显示器和报警器。本实施例的信号接收部分布置示意图如图2，探测方向为爆破工作面周围方向，各传感器布置位置与爆破工作面 的距离以爆破不会造成传感器的损坏为宜。主机可放置在隧道爆破面 100至200米外等安全位置。整个系统工作过程如图3、图4所示，现场探测预报软件流程如图4 所示。在进行现场测试前，根据现场施工具体情况安装好信号接收部分 各传感器和信号预处理部分，并将各部件正确连接。在爆破准备工作完 成后，启动现场主机。步骤1)用一个地震传感器来测量爆破产生的振动强度信号；用两 对不极化电极相互垂直布置，来测量爆破产生的地电信号，和/或用线圈 来测量爆破产生的电磁信号。采用地震传感器、不极化电极和线圈接收 的爆破前、中、后三个阶段的振动强度信号、地电信号和/或电磁信号; 对两对不极化电极相互垂直布置来测量爆破产生的地电信号，取其中大 的地电信号作为识别目标体对象地质灾害识别参数。2) 根据振动信号来归一化地电信号和/或电磁信号；3) 利用归一化的地电信号和/或电磁信号作为探测预报参量，与预置的多种目标体模型的探测预报参量数值范围相比较，以所落入的参量数 值范围来识别目标体对象地质灾害预报等级。利用步骤2)所得的两个差值，来与预置的多种目标体模型的探测 预报参量数值范围相比较，得到对应的目标体地质灾害预报等级参数。爆破结束后继续信号采集一定时间，停止信号采集。探测预报软件 自动计算爆破前、中、后各阶段的地电值、振动强度值和电磁值，并根据振动强度对地电值和电磁值进行归一化，根据归一化结果与预置的不 同目标的地电值和电磁值相比较，识别目标体。若探测前方有含水体则 报警，有其他危险地质体则突出显示。
权利要求
1.一种震电隧道地质探测预报方法，具体步骤如下1)测量爆破所致的振动强度信号、地电信号和/或电磁信号；2)根据振动信号来归一化地电信号和/或电磁信号；3)利用归一化的地电信号和/或电磁信号作为探测预报参量，与预置的多种目标体模型的探测预报参量数值范围相比较，以所落入的参量数值范围来识别目标体对象地质灾害预报等级。
2. 根据权利要求l所述方法，其特征在于-步骤1)用一个地震传感器来测量爆破产生的振动强度信号；用两 对不极化电极相互垂直布置，来测量爆破产生的地电信号，和/或用线圈 来测量爆破产生的电磁信号。
3. 根据权利要求1或2所述方法，其特征在于-步骤1)采用地震传感器、不极化电极和线圈接收的爆破前、中、 后三个阶段的振动强度信号、地电信号和/或电磁信号；2) 根据振动信号来归一化三个阶段的地电信号和/或电磁信号；将 爆破中的地电信号和/或电磁信号减去爆破前的地电信号和/或电磁信 号；将爆破后的地电信号和/或电磁信号减去爆破前的地电信号和/或电 磁信号；3) 利用步骤2)所得的两个差值，来与预置的多种目标体模型的探 测预报参量数值范围相比较，得到对应的目标体地质灾害预报等级参数。
4. 根据权利要求1或2所述方法，其特征在于步骤l)用两对不 极化电极相互垂直布置来测量爆破产生的地电信号，取其中大的地电信 号作为识别目标体对象地质灾害识别参数。
5. 根据权利要求3所述方法，其特征在于步骤1)用两对不极化电极相互垂直布置来测量爆破产生的地电信 号，取其中大的地电信号作为识别目标体对象地质灾害识别参数。
6. —种用于权利要求1 5之一所述方法的震电隧道地质探测预报 装置，包括信号接收部分、信号预处理部分、信号采集部分、中央处理 单元、输出部分和电源模块，其特征在于信号接收部分包括测量振动 强度的地震传感器，测量地电信号的不极化电极和/或测量电磁信号的线 圈；信号接收部分与信号预处理部分连接，信号预处理部分通过信号采 集部分与中央处理单元连接；中央处理单元与输出部分连接。
7. 根据权利要求6所述震电隧道地质探测预报装置，其特征在于 测量地电信号的不极化电极包括相互垂直布置的两对不极化电极。
8. 根据权利要求6或7所述震电隧道地质探测预报装置，其特征在于测量地电信号的两对不极化电极呈"+ "型布置。
9. 根据权利要求6或7所述震电隧道地质探测预报装置，其特征在 于信号预处理部分通过电缆与信号采集部分和中央处理单元连接。
10. 根据权利要求6或7所述震电隧道地质探测预报装置，其特征在于输出部分包括显示器和报警器。
全文摘要
本发明公开一种震电隧道地质探测预报方法及装置，用一个地震传感器来测量爆破产生的振动强度信号；用两对不极化电极相互垂直布置，来测量爆破产生的地电信号，和/或用线圈来测量爆破产生的电磁信号。采用地震传感器、不极化电极和线圈接收的爆破前、中、后三个阶段的振动强度信号、地电信号和/或电磁信号；对两对不极化电极相互垂直布置来测量爆破产生的地电信号，取其中大的地电信号作为识别目标体对象地质灾害识别参数。根据振动信号来归一化地电信号和/或电磁信号；利用归一化的地电信号和/或电磁信号作为探测预报参量，与预置的多种目标体模型的探测预报参量数值范围相比较，以所落入的参量数值范围来识别目标体对象地质灾害预报等级。
文档编号G01V1/00GK101226240SQ20081004683
公开日2008年7月23日 申请日期2008年1月31日 优先权日2008年1月31日
发明者刘小娟, 刘峻江, 刘春生, 夏代林, 孟红霞 申请人:武汉长盛工程检测技术开发有限公司