一种基于风枪震源的地质检测方法及系统

本发明涉及隧道超前探测和围岩分级技术领域，特别是涉及一种基于风枪震源的地质检测方法及系统。

背景技术：

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

目前风枪在钻爆法隧道施工过程中的市场占有率依然遥遥领先，超过70％的隧道使用风枪作为钻孔设备。在进行钻凿炮孔时，常常超过10台风枪同时工作，产生的大量震源信号往往作为噪声信号被剔除，化被动为主动，充分利用这些钻孔震源信号将作为一种新思路服务于隧道施工。隧道超前地质预报是隧道施工的必要环节，科学有效地进行围岩自动分级可以指导隧道开挖和灾害防治方式。传统地质预报方法需单独激发震源，且钻爆法隧道探测时往往需要占用大量的时间(≥1.5h)和空间(≥60m)，严重影响了隧道施工进程。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于风枪震源的地质检测方法及系统，利用掌子面钻孔时的风枪作为激发震源进行超前地质预报，通过采集风枪产生的持续、非周期地震波信号对反演成像模型进行反复修正，实现隧道不良地质精细化探测；同时，实时采集风枪钻进过程中的工作参数，基于支持向量机算法实现围岩自动分级，最后根据两方面的地质检测结果有效指导隧道施工。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种基于风枪震源的地质检测方法，包括：

在距离掌子面一定距离处搭建测网，在测网上设定用于钻孔的测点；

获取测点处风枪作为激发震源产生的地震波信号，基于地震波信号采用反演成像模型进行超前地质预报，得到不良地质体定位结果；

获取风枪钻进过程的工作参数，基于工作参数采用分类模型得到围岩分级结果；

基于不良地质体定位结果和围岩分级结果控制隧道施工进程。

第二方面，本发明提供一种基于风枪震源的地质检测系统，包括：

地震波信号采集装置，用于通过设置于风枪上的先导检波器和设置于测网上测点处的三分量检波器采集风枪作为激发震源产生的地震波信号；

风枪状态采集装置，用于采集风枪钻进过程中的工作参数；

处理器，被配置为基于地震波信号采用反演成像模型进行超前地质预报，得到不良地质体定位结果，以及基于工作参数采用分类模型得到围岩分级结果；

控制器，被配置为基于不良地质体定位结果和围岩分级结果控制隧道施工进程。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明充分利用风枪群持续激发的源源不断的地震波信号，反复修正超前地质预报反演模型，实现隧道不良地质精细化探测；通过实时采集风枪钻进过程中的工作参数(转速、扭矩、冲击压力、回转压力等)，基于机器学习中的支持向量机算法深度挖掘钻进参数与围岩状态的关联关系，实现围岩自动分级，从而有效指导隧道施工。

本发明可以在不耽误施工的情况下进行，实现隧道开挖-探测一体化施工。

本发明充分利用风枪产生的海量持续地震波信号，可以对反演模型进行反复修正，从而实现更加精细的超前探测。

本发明在通过隧道超前地质预报掌握前方不良地质体的基础上，通过实时采集风枪工作参数，实现围岩自动分级。

本发明充分发挥风枪的实用价值，通过不良地质体和围岩分级结果这两种相互联系相互递进的方式，掌握隧道前方岩石状况，指导隧道安全施工。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例1提供的风枪震源超前地质预报测网布置图；

图2为本发明实施例1提供的svm训练模型流程图；

其中，1、先导检波器；2、三分量检波器；3、风枪；4、掌子面；5、主机。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

本实施例提供一种基于风枪震源的地质检测方法，包括：

s1：在距离掌子面一定距离处搭建测网，在测网上设定用于钻孔的测点；

s2：获取测点处风枪作为激发震源产生的地震波信号，基于地震波信号采用反演成像模型进行超前地质预报，得到不良地质体定位结果；

s3：获取风枪钻进过程的工作参数，基于工作参数采用分类模型得到围岩分级结果；

s4：基于不良地质体定位结果和围岩分级结果控制隧道施工进程。

在所述步骤s1中，如图1所示，首先进行测网布设和钻孔点的选取；具体包括：根据偏移和角度偏移原理，布置两环测网；

其中，第一环测网位于掌子面后方10m位置处，在距离地面2m的高度处，在左右边墙标记两个测点；第二环测网位于掌子面后方15m位置处，选取离地面1.2m的左右边墙标记两个测点，同时在拱顶处布置第三个测点。

在步骤s2中，为获取地震波信号，首先在风枪处和测点处安装检波器；具体的，在测点处进行钻孔，孔深为1.5m，孔径由三分量检波器的直径而定，将固定在套筒中的三分量检波器插入钻孔中，在孔壁和套筒壁之间注射锚固剂以此固定套筒，以通过三分量检波器获取风枪钻进过程中的地震波信号；

在风枪钻机上固定先导检波器，先导检波器上设有螺纹，通过螺纹将先导检波器固定在预先焊接上螺母的风枪钻机上，以此接收风枪工作时的先导信号。

然后，按照施工工序在掌子面进行钻凿炮孔，实时采集掌子面前方持续传来的地震波信号；该地震波信号通过无线模型进行传输至主机，在主机中可进行隧道超前地质预报与岩体质量判识，以控制施工进程。

在本实施例中，获取地震波信号后，采集隧道内存在各类环境噪声信号，包括隧道中车辆行驶、机器震动、人员走动等；基于变分模态降噪方法对地震波信号进行滤波降噪，即将环境噪声信号进行剔除，采用基于f-k和τ-p的联合滤波方法，去除干扰波，实现纵横波分离。

在本实施例中，对地震波信号进行滤波降噪后，进行信号重构，对先导检波器信号与三份量检波器信号进行互相关干涉，实现等效脉冲信号的提取，辅助以单道地震记录归一化、长时间连续地震记录分段叠加等处理手段，压制干扰噪声，获得等效脉冲震源激振下地震波信号。

最后基于反演成像模型进行地震波偏移成像，基于对成像结果的分析，得出隧道掌子面前方断层、溶洞、破碎带等不良地质体的性质、位置以及规模。

在步骤s3中，如图2所示，在机器学习算法中，支持向量机算法(svm)对非线性特性有较好的拟合能力且运算量较小，因此可广泛应用在围岩质量分级领域，本实施例基于支持向量机方法的围岩自动分级流程包含数据集准备与模型训练；具体包括：

在钻进过程中，风枪以冲击-旋转为原理驱动钻杆及钻头进行工作，并利用冲洗液对钻孔底部进行冲洗；所以，首先实时采集风枪工作时的钻进速度、扭矩、压力、转速、水流量等工作参数，建立数据集并进行预处理；

然后，根据数据的类型划分输入变量和输出变量；根据时间节点划分训练集和测试集，通过分析大量工程中围岩等级与各个工作参数的线性相关关系，选取与围岩质量分级相关的工作参数作为输入变量，并划分训练集与测试集并归一化到[0,1]；

再者，根据围岩参数和预测精度优选对应的模型，由网格搜索算法提供模型超参数，基于svm算法求解权值系数，从而进行算法训练，利用训练得到的模型对预测样本进行预测，根据输入变量输出预测值；

最后，比较预测集的围岩级别和实际围岩级别，得到模型准确率，根据误差指标修正预测模型，重复上述步骤，当误差在允许误差范围内时，输出预测结果以及预测模型的精度。

在步骤s4中，在通过隧道超前地质预报掌握前方不良地质体的基础上，进行围岩自动分级，通过不良地质体和围岩分级结果这两种相互联系相互递进的方式，掌握隧道前方岩石状况，指导隧道安全施工。

实施例2

本实施例提供一种基于风枪震源的地质检测系统，包括：

地震波信号采集装置，用于通过设置于风枪上的先导检波器和设置于测网上测点处的三分量检波器采集风枪作为激发震源产生的地震波信号；

风枪状态采集装置，用于采集风枪钻进过程中的工作参数；

处理器，被配置为基于地震波信号采用反演成像模型进行超前地质预报，得到不良地质体定位结果，以及基于工作参数采用分类模型得到围岩分级结果；

控制器，被配置为基于不良地质体定位结果和围岩分级结果控制隧道施工进程。

应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元cpu，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器dsp、专用集成电路asic，现成可编程门阵列fpga或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本实施例描述的各示例的单元即算法步骤，能够以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。