CN103217703A - 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 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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

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．爆破触发采集系统后，采集系统自动采集数据。

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：

1）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1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 Pavilion p6-1291cn，WINDOWSXP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1三分量检波器参数指标

本装置采用主从式管理模式，主机通过无线通讯系统，向各元件发布指令并设置参数，并显示、记录。专有的数据处理程序对采集的数据进行分析处理。

其具体的连接关系是：所述2个三分量检波器设置于洞室两边侧壁的钻孔中，通过黄油耦合剂与钻孔相接（紧贴），良好耦合。所述的三分量检波器与多路开关（ADG509）相连；所述的放大器(PGA207)分别于多路开关（ADG509）和A/D转换器（AD976）相连，无线电通讯模块a（RF4432F27）通过RS232接口与A/D转换器相连，无线电通讯模块b（RF4432F27）通过RS232接口和主机相连。

所述的触发回路铜导线缠绕在炸药卷上，放入掌子面的炮孔内，铜导线另外两头连接A/D转换器，掌子面爆破时将炸断铜导线，触发接收系统记录爆炸时间点。掌子面爆破产生人工地震波直达波，人工地震波直达波遇到前方地质界面会发生反射，产生人工地震波反射波。

信号的传输路径是：

掌子面爆破时将炸断触发回路铜导线，触发接收系统记录爆炸时间点。掌子面爆破产生人工地震波直达波，人工地震波直达波遇到前方地质界面会发生反射，产生人工地震波反射波。三分量检波器将接收到的人工地震波反射波转换为模拟电信号，送入多路开关（ADG509）。然后经过放大器(PGA207)对信号进行放大，放大增益由主机控制，放大后的信号进入A/D转换器（AD976）转换为数字信号，无线电通讯模块a（RF4432F27）通过RS232接口A/D转换器（AD976）相连将信号发射出去，主机通过RS232接口与无线电通讯模块b(RF4432F27)相连接，接收信号，完成1道数据的采集。主机可以通过无线电通讯模块(RF4432F27)控制信号采集系统，实现无线命令控制。

另外，所述的多路开关、放大器、A/D转换器都固定在洞室内部，与其连接的无线通讯模块安装在洞口以增强无线传输效果，主机及与其相连的无线通讯模块安装在洞室外面控制室的室内，操作人员在室内完成整个数据采集过程。

通过主机内处理程序，对多次（24道上）采集的数字信号进行处理分析、预测掌子面前方围岩情况，实现工地震法地质预报。

本发明与现有技术相比，具有以下技术优点和效果：

1．所述的人工地震波震源由洞室掘进时的爆破产生，和以往相比，其震源能量巨大，地震波传播距离大大增加，从而极大地增加了预报的距离。

2．所述人工地震波震源的产生方法和以往相比，免去了以往专门在隧道侧壁钻孔、埋设炸药的工作，不再占用洞室施工时间，降低了劳动强度，加快了施工进度，减小作业风险。

3．所述的三分量检波器只需要2个，减小了检波器的数量，使用黄油耦合，摒弃了特制的钢制套管，减小了因传感器和钻孔耦合不良造成的干扰，降低了费用。

4．所述的预报方法由于预报距离长，只需要在隧道开始进洞时，将三分量检波器埋设好，免去因多次预报而重复钻孔、埋设检波器的工作。

5．所述的预报方法，操作人员仅需要1人即可，操作人员在洞室外的控制室内进行远程操作，不需要进入隧道内部，极大的改善了工作条件，减小了人员风险。

6．所述的以掌子面放炮为震源的隧道超前地质预报的方法及装置，在洞室每一次爆破掘进时就可以自动进行一次信号采集，可以对洞室进行自动、连续的超前地质预报。

附图说明

图1为一种以掌子面放炮为震源的隧道超前地质预报的装置原理图。

图2为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示意图。

图3为一种以掌子面放炮为震源的隧道超前地质预报方法的数据采集流程图

图4为一种以掌子面放炮为震源的隧道超前地质预报方法的数据处理流程图

图中1.洞室，2.钻孔（a、b两个），3.三分量检波器（a、b两个，XR96HX-PZT-SFL/5库号：M317259，满足表1中具体指标的其他型号也可），4.侧壁，5.爆破掘进的掌子面，6.人工地震波直达波，7.人工地震波反射波，8.地质界面，9.触发回路铜导线（线号38号，直径0.15mm），10.信号线，11.无线通讯模块（a、b两个，RF4432F27），12.主机（电脑配置不低于惠普HP Pavilion p6-1291cn，WINDOWS XP及以上版本），13.控制室，14.多路开关（ADG509），15.放大器（PGA207），16.A/D转换器（AD976）。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1、图2、图3所示，一种以掌子面放炮为震源的隧道超前地质预报方法，其步骤是：

1．在隧道1内进口处的两侧壁4上各打一个钻孔2a和钻孔2b，钻孔2a和钻孔2b分别与洞室底板平行且垂直与洞室走向，钻孔深2m，钻孔直径大小以能够方便埋设两个三分量检波器3a、3b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，用力按压使得两个第一三分量检波器3a与钻孔2a相连（紧贴），黄油填充量以保证第一三分量检波器3a与钻孔2a紧贴无空隙，充满钻孔2a为宜。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．在钻孔2a底部分别放置适量黄油作为耦合剂，将三分检波器3a埋设在钻孔2a的底部，调整三分量检波器3a的位置，使三分量检波器3a的x、y方向的分量水平放置，z方向分量为垂直向上。

3．用力按压三分量检波器3a，将钻孔2a内的黄油挤压到三分量检波器3a与钻孔2a的缝隙中，锚固剂可根据实际情况增减，确保三分量检波器3a与钻孔2a紧密、牢靠的贴合在一起。

4．重复上述的2、3步骤，以同样的方法将三分量检波器3b安装于钻孔2b中。三分量检波器3a和3b的x、y分量为水平分量，用于接收在水平平面内震动的剪切波SH波和在垂直平面内震动的剪切波SV波，z分量为垂直分量，用于接收压缩波P波。

5．人工地震法地质预报装置开机，根据图3所示的流程图进行采集前的设置工作，具体是：开机后进行串口初始化，并设定相应采集参数，发送指令，等待触发，准备采集信号。

6．在掌子面5装置炸药时，将触发回路铜导线9缠绕在炸药卷上，放入掌子面5的炮孔内，铜导线9另外两头连接A/D转换器16，在掌子面9放炮掘进时将产生人工地震波，炸断铜导线，触发接收系统，开始接收数据并记录爆炸时间点。

7．在掌子面5前方传播的人工地震波直达波6遇到地质界面8，会发生反射形成人工地震波反射波7，人工地震波反射波7的特性可以反映掌子面5前方围岩的情况。

8．三分量检波器3接收到人工地震波反射波7，并将其转换为模拟电信号。

9．模拟电信号通过信号线10，将信号送入多路开关14，然后传输到放大器15。

10．经过放大器15放大的信号，送入A/D转换器16将模拟信号转换为数字信号。

11．数字信号再通过RS232接口传输到无线通讯模块11a，将信号无线传输到洞室外部控制室13。

12．控制室13内的无线通讯模块11b接收到信号，通过RS232接口发送到主机12中，数据在主机12中显示并保存，完成一道数据的采集。

13．所述的多路开关14、放大器15、A/D转换器16都固定在洞室内部，与其连接的无线通讯模块11a安装在洞口以增强无线传输效果，主机12及与其相连的无线通讯模块11b安装在洞室1外面的控制室13的室内，操作人员在室内完成整个数据采集过程。

14．通过主机12内已经输入的程序，按照图4所示的流程，对多次（24道上）采集的数字信号进行处理分析、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12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．爆破触发采集系统后，采集系统自动采集数据。

4．采集的数据按照一定格式在主机12上显示并保存。

下面结合图4的数据处理流程，对步骤14所述的信号处理分析进行详细说明：

1．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。

下面结合图1、图2对一种以掌子面放炮为震源的隧道超前地质预报装置，做进一步详细说明：

一种以掌子面放炮为震源的隧道超前地质预报装置，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11a，第二无线电通讯模块11b组成，控制及数据分析系统由主机12和专有的控制分析程序组成。

所述的第一三分量检波器3a和第二三分量检波器3b分别埋设在洞室1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1的底板平行且与洞室1的走向垂直，两个钻孔深度都为2m，直径以能够方便放入检波器为宜。

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，调整三分量检波器3a的位置，使三分量检波器3a的x、y方向的分量水平放置，z方向分量为垂直向上。用力按压使得两个第一三分量检波器3a与钻孔2a相连（紧贴），黄油填充量以保证第一三分量检波器3a与钻孔2紧贴无空隙，充满钻孔2a为宜。

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，这里不再赘述。

所述的触发回路铜导线9缠绕在炸药卷上，放入掌子面5的炮孔内，触发回路铜导线9另外两头连接A/D转换器16，掌子面5爆破时将炸断触发回路铜导线9，触发接收系统记录爆炸时间点。爆破产生人工地震波直达波6，人工地震波直达波6遇到前方地质界面8会发生反射，产生人工地震波反射波7。

所述的两个第一三分量检波器3a和第二三分量检波器3b与多路开关14相连，两个第一三分量检波器3a和第二三分量检波器3b将接收到的人工地震波反射波转换为模拟电信号，送入多路开关14；

所述的放大器15分别与多路开关14和A/D转换器16相连，放大器15将信号进行放大，放大增益由主机控制，放大后的信号进入A/D转换器16转换为数字信号。

所述的第一无线电通讯模块11a通过RS232接口与A/D转换器16相连，第一无线电通讯模块11a将数字信号通过无线方式传输给第二无线电通讯模块11b，第二无线电通讯模块11b与主机12相连。

所述的多路开关14、放大器15、A/D转换器16都固定在洞室内部，与A/D转换器16连接的第一无线通讯模块11a安装在洞口以增强无线传输效果，主机12与第二无线电通讯模块11b连接安装在洞室1外面的控制室13的室内，操作人员在室内完成整个数据采集过程。

通过主机12内已经输入的程序，对多次（24道上）采集的数字信号进行处理分析、预测掌子面前方围岩情况，实现工地震法地质预报。

Claims (6)

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（11a）相连，第二无线电通讯模块（11b）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（1）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（1）的底板平行与洞室（1）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（11a）通过RS232接口与A/D转换器（16）相连，第二无线电通讯模块（11b）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（11a）通过RS232接口与A/D转换器（16）相连，第二无线电通讯模块（11b）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（11a）安装在洞口，主机（12）与第一无线电通讯模块（11a）安装在洞室（1）外面的控制室（13）的室内。

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