CN102681004A - 以掘进机为震源的巷道随掘地震超前探测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以掘进机为震源的巷道随掘地震超前探测装置及方法，包括地震仪、设于掘进机臂上的震源信号接收传感器、设于巷道壁上的地震波接收检波器阵列。以掘进机工作过程中截割头切割岩石产生的振动为震源，通过耦合在掘进机臂上的三分量传感器及布置在巷道围岩中的三分量检波器阵列连续采集地震波信号，然后对采集到的信号记录进行处理，通过分析接收到的波场成像几何特征预测巷道前方地质异常体的位置和构造细节。可解决单纯炸药震源在近水平地层巷道超前探测中地震波场单一性的问题，且不影响巷道掘进工作，工作效率高，无安全风险，探测精度高，而且可实现地质异常体的精确定位。

Description

以掘进机为震源的巷道随掘地震超前探测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种在矿山工程、岩土工程、地下工程、隧道工程中对巷道（隧道）前方多种灾害地质体进行超前探测的方法，尤其涉及一种以掘进机为震源的巷道随掘地震超前探测装置及方法。

背景技术

现有技术中，对巷道进行地震波法超前探测的方法主要有TSP（Tunnel SeismicPrediction）及其变种方法，陆地声纳法，TRT方法(True Reflection Tomography,TRT真反射层析成像)等。

TSP在隧道超前预报是比较常用的地震波超前探测法，但由于观测条件的限制以及岩体内不同方向的反射，使之在解释与判别方面遇到了很大的困难，进口设备的一次性投入过大使该方法实施超前探测的成本太高，实际应用有一定局限性。其最大缺点是需要在施工期间停止工作，进行放炮激发地震波。

陆地声纳法(也叫高频地震反射法)其实质是垂直地震波反射法，该方法在隧道掌子面上采用极小偏移距，单点采集高频地震反射信号形成连续剖面，通过十字形观测系统和宽频带脉冲接收技术，预报掌子面前方断层及其它地质界面的位置和产状。陆地声纳法优点是分辨率较高，其缺点需占用掌子面，影响生产。

TRT方法在观测上采用的是空间多点接收和激发系统，检波器和激发的炮点呈空间分布，布置在隧道迎头、顶板及两个侧帮上，以充分获得空间波场信息，提高对前方不良地质体的定位精度，在资料处理方法上是通过速度扫描和偏移成像。该方法对岩体中反射界面位置的确定、岩体波速和工程类别的划分等都有较高的精度，但实施成本过高，具有一定的局限性。

但上述地震波法超前探测技术仍然存在很多缺点，其中包括以下几点：

地震波法超前探测工作进行时必须停止巷道掘进作业，影响生产；近水平地层探测效果不理想；对震源要求较高；利用炸药震源，炮孔施工复杂，有一定安全风险，且炸药震源激发的地震波只是单一方向为主，信息量少，波场成像受噪声影响较大，效果较差。

发明内容

本发明的目的是提供一种探测成本低、安全可靠、不影响掘进生产的以掘进机为震源的巷道随掘地震超前探测装置及方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明的以掘进机为震源的巷道随掘地震超前探测装置，包括地震仪、设于掘进机臂上的震源信号接收传感器、设于巷道壁上的地震波接收检波器阵列，所述震源信号接收传感器和地震波接收检波器阵列分别与所述地震仪连接，所述震源为掘进机的截割头。

本发明的上述的以掘进机为震源的巷道随掘地震超前探测装置实现巷道随掘地震超前探测方法，包括以下步骤：

首先，掘进机作业过程中截割头切割岩石时产生连续的地震波信号，该信号能沿着巷道岩层、巷道空间以及掘进机机体传播，以此信号作为超前探测的激励信号；

然后，所述震源信号接收传感器接收掘进机的截割头震源信号，所述地震波接收检波器阵列实时采集地震波信号，所述震源信号和地震波信号传输给所述地震仪；

之后，通过对所述震源信号和地震波信号进行数据处理和偏移成像，并对其进行地质解译，完成对所述巷道的超前探测。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的以掘进机为震源的随掘地震超前探测装置及方法，由于采用掘进机的截割头为震源、采用掘进机截割头切割岩石产生地震波作为探测信号，不使用炸药等震源，避免了复杂的炮孔施工作业，并很好的解决了震源激发方向的单一性问题，探测成本低，不存在危险性；巷道掘进效率高，不影响掘进生产；连续的三分量震源提高了预测矿井巷道异常构造的深度和构造细节准确性，保障生产安全。

附图说明

图1为本发明以掘进机为震源的巷道随掘地震超前探测装置及方法的原理示意图；

图2为本发明具体实施中对采集的掘进机连续振动信号进行数据处理的流程示意图。

具体实施方式

本发明的以掘进机为震源的巷道（或隧道）随掘地震超前探测装置，其较佳的具体实施方式是：

包括地震仪、设于掘进机臂上的震源信号接收传感器、设于巷道壁上的地震波接收检波器阵列，所述震源信号接收传感器和地震波接收检波器阵列分别与所述地震仪连接，所述震源为掘进机的截割头。

所述的震源信号接收传感器为三分量传感器，所述的地震波接收检波器为三分量检波器。

所述的地震仪为能连续采集海量地震数据的井下防爆地震信号数据采集仪器。

本发明的上述的以掘进机为震源的巷道随掘地震超前探测装置实现巷道随掘地震超前探测方法，其其较佳的具体实施方式包括以下步骤：

首先，掘进机作业过程中截割头切割岩石时产生连续的地震波信号，该信号能沿着巷道岩层、巷道空间以及掘进机机体传播，以此信号作为超前探测的激励信号；

然后，所述震源信号接收传感器接收掘进机的截割头震源信号，所述地震波接收检波器阵列实时采集地震波信号，所述震源信号和地震波信号传输给所述地震仪；

之后，通过对所述震源信号和地震波信号进行数据处理和偏移成像，并对其进行地质解译，完成对所述巷道的超前探测。

所述掘进机的截割头为连续的非单一方向震源，具有三分量特征，包括由钻头冲击产生的纵波和由于钻头的旋转切割作用产生的横波。

所述数据处理包括：

所述地震波信号的相关分析、噪声衰减、反褶积、极化分析、波场分离、速度分析的一项或多项。

所述地震波信号的相关分析包括：选择所述震源信号为相关函数，利用相关算法对所述震源信号和地震波信号做相关处理，计算各种波至的旅行时间和衰减不相干噪声；

所述地震波信号的极化分析包括：对地震波信号记录实行极化分析识别出不同波型；

所述地震波信号记录通过所述波场分离将有效波从强噪声背景的复杂波场中分离出来；

通过所述地震波信号的速度分析，利用散射波的波场特征，提取不同类型波的传播速度。

所述偏移成像包括在连续震源条件下巷道空间地质异常体多波波场成像方法，具体包括：

在连续震源作用下巷道空间不同地质异常体的反射波、绕射波及散射波的成像方法。

所述地质解译包括超前探测地质解译和地质异常识别方法，具体包括：

根据连续震源作用下巷道空间地质异常体多波波场成像结果的几何特征，对不同地质异常的地质解译和地质异常识别。

本发明中，以掘进机为震源的随掘地震超前探测信号采集装置，包括三分量传感器，多个三分量检波器，所述采集装置均可自动记录和存储，并连接有高精度地震仪，微型计算机及其数据处理、偏移成像软件。采用三分量接收使不同波型识别和分离取得更好的效果；通过极化分析、波场分离、速度分析等方法处理数据：通过极化分析的方法来进行不同波型的分离；通过速度分析，利用散射波的波场特征，准确提取不同波型的传播速度，准确确定地质异常体的空间位置；利用巷道前方地质异常体散射波、反射波或绕射波在不同炮检距下的传播路径不同，对目的波的到达时间、振幅进行偏移叠加，进行地质异常体的多波波场精确偏移成像；根据成像结果的几何特征，实现对不同地质异常的地质解译和识别。

下面通过具体实施例对本发明的原理进行详细的描述：

如图1所示，探测所用的地震波信号是由矿井掘进机工作时截割头切割岩石振动产生。由于掘进机掘进时为连续震源，产生的是连续的地震波信号，能更好的满足现场测试条件，故适用性非常强。

通过高强磁铁把传感器固定在掘进机机臂上，要求传感器的响应频率范围0.1～20KHz，传感器与掘进机高度耦合成一体，采集并存储掘进机切割岩石时的振动信号，埋置于巷道围岩内的三分量检波器阵列采集并存储地震波的反射、散射、绕射信号，以上所述采集到的信号记录均可由计算机调用。

如图2所示，为对采集的掘进机连续振动信号进行数据处理流程。

利用计算机调用数据采集装置采集的反射、绕射波等地震信号。对采集的信号记录进行地震波反射、绕射信号的数据处理、识别计算、偏移成像。通过去噪、相关分析、极化分析、波场分离、速度分析，进行复杂波场的分离，偏移成像，地质解译和灾害判断。通过去噪处理进行机械噪声、人文噪声的剔除。通过相关分析获得三分量检波器接收的地震信号中与掘进机切割岩石产生的有效信息有关的反射和绕射信息。通过极化分析的方法来进行不同波型的分离。通过速度分析，利用散射波的波场特征，准确提取不同波型的传播速度，准确确定地质异常体的空间位置。利用巷道前方地质异常体散射波、反射波或绕射波在不同炮检距下的传播路径不同，对目的波的到达时间、振幅进行偏移叠加，进行地质异常体的精确偏移成像。根据成像结果的几何特征，实现对不同地质异常的地质解译和灾害判断。

本发明中，采用矿井巷道的掘进机作为激励震源，切割岩石时产生地震波信号在巷道岩层、巷道空间中和掘进机机体中传播，采用三分量传感器接收震源信号，三分量检波器阵列采集接收地震波的反射波、绕射波等信号，对接收到的数据进行多项处理、偏移成像，根据成像结果的几何特征，实现对不同地质异常的地质解译和灾害判断。可解决单纯炸药震源在近水平地层巷道超前探测中地震波场单一性问题，且不干扰巷道掘进工作，无安全风险，探测精度高，可以实现巷道前方存在不同地质异常体的精确定位，并且在增大超前探测距离、提高探测精度和分辨率方面取得突破性进展，从而可以有效地开展利用随掘地震进行掘进巷道超前探测。

简单总结，本发明主要包括下述三个方面：

1、地震波信号的产生

采用矿井巷道的掘进机作为激励震源，掘进机在巷道掘进时截割头切割巷道岩石产生振动，以此振动产生的地震波会沿着巷道岩层和巷道空间传播。巷道掘进时掘进机截割头连续进行岩石切割形成连续震源。

2、信号的接收装置

根据接收信号的方式，接收检波器可分为速度型和加速度型两类，要求频率范围0.1～20kHz。数据采集装置要求能实时存储，一般的数据采集器都能满足要求。随掘地震信号的采集装置分为两个部分：布置于巷道围岩内的三分量检波器和固定于掘进机机臂上的三分量传感器。三分量检波器根据观测系统布置检波器阵列，接收巷道空间和巷道岩层中传播的地震波信号并存储；三分量传感器与掘进机高度耦合成一体，自动接收震源信号并存储。

3、数据处理和识别计算

数据处理主要有信号的噪声衰减、相关分析、反褶积、极化分析、波场分离、速度分析等。

巷道掘进条件下，信号具有强噪声背景，波场复杂，信噪比低，特征不明显。必须进行一系列相关的数据处理工作，把有效信号从复杂的波场中分离、恢复出来。选择传感器接收的震源信号作为相关子波，利用相关算法对震源参考信号和地震波信号做相关，从被噪声淹没的信号中提取反射信号，求出不同界面的反射时间。通过极化分析的方法来进行不同波型的分离。通过速度分析，利用散射波的波场特征，准确提取不同波型的传播速度，以准确确定地质异常体的空间位置。

4、偏移成像和地质解译

巷道前方地质异常体的偏移成像，利用巷道前方地质异常体反射波或绕射波在不同炮检距下的传播路径不同，对目的波的到达时间、振幅进行偏移叠加，进行地质异常体的多波波场精确偏移成像。根据成像结果的几何特征，实现对不同地质异常体的地质解译和识别。

本发明主要是以矿井掘进机的截割头为震源，通过分析震源信号特征和对应巷道前方不同地质异常体波场响应特征，掌握巷道前方地质异常体的状况。由于以掘进机的截割头为震源，可解决单纯炸药震源在近水平地层巷道超前探测中地震波场单一性问题，且不干扰巷道掘进工作，掘进效率高，无安全风险，通过不同检波器阵列在巷道空间进行适时地震波场三分量数据采集，以及随掘地震数据处理和多波波场精确偏移成像方法，其探测精度高，可以实现巷道前方存在的不同地质异常体的精确定位。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种以掘进机为震源的巷道随掘地震超前探测装置，其特征在于，包括地震仪、设于掘进机臂上的震源信号接收传感器、设于巷道壁上的地震波接收检波器阵列，所述震源信号接收传感器和地震波接收检波器阵列分别与所述地震仪连接，所述震源为掘进机的截割头。

2.根据权利要求1所述的以掘进机为震源的巷道随掘地震超前探测装置，其特征在于，所述的震源信号接收传感器为三分量传感器，所述的地震波接收检波器为三分量检波器。

3.根据权利要求2所述的以掘进机为震源的巷道随掘地震超前探测装置，其特征在于，所述的地震仪为能连续采集海量地震数据的井下防爆地震信号数据采集仪器。

4.一种权利要求1、2或3所述的以掘进机为震源的巷道随掘地震超前探测装置实现巷道随掘地震超前探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

首先，掘进机作业过程中截割头切割岩石时产生连续的地震波信号，该信号能沿着巷道岩层、巷道空间以及掘进机机体传播，以此信号作为超前探测的激励信号；

然后，所述震源信号接收传感器接收掘进机的截割头震源信号，所述地震波接收检波器阵列实时采集地震波信号，所述震源信号和地震波信号传输给所述地震仪；

之后，通过对所述震源信号和地震波信号进行数据处理和偏移成像，并对其进行地质解译，完成对所述巷道的超前探测。

5.根据权利要求4所述的以掘进机为震源的巷道随掘地震超前探测方法，其特征在于，所述掘进机的截割头为连续的非单一方向震源，具有三分量特征，包括由钻头冲击产生的纵波和由于钻头的旋转切割作用产生的横波。

6.根据权利要求5所述的以掘进机为震源的巷道随掘地震超前探测方法，其特征在于，所述数据处理包括：

所述地震波信号的相关分析、噪声衰减、反褶积、极化分析、波场分离、速度分析的一项或多项。

7.根据权利要求6所述的以掘进机为震源的巷道随掘地震超前探测方法，其特征在于：

所述地震波信号的相关分析包括：选择所述震源信号为相关函数，利用相关算法对所述震源信号和地震波信号做相关处理，计算各种波至的旅行时间和衰减不相干噪声；

所述地震波信号的极化分析包括：对地震波信号记录实行极化分析识别出不同波型；

所述地震波信号记录通过所述波场分离将有效波从强噪声背景的复杂波场中分离出来；

通过所述地震波信号的速度分析，利用散射波的波场特征，提取不同类型波的传播速度。

8.根据权利要求7所述的以掘进机为震源的巷道随掘地震超前探测方法，其特征在于，所述偏移成像包括在连续震源条件下巷道空间地质异常体多波波场成像方法，具体包括：

在连续震源作用下巷道空间不同地质异常体的反射波、绕射波及散射波的成像方法。

9.根据权利要求8所述的以掘进机为震源的巷道随掘地震超前探测方法，其特征在于，所述地质解译包括超前探测地质解译和地质异常识别方法，具体包括：

根据连续震源作用下巷道空间地质异常体多波波场成像结果的几何特征，对不同地质异常的地质解译和地质异常识别。

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