专利名称：一种以掌子面放炮为震源的隧道超前地质预报方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种人工地震波的采集和处理技术领域，更具体涉及一种以掌子面放炮为震源的隧道施工超前地质预报方法，同时还涉及一种以掌子面放炮为震源的隧道施工超前地质预报装置，适用于交通、水利、矿山行业地下洞室开挖的不良地质体超前地质预报。
背景技术：
随着我国水电、交通、矿山等行业工程建设的迅猛发展，越来越多的隧道(公路、铁路、地铁等)、巷道等地下洞室修建在地质环境复杂的岩层中。地下洞室因其隐蔽性和地质环境的复杂性，在前期勘察阶段无法完全弄清地质情况，包括误判和未发现的不良地质体，导致施工中实际开挖与勘察报告出入较大的情况屡见不鲜。在复杂地质条件下隧道、巷道等洞室开挖中，由于前方地质条件不清，不能提前做出预防，坍塌、冒顶、涌水、突泥等地质灾害时有发生，造成的财产损失和人员伤亡巨大，因此，施工期开展超前地质预报工作尤为重要。目前国内外对人工地震法地质预报已有较系统的研究，但在震源产生方式、检波器器布置方面尚需进一步提高，国内外已有技术主要存在以下不足:
1.震源产生方式
震源的目的在于产生一个能量足够大的人工地震波，确保反射波的能量足够大且实施方便。目前，隧道超前地质预报实践中，震源的产生都需要先在洞室侧壁钻孔24个，然后在钻孔内布设炸药卷，炸药量一般在50g-200g，通过依次引爆炸药来产生人工地震波震源。钻孔和装药耗时2个小时以上，而且需要暂停洞内施工。由于炸药量较小，产生的人工地震波能量较小，反射波的能量有限，将影响地质预报的预报距离(一般150m，不超过200m)。因此，非常有必要对震源产生方式进行改进，提高预报距离。
2.传感器布置方式
超前地质预报中的传感器用于接收激发的人工地震波及其反射波。当前，国内外最常用的做法是美国 Amberg Technologies 在 TSP (Tunnel Seismic Prediction)系列超前预报系统中提出的，这种方法将传感器放置于洞室两边测壁的钻孔底部。为了减少外界干扰，必须使传感器和钻孔紧密贴合，Amberg Technologies要求先将特制的无缝钢套管牢固、紧密的固定在钻 孔内，然后将检波器放入套管内。目前人工地震法地质预报距离有限(不超过200m)，这样随着洞室的开挖，每隔一段距离就需要做一次预报，这要求再次钻孔、装置炸药并布置检波器，且检波器套管为一次性耗材，价格昂贵。因此，有必要优化传感器布置方式，使预报工作变得高效、简单且费用低廉。
经检索有一种钻爆法施工中利用爆破信号超前地质预报装置及使用方法被公开，专利申请号为:201210139178.5，其技术方案是:12个检波器分别埋设于隧道侧壁钻孔中，当接受到反射信号时，检波器将接受的信号传输到信号分离器，信号分离器将模拟信号传输到A/D转换器，A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，然后送入单片机，单片机通过已经输入的功能程序将数字信号呈现在上位机上。
该技术方案有一下不足:
1.采用检波器数量较多，每次实施的钻孔工作会影响隧道内施工，占用施工时间。
2.大量研究表明，检波器与钻孔的耦合良好与否，严重影响采集的信号质量，该方案检波器的埋设方式可以进一步改善。
3.地下洞室的空气污浊、潮湿，环境恶劣，在洞室内采集数据不利于操作人员健康，而且当掌子面爆破时，会威胁操作人员安全，有必要改善操作人员工作环境。发明内容
本发明的目的在于提供了一种以掌子面放炮为震源的隧道超前地质预报的方法，该方法操作简便，不占用施工时间、费用低廉，可用于隧道、洞室、井巷等地下空间的超前地质预报，实现地质预报的自动化和常态化。
本发明的另一个目的是在于提供了一种以掌子面放炮为震源的隧道超前地质预报的装置，结构简单，固定了传感器位置，充分利用了洞室开挖爆破产生的高能地震波，无需多次钻孔和装药，取消 了套管，采用无线传输，将现场操作放在洞室外部的工作室内，改善了工作环境，减小了作业风险，提高了预报工作效率，降低了费用，可以满足各类洞室的长距离超前地质预报需求。
为了实现上述目的，本发明采用下述技术方案:
一种以掌子面放炮为震源的隧道超前地质预报的方法，其步骤是:
1.在隧道内进口处两侧壁上各打一个钻孔，钻孔与洞室底板平行且与洞室走向垂直，钻孔深2m，两个钻孔深度都为2m，第一三分量检波器的埋设入钻孔方法是:先在钻孔内部填充黄油作为第一三分量检波器和钻孔的耦合剂，用力按压使得两个第一三分量检波器与钻孔相连(紧贴)，黄油填充量以保证第一三分量检波器与钻孔紧贴无空隙，充满钻孔为宜。第二三分量检波器的埋设入钻孔方法与第一三分量检波器的埋设方法相同。钻孔直径以能方便放入传感器为宜。
2.使用普通工业黄油(3#锂基润滑脂)作为耦合剂填充到钻孔内部，将两个三分量检波器分别埋设在二个钻孔底部，使检波器和钻孔壁紧密贴合，耦合在一起。
3.将触发回路铜导线缠绕在炸药卷上，放入掌子面炮孔内，铜导线另外两头连接信号采集系统，在掌子面放炮掘进时将产生人工地震波，炸断铜导线，触发信号采集系统记录爆炸时间点。
4.产生的人工地震波在掌子面前方传播，当岩性改变时，人工地震波会在地质界面产生反射。
5.埋设在隧道洞口的两个三分量检波器接收到反射地震波信号时，两个三分量检波器将信号送入多路开关。
6.信号经过多路开关选择后，送到放大器。
7.放大器将信号放大后传输给A/D转换器。
8.A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，通过接口与无线通讯模块相连接，向洞室外的控制室发送无线信号。
9.控制室的无线通讯模块接收到无线信后并传输给主机，主机接收并记录信号。主机通过接口与无线通讯模块连接，将控制命令发送到信号采集单元。
10.通过主机内已经安装处理程序，对已经记录的数字信号分析，来预测掌子面前方围岩情况，从而实现工地震法地质预报。
下面结合图3的数据采集流程，对步骤5 步骤10所述的信号采集过程，做进一步说明:
1.首先对打开主机12，对各个串口进行初始化。
2.通过主机12，设置数据采集的参数，发送采集指令，等待爆破触发采集。
3.爆破触发米集系统后，米集系统自动米集数据。
4.采集的数据按照一定格式在主机12上显示并保存。
主机处理数字信号的步骤(见图4)是:
I)首先读取已经采集的记录，然后通过道集编辑实现对多次采集信号中的坏道切除和有效数据段截取，使此后的处理重点突出。
2)由于地震波以球面向外传播、扩散，这一过程会中地震波振幅随传播距离而减小，所以需要补偿球面几何扩散造成的振幅损失，使其保持相对真振幅，球面扩散真振幅恢复模块可以实现波前球面扩散真振幅补偿。
3)经振幅补偿的地震波，通过频谱分析可以得出有效波和干扰波的频率范围，再使用带通滤波，提取信号的主频带、滤除高频和低频干扰信号，提高信噪比，减小干扰信号。
4)初始拾取用于确定地震波的初至时刻，为此后的数据处理提供可靠参数。
5)因每次激发产生的地震波能量不在同一量级，为了在偏移成像时，使叠加各道能量贡献一致，需要对各道间能量进行均衡。同样，同一道数据由于接收时间的推移，反射能量逐渐减小，远处和近处的能量不均衡，需要道内均衡，使弱能量信号能够清晰呈现。
6)能量均衡后的信号，通过滤波剔除和压制声波、面波、直达波等的干扰，提取具有负视速度特征的有效反射波。
7)提取的反射有效波，是一个三分量的数据，转换波分离可以先分离出在水平平面内震动的剪切波SH，然后分离出压缩波P波和在垂直平面内震动的剪切波SV波。
8)分离出的三分量信号还需要进行反Q滤波，其目的在于补偿由于大地滤波作用造成的振幅和频率衰减，反Q滤波通过校正子波相位的拉伸效应来实现。
9)速度分析通过计算直 达波波速和对时距曲线方程进行迭代计算，得到掌子面前方岩土体的地震波波速剖面，获取地震波波速得到岩土体力学参数等重要指标。
10)深度偏移是在速度分析的基础上，对振幅进行叠加，得到最终的从时间域到空间域的深度偏移图。由深度偏移图可以分析掌子面前方地质界面的形态、大小等性状。
11)综合速度分析和偏移图可以得到洞室掌子面前方的岩土体的力学参数，地质界面形态、大小等信息，从而预报掌子面前方的不良地质体、软弱界面等地质情况。
一种以掌子面放炮为震源的隧道超前地质预报的装置，它包括三个部分:信号采集系统、无线通讯系统和控制及数据分析系统。信号采集系统由三分量检波器(a、b两个，XR96HX-PZT-SFL/5库号:M317259，满足表I中具体指标的其他型号也可)、多路开关(ADG509)、放大器(PGA207)、A/D转换器(AD9760)、信号线(具有屏蔽特性)和触发回路铜导线(线号38号，直径0.15mm)组成，无线通讯系统由无线电通讯模块(a、b两个，RF4432F27)组成，控制及数据分析系统由主机(电脑配置不低于惠普HP Pavilionp6-1291cn，WINDOWS XP及以上版本)和控制分析程序组成。
其特征在于:信号采集系统由第一三分量检波器和第二三分量检波器、多路开关、放大器、A/D转换器、信号线和触发回路铜导线组成，无线通讯系统由第一无线通讯模块相连，第二无线电通讯模块组成，控制及数据分析系统由主机和控制分析程序组成，第一三分量检波器和第二三分量检波器分别埋设在洞室内两个侧壁的第一钻孔和第二钻孔中，第一钻孔和第二钻孔与洞室的底板平行与洞室的走向垂直，两个钻孔深度都为2m，第一三分量检波器的埋设入钻孔方法是:先在钻孔内部填充黄油作为第一三分量检波器和钻孔的耦合剂，用力按压使得两个第一三分量检波器与钻孔相连(紧贴)，黄油填充量以保证第一三分量检波器与钻孔紧贴无空隙，充满钻孔为宜。第二三分量检波器的埋设入钻孔方法与第一三分量检波器3a的埋设方法相同。触发回路铜导线缠绕在炸药卷上，放入掌子面的炮孔内，触发回路铜导线另外两头连接A/D转换器。第一三分量检波器和第二三分量检波器与多路开关相连，放大器分别与多路开关和A/D转换器相连，第一无线电通讯模块通过RS232接口与A/D转换器相连，第二无线电通讯模块与主机相连。
所述的第一三分量检波器和第二三分量检波器与多路开关相连，放大器分别与多路开关和A/D转换器相连，第一无线电通讯模块通过RS232接口与A/D转换器相连，第二无线电通讯模块与主机12相连；
所述的多路开关、放大器、A/D转换器都固定在洞室内。
所述的第一无线通讯模块安装在洞口，主机与第一无线电通讯模块安装在洞室外面的控制室的室内。
所述的装置通过无线方式来实现信号和命令传输。
表I三分量检波器参数指标
权利要求
1.一种以掌子面放炮为震源的隧道超前地质预报的方法，其步骤是: 1)在隧道内进口处两侧壁上各打一个钻孔，钻孔与洞室底板平行与洞室走向垂直，钻孔深2m，钻孔直径大小以能方便放入传感器为宜；两个钻孔深度都为2m，第一三分量检波器(3a)的埋设入钻孔(2a)方法是:先在钻孔(2a)内部填充黄油作为第一三分量检波器(3a)和钻孔(2a)的耦合剂，用力按压使第一三分量检波器(3a)与钻孔(2a)相连，黄油填充量以第一三分量检波器(3a)与钻孔(2a)紧贴无空隙，充满钻孔(2a)，第二三分量检波器(3b)的埋设入钻孔(2b)方法与第一三分量检波器(3a)的埋设方法相同； 2)使用普通工业黄油为耦合剂填充到钻孔内部，将两个三分量检波器分别埋设在二个钻孔底部，使检波器和钻孔壁贴合，耦合在一起； 3)将触发回路铜导线缠绕在炸药卷上，放入掌子面炮孔内，铜导线另外两头连接信号采集系统，在掌子面放炮掘进时将产生人工地震波，炸断铜导线，触发信号采集系统记录爆炸时间点； 4)产生的人工地震波在掌子面前方传播，岩性改变，人工地震波在地质界面产生反射； 5)埋设在隧道洞口的两个三分量检波器接收到反射地震波信号，两个三分量检波器将信号送入多路开关； 6)信号经过多路开关选择后，送到放大器； 7 )放大器将信号放大后传输给A/D转换器； 8)A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，通过接口与无线通讯模块相连接，向洞室外的控制室发送无线信号； 9)控制室的无线通讯模块接收到无线信后并传输给主机，主机接收并记录信号，主机通过接口与无线通讯模块连接，将控制命令发送到信号采集单元； 10)通过主机内已经安装处理程序，对已经记录的数字信号分析，来预测掌子面前方围岩情况，实现工地震法地质预报。
2.根据权利要求1所述的一种以掌子面放炮为震源的隧道超前地质预报的方法，其特征在于:所述的步骤5) 步骤10)的信号采集过程是: a.首先对打开主 机，对各个串口进行初始化； b.通过主机，设置数据采集的参数，发送采集指令，等待爆破触发采集； c.爆破触发采集系统后，采集系统自动采集数据； d.采集的数据按照格式在主机上显示并保存。
3.根据权利要求1所述的一种以掌子面放炮为震源的隧道超前地质预报的方法，其特征在于:所述的步骤10)的数据处理程序，其步骤是: 1)首先读取已经采集的记录，通过道集编辑实现对采集信号中的坏道切除和有效数据段截取； 2)地震波以球面向外传播、扩散，这一过程中地震波振幅随传播距离减小，要补偿球面几何扩散造成的振幅损失，保持相对真振幅，球面扩散真振幅恢复模块实现波前球面扩散真振幅补偿； 3)经振幅补偿的地震波，通过频谱分析得出有效波和干扰波的频率范围，再使用带通滤波，提取信号的主频带、滤除高频和低频干扰信号，提高信噪比，减小干扰信号；4)初始拾取用于确定地震波的初至时刻，为数据处理提供靠参数； 5)每次激发产生的地震波能量不在同一量级，为了在偏移成像时，使叠加各道能量贡献一致，对各道间能量进行均衡，同样，同一道数据接收时间的推移，反射能量减小，远处和近处的能量不均衡，要道内均衡，使弱能量信号清晰呈现； 6)能量均衡后的信号，通过滤波剔除和压制声波、面波、直达波的干扰，提取负视速度特征的有效反射波； 7)提取的反射有效波，是一个三分量的数据，转换波分离先分离出在水平平面内震动的剪切波SH波，然后分离出压缩波P波和在垂直平面内震动的剪切波SV波； 8)分离出的三分量信号要进行反Q滤波，补偿大地滤波造成的振幅和频率衰减，反Q滤波通过校正子波相位的拉伸效应来实现； 9)速度分析通过计算直达波波速和对时距曲线方程进行迭代计算，得到掌子面前方岩土体的地震波波速剖面，获取地震波波速得到岩土体力学参数指标； 10)深度偏移是在速度分析的基础上，对振幅进行叠加，得到最终的从时间域到空间域的深度偏移图，深度偏移图分析掌子面前方地质界面的形态、大小性状； 11)综合速度分析和偏移图得到洞室掌子面前方的岩土体的力学参数，地质界面形态、大小信息，预报掌子面前方的不良地质体、软弱界面地质情况。
4.权利要求1所述的一种以掌子面放炮为震源的隧道超前地质预报方法的装置，它包括信号采集系统、无线通讯系统和控制及数据分析系统，其特征在于:信号采集系统由第一三分量检波器(3a)和第二三分量检波器(3b)、多路开关(14)、放大器(15)、A/D转换器(16)、信号线(10)和触发回路铜导线(9)组成，无线通讯系统由第一无线通讯模块(Ila)相连，第二无线电通讯模块(Ilb)组成，控制及数据分析系统由主机(12)和控制分析程序组成，第一三分量检波器(3a)和第二三分量检波器(3b)分别埋设在洞室(I)内两个侧壁(4)的第一钻孔(2a)和第二钻孔(2b)中，第一钻孔(2a)和第二钻孔(2b)与洞室(I)的底板平行与洞室(I)的走向垂直，触发回路铜导线(9)缠绕在炸药卷上，触发回路铜导线(9)另外两头连接A/D转换器(16)，第一三分量检波器(3a)和第二三分量检波器(3b)与多路开关(14)相连，放大器(15)分别与多路开关(14)和A/D转换器(16)相连，第一无线电通讯模块(IIa)通过RS232接口与A/D转换器(16)相连，第二无线电通讯模块(IIb)与主机(12)相连。
5.根据权利要求4所 述的一种以掌子面放炮为震源的隧道超前地质预报方法的装置，其特征在于: 第一三分量检波器(3a)和第二三分量检波器(3b)与多路开关(14)相连,放大器(15)分别与多路开关(14)和A/D转换器(16 )相连，第一无线电通讯模块(I Ia)通过RS232接口与A/D转换器(16)相连，第二无线电通讯模块(Ilb)与主机(12)相连； 所述的多路开关(14)、放大器(15)、A/D转换器(16)都固定在洞室内。
6.根据权利要求4所述的一种以掌子面放炮为震源的隧道超前地质预报方法的装置，其特征在于:所述的第一无线通讯模块(I Ia)安装在洞口，主机(12)与第一无线电通讯模块(Ila)安装在洞室(I)外面的控制室(13)的室内。
全文摘要
一种以掌子面放炮为震源的隧道超前地质预报的方法及装置，步骤1)在隧道内进口处两侧壁打钻孔；2)耦合剂填充到钻孔内，检波器和钻孔壁贴合；3)将触发回路铜导线缠绕在炸药卷上，放入掌子面炮孔内；4)；埋设在隧道洞口两个三分量检波器接收到反射地震波信号；5)信号经过多路开关选择后，送到放大器；6)放大器将信号放大后传输给A/D转换器，通过无线传输；7)控制室的无线通讯模块接收到无线信后传输给主机，记录信号；8)通过主机内已经安装处理程序，实现地质预报。装置包括信号采集、无线通讯和控制及数据分析系统。方法简便、费用低廉，可用于隧道、洞室、井巷地下空间的超前地质预报，实现地质预报的自动化和常态化。
文档编号G01V1/104GK103217703SQ20131012460
公开日2013年7月24日 申请日期2013年4月11日 优先权日2013年4月11日
发明者焦玉勇, 田湖南, 张秀丽, 王浩, 张焕强, 郑飞 申请人:中国科学院武汉岩土力学研究所