CN104678427B - 隧道掘进机破岩震源三维地震超前探测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道掘进机破岩震源三维地震超前探测装置及方法，包括震源传感器阵列、接收传感器及其支撑装置、噪声传感器，以及多通道地震波数据采集仪，多通道地震波数据采集仪，连接震源传感器阵列、接收传感器和噪声传感器，接收地震波信号与噪声源的噪声信号。针对掘进机施工隧道的特殊情况，采用基于独立分量分析理论的震源信号盲源分离方法、震源信号重构方法、以及针对接收传感器信号进行强干扰噪声衰减的方法，最终获得掘进机工作面前方及隧道周围岩体的地质情况及其相应的力学参数，可以实现地质异常体的超前预报，也可以用于评价待开挖区域的围岩质量，为掘进机工作参数优化、保障施工安全提供借鉴。

Description

隧道掘进机破岩震源三维地震超前探测装置及方法

技术领域

本发明隧道掘进机破岩震源三维地震超前探测装置及方法。

背景技术

隧道施工通常采用全断面掘进机施工和钻爆法施工，与传统的钻爆法相比，隧道掘进机施工具有机械化程度高、施工速度快等显著优势，在实际工程中得到了越来越多的应用。但是隧道掘进机对地质条件变化的适应性较差，在遭遇不良地质段时常常发生突水突泥、塌方等地质灾害，易引发卡机甚至机毁人亡等重大事故。为避免隧道掘进机施工过程中地质灾害和安全事故的发生，最有效的解决方法就是采用超前地质探测技术提前查明工作面前方不良地质情况。

然而，不同于钻爆法，掘进机施工隧道具有其特殊性和复杂性：①隧道掘进机具有复杂的金属结构和电工系统，电磁干扰十分严重；②隧道掘进机体积庞大，占据了工作面后方大部分隧道空间，导致可用于超前地质探测的观测空间十分狭小；③隧道掘进机开挖速度快，工序衔接紧密，留给超前地质探测的时间较短。受这些因素制约，钻爆法施工隧道中经常使用的超前地质探测方法在掘进机施工隧道中难以得到很好的应用：地质雷达法、瞬变电磁法等传统电磁方法受电磁干扰影响，探测效果并不理想；TSP、TRT等地震超前探测方法不适用于掘进机隧道的狭小空间，且布置形式复杂、安装时间较长，严重影响掘进机施工进度。

为此，国内外提出了一些专门适用于掘进机施工隧道的超前地质探测方法，但仍然存在一些问题：①由德国GeohydraulicData公司推出的BEAM(Bore-TunnelingElectricalAheadMonitoring)系统，BEAM是一种一维聚焦类激发极化法，探测距离短、受电磁干扰影响大，且测试设备安装复杂、耗时较长，严重影响施工进度；②SSP(SonicSoftgroundProbing)和ISIS(IntegratedSeismicImagingSystem)等地震波超前探测方法，观测方式较为简单，未采用有效的三维空间观测方式，导致异常体空间定位效果较差、空间分辨率也不理想；③国内发明专利《一种适合于TBM施工的地质超前预报方法》和《以掘进机为震源的巷道随掘地震超前探测装置及方法》借鉴了石油测井中的随钻地震方法，提出利用岩石切割信号作为震源进行超前地质探测，前者基本沿用了钻爆法隧道中HSP的处理方法，针对掘进机破岩震动的强干扰噪声，并没有采取适当的去噪手段，而后者主要针对的是矿山巷道中较为常用的悬臂式掘进机，悬臂式掘进机只有一个截割头，在截割头后方的掘进机臂上也只有一个震源信号接收传感器，与之相比，隧道掘进机刀盘面积巨大且用于破岩的滚刀数量众多，不同滚刀之间的破岩震动差别很大，仅采用单一的传感器难以获得准确、全面的破岩震动特征。

综上所述，由于在地质体刻画和定位方面的优势，加上探测距离远，地震波法是掘进机施工隧道超前地质探测中不可缺少的方法，进一步考虑到隧道掘进机的施工特点，利用破岩震动作为震源进行超前地质探测是一种较好的思路，但现有隧道掘进机破岩震源超前地质探测方法还存在着以下问题：①接收传感器的空间布置形式简单，未采用有效的三维空间观测方式，并且缺少一种与掘进机开挖工序紧密结合的检波器快速安装装置及方法；②没有分别针对震源信号和接收信号进行专门的噪声去除，使得地震记录信噪比较低，影响探测精度；③与石油钻探以及煤矿用悬臂式掘进机的独头破岩方式不同，隧道掘进机刀盘面积较大且用于破岩的滚刀数量众多，不同滚刀之间的破岩震动差别很大，现有方法仅仅采用了单一的震源传感器，难以获得准确、全面的破岩震动特征。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种隧道掘进机破岩震源三维地震超前探测装置及方法，本发明能够及时获知掘进机工作面前方及隧道周围岩体的地质情况及其相应的力学参数，一方面可以实现地质异常体的超前预报，另一方面也可以用于评价待开挖区域的围岩质量，为掘进机工作参数优化、保障施工安全提供借鉴。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

隧道掘进机破岩震源三维地震超前探测装置，包括震源传感器阵列、接收传感器及其支撑装置、噪声传感器以及多通道地震波数据采集仪，其中：

所述震源传感器阵列包括多个根据掘进机刀盘形状设置的震源传感器，安装于刀盘上滚刀后方，接收震源信号；所述震源传感器阵列设有定位单元，采集其所处的空间位置；

刀盘固定于掘进机主轴上，掘进机主轴设置有三组以其为中心呈环状分布的接收传感器及其支撑装置，用于接收刀盘破岩震动在地层中传播时遇到不良地质体后反射回来的地震信号；

所述噪声传感器安装在掘进机噪声源处，用于记录各个噪声源所产生的噪声信号；

所述多通道地震波数据采集仪，连接震源传感器阵列、接收传感器和噪声传感器，接收震源信号与噪声源的噪声信号；

同时多通道地震波数据采集仪还与掘进机控制系统保持通信，实时获得掘进机刀盘工作参数。

所述震源传感器阵列安装在掘进机刀盘后方，根据刀盘上滚刀的分布情况将滚刀分组，在每个滚刀组后方安装震源传感器，多个震源传感器组成震源传感器阵列，震源传感器记录的信号为震源信号。

所述震源信号包括有效信号和干扰信号，所述有效信号为相应滚刀组的破岩震动信号；所述干扰信号包括其他滚刀组的破岩震动信号和掘进机噪声源产生的干扰信号。

所述接收传感器及其支撑装置，包括三分量检波器、压力传感器、前液压支撑杆、后液压支撑杆、径向液压支撑杆、支撑板和支撑装置导轨，支撑板两端分别设置有前液压支撑杆、后液压支撑杆，前液压支撑杆、后液压支撑杆均连接掘进机主轴，支撑板下端通过径向液压支撑杆固定在支撑装置导轨上，支撑装置导轨套装在掘进机主轴上，支撑板上安装有压力传感器和三分量检波器。

所述前液压支撑杆、后液压支撑杆与主轴以及支撑板与前液压支撑杆、后液压支撑杆之间均通过铰链连接。

所述掘进机噪声源包括电机工作噪声源、传送皮带工作震动噪声源和掘进机后方施工噪声源等。

所述掘进机刀盘工作参数，包括推力、扭矩、转速和行程等。

一种应用上述装置的隧道掘进机破岩震源三维地震超前探测方法，包括以下步骤：

(1)在掘进机将要开始工作前，利用接收传感器支撑装置在隧道中实现接收传感器的三维全空间快速布置，调节支撑板使得三分量检波器与隧道壁相接触；

(2)控制掘进机工作，接收传感器支撑装置保证支撑板及三分量检波器在隧道中的绝对位置不发生改变，震源传感器、接收传感器和噪声传感器采集信号，并将所记录的信息实时传输给多通道地震波数据采集仪；

(3)多通道地震波数据采集仪接收采集的信息对信号进行去噪、重构以及等效归一，实现非常规破岩震源地震记录到常规震源地震记录的转化，之后按照常规震源地震记录处理方法，获得隧道前方及周围区域的纵横波速度模型和三维地震剖面，结合掘进机刀盘工作参数，通过数据拟合的方式进一步得出地震反射系数与岩石强度指数之间的统计关系，以根据工作面前方岩体地震波反射系数的空间分布来预测岩石强度指数的空间分布情况；

(4)根据得到的纵横波速度模型、三维地震剖面，并结合岩石强度指数的空间分布情况，获知掘进机工作面前方及隧道周围岩体的地质情况及其相应的力学参数，实现地质异常体的超前预报，并对待开挖区域的围岩质量进行评价，为掘进机工作参数优化、保障施工安全提供借鉴；

(5)接收传感器及其支撑装置恢复到初始状态，重复步骤(1)-(4)，继续进行下一轮的工作。

所述步骤(1)中，掘进机停工时，为初始状态，接收传感器及其支撑装置整体处于回缩状态，支撑装置导轨和支撑板位于可移动路径的最前端，径向液压支撑杆和前液压支撑杆同时处于收缩状态、后液压支撑杆处于拉伸状态。

所述拉伸状态是指，液压支撑杆上端杆在液压装置的驱动下从下端杆中向外伸展开来，整个液压支撑杆的长度变长；收缩状态是指，液压支撑杆上端杆在液压装置的驱动下收缩到下端杆中去，整个液压支撑杆的长度变短。

所述步骤(1)中，在掘进机将要开始工作前，利用接收传感器支撑装置在隧道中实现接收传感器的三维全空间快速布置：径向液压支撑杆缓缓伸长，带动前液压支撑杆和后液压支撑杆同时伸长，再结合各个位置上铰链的角度调节功能，支撑板被向外推出直至三分量检波器与隧道壁相接触，为保证三分量检波器能与隧道壁密切接触，同时也防止各个液压支撑杆向外推送的距离过大导致三分量检波器损坏，当三分量检波器与隧道壁之间的接触压力达到设定值时，压力传感器对掘进机控制系统进行反馈调节，停止各个液压支撑杆的运动，此时三分量检波器与隧道壁紧密接触。

所述步骤(2)中，掘进机开始工作，在刀盘不断开挖工作面的同时，刀盘和掘进机主轴也随之向前缓缓运动，因此支撑装置导轨相对主轴产生向后的相对运动，前液压支撑杆逐渐伸长、后液压支撑杆逐渐缩短，并在铰链的作用下不断调节角度，保证支撑板及三分量检波器在隧道中的绝对位置不发生改变，即开挖过程中，支撑板及三分量检波器相对于隧道壁来说是不发生移动的，这样才能保证传感器能够较好的接收到地震信号。

所述步骤(2)中，刀盘旋转切割岩石产生震动，各个滚刀组的破岩震动被安装在刀盘后方的震源传感器阵列所接收，破岩震源同时激发地震波向掘进机工作面前方和隧道四周扩散，地震波遇到波阻抗界面后发生反射，被与隧道壁紧密接触的接收传感器所接收，同时噪声传感器也在不断记录噪声源产生的噪声信号，震源传感器、接收传感器和噪声传感器将信号传输给多通道地震波数据采集仪。

所述步骤(2)中，当掘进机刀盘和主轴达到最大行程时，掘进机停止工作，径向液压支撑杆缓缓缩短，带动前液压支撑杆和后液压支撑杆同时缩短，再结合各个位置上铰链的角度调节功能，接收传感器及其支撑装置整体回缩，此时支撑装置导轨和支撑板都位于可移动路径的最后端。

所述步骤(3)中，地震波信息实时处理方法包括：

(3-1)震源信号去噪：基于独立分量分析理论，将震源信号进行盲源分离，实现噪声信号和有效地震信号的分离，计算分离得到的各个信号与各个滚刀组对应的震源信号相似系数的大小，相似系数最大的即为该滚刀组对应的有效震源信号，仍记为该处的震源信号；

(3-2)震源信号重构：考虑到掘进机施工过程中刀盘转动带来的影响，需要对(3-1)中去噪后的震源信号进行处理，重新构建统一的震源信号；

(3-3)接收信号去噪：需要结合噪声传感器记录的噪声信号，对接收信号进行强干扰噪声衰减，以分离得到有效地震信号；

(3-4)破岩信号等效归一化：将震源信号与经过去噪处理后的接收信号进行互相关和反褶积处理，能够进一步衰减不相干噪声，并把破岩震动信号压缩成等效脉冲信号，实现非常规破岩震源的等效归一化，完成非常规破岩震源地震记录到常规震源地震记录的转化；

(3-5)按照常规震源地震记录处理方法继续进行滤波、P波和S波初至拾取、波场分离、偏移成像等工作，最终获得隧道前方及周围区域的纵横波速度模型和三维地震剖面；同时，结合掘进机开挖时的刀盘推力、掘进速度的工作参数，通过数据拟合的方式进一步得出地震反射系数与岩石强度指数之间的统计关系，根据工作面前方岩体地震波反射系数的空间分布来预测岩石强度指数的空间分布情况。

所述步骤(3-2)的具体方法为：根据刀盘上滚刀的分布情况，在刀盘上事先假设一个震源区域，随刀盘转动，只有经过该区域的滚刀组才被认为产生破岩震动，与之对应的震源传感器在这一时间段内记录的信号则被认为是该时间段内的震源信号片段，这样当刀盘旋转一周时，所有滚刀组及其相应的震源传感器均经过一次震源区域，根据任意时刻自动记录的各个震源传感器所处的空间位置与震源区域的相对关系，分别提取各个震源信号中相应的震源信号片段并按照时间先后顺序拼接起来组成震源信号。

所述步骤(5)中，支撑板在支撑装置导轨的带动下一起向前移动到可移动路径的最前端，相应的，前液压支撑杆缩短、后液压支撑杆伸长，接收传感器及其支撑装置又恢复到步骤(1)所述的初始状态，能够继续进行下一轮的工作。

本发明的工作原理为：在掘进机开始工作前，利用接收传感器支撑装置在隧道中实现接收传感器的三维全空间快速布置，在掘进机工作过程中利用刀盘破岩震动作为震源，破岩震动信号被安装在刀盘后方的震源传感器阵列所接收，激发的地震波经过波阻抗界面反射后被接收传感器所接收，掘进机噪声源产生的噪声信号被噪声传感器接收，上述信号实时传输给多通道地震波数据采集仪并结合掘进机刀盘工作参数进行实时处理，针对掘进机施工隧道的特殊情况，采用了一种基于独立分量分析理论的震源信号盲源分离方法、震源信号重构方法、以及针对接收传感器信号进行强干扰噪声衰减的方法，最终能够获得掘进机工作面前方及隧道周围岩体的纵横波速度模型以及三维地震剖面，并结合岩石强度指数的空间分布情况，能够及时获知掘进机工作面前方及隧道周围岩体的地质情况及其相应的力学参数。

本发明的有益效果为：

(1)本发明利用隧道掘进机破岩震源进行超前地质探测，安全可靠且不影响掘进机的正常工作流程，同时针对传统直线类观测方法难以获得准确波速分布的问题，提出了一种接收传感器支撑装置，能够在隧道中实现接收传感器的三维全空间快速布置，方便快捷并且与掘进机开挖工序紧密结合，特别适用于“观测空间狭小、探测时间紧促”的掘进机施工隧道。

(2)考虑到隧道掘进机刀盘面积较大，且用于破岩的滚刀数量众多，不同滚刀之间的破岩震动差别很大，仅采用单一的震源传感器难以获得准确、全面的破岩震动特征，本发明特别提出了通过震源传感器阵列来获取各个滚刀组破岩震动信号的方法，并针对各个滚刀组之间严重的噪声干扰问题，提出了一种基于独立分量分析理论的震源信号盲源分离方法，能够实现噪声信号和有效地震信号的分离，并进一步提出了一种适用于多个震源传感器同时测量条件下的震源信号重构方法。

(3)本发明针对接收传感器记录信号中噪声干扰严重的问题，在掘进机噪声源附近位置安装噪声传感器记录噪声信号，并结合所记录的噪声信号，提出了一种针对接收传感器信号进行强干扰噪声衰减的方法，能够有效地提高地震记录的信噪比。

(4)本发明在通过地震波法得到纵横波速度模型和三维地震剖面的基础上，综合考虑了掘进机开挖时的刀盘推力、掘进速度等工作参数，能够得到岩石强度指数的空间分布情况，从而可以实时获得掘进机工作面前方及隧道周围岩体的地质情况及其相应的力学参数，一方面可以实现地质异常体的超前预报，另一方面也可以用于评价待开挖区域的围岩质量，为掘进机工作参数优化、保障施工安全提供借鉴。

附图说明

图1为隧道掘进机破岩震源三维地震超前探测装置及方法整体示意图；

图2为接收传感器及其支撑装置结构示意图；

图3为基于独立分量分析理论的震源信号盲源分离方法的流程图；

图4为震源传感器阵列布置形式及震源区域划分的示意图；

图5为震源信号重构过程的示意图；

图6为本发明的工作过程示意图；

图中：1.掘进机刀盘，2.掘进机主轴，3.接收传感器及其支撑装置，4.前液压支撑杆，5.支撑板，6.三分量检波器，7.压力传感器，8.后液压支撑杆，9.径向液压支撑杆，10.支撑装置导轨，11.铰链，12-1～12-6滚刀组，13-1～13-6震源传感器，14.震源区域。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1-图2、图6所示，一种针对掘进机破岩震动的三维观测超前探测装置，主要包括震源传感器阵列、接收传感器及其支撑装置3、噪声传感器，以及多通道地震波数据采集仪。

震源传感器阵列安装在掘进机刀盘1后方，根据刀盘上滚刀的具体分布情况将滚刀分组，分别为滚刀分组12-1、滚刀分组12-2、滚刀分组12-3、滚刀分组12-4、滚刀分组12-5、滚刀分组12-6，在每个滚刀组后方的合适位置安装震源传感器，分别为震源传感器13-1、震源传感器13-2、震源传感器13-3、震源传感器13-4、震源传感器13-5、震源传感器13-6，多个震源传感器组成震源传感器阵列，震源传感器记录的信号称为震源信号，所述震源信号中包括有效信号(即相应滚刀组的破岩震动信号)和噪声信号(如：其他滚刀组的破岩震动信号、掘进机噪声源产生的干扰信号)，同时震源传感器还带有自动定位功能，可以将所处的空间位置实时传输给多通道地震波数据采集仪。

接收传感器及其支撑装置3以掘进机主轴2为中心呈环状分布有三组，分别对应隧道拱顶和左右拱腰，具体由三分量检波器6、压力传感器7、前液压支撑杆4、后液压支撑杆8、径向液压支撑杆9、支撑板5、支撑装置导轨10及铰链11等部分组成。所述前液压支撑杆4一端与掘进机主轴2相连，另一端与支撑板5一端相连，支撑板5另一端与后液压支撑杆8一端相连，后液压支撑杆8另一端连接在掘进机主轴2上，以上连接都是通过铰链11完成的。所述支撑装置导轨10呈环形嵌套在掘进机主轴2上，上面安装有径向液压支撑杆9，径向液压支撑杆9另一端与支撑板5底面相连接。所述三分量检波器6和压力传感器7安装在支撑板5上。

噪声传感器安装在掘进机噪声源(如电机工作噪声、传送皮带工作震动噪声、掘进机后方施工噪声等)附近位置，用于记录各个噪声源所产生的噪声信号。

多通道地震波数据采集仪的各个通道分别与震源传感器阵列、接收传感器和噪声传感器相连接，负责存储并处理检波器记录的地震波信息，同时多通道地震波数据采集仪还与掘进机控制系统保持通信，能够实时获得掘进机刀盘1工作参数(如推力、扭矩、转速、行程等)。

首先，当掘进机停工时，接收传感器及其支撑装置3整体处于回缩状态，支撑装置导轨10和支撑板5位于可移动路径的最前端，径向液压支撑杆9和前液压支撑杆4同时处于收缩状态、后液压支撑杆8处于拉伸状态。

等到掘进机将要开始工作前，利用接收传感器支撑装置在隧道中实现接收传感器的三维全空间快速布置，径向液压支撑杆9缓缓伸长，带动前液压支撑杆4和后液压支撑杆8同时伸长，再结合各个位置上铰链11的角度调节功能，支撑板5被向外推出直至三分量检波器6与隧道壁相接触，当三分量检波器6与隧道壁之间的接触压力达到设定值时，压力传感器7对掘进机控制系统进行反馈调节，停止各个液压支撑杆的运动，此时三分量检波器6与隧道壁紧密接触。

然后，掘进机开始工作，在刀盘1不断开挖工作面的同时，刀盘1和掘进机主轴2也随之向前缓缓运动，因此支撑装置导轨10相对主轴2产生向后的相对运动，前液压支撑杆4逐渐伸长、后液压支撑杆8逐渐缩短，并在铰链11的作用下不断调节角度，保证支撑板5及三分量检波器6在隧道中的绝对位置不发生改变。

另一方面，刀盘1旋转切割岩石产生震动，各个滚刀组12的破岩震动被安装在刀盘1后方的震源传感器阵列13所接收，破岩震源同时激发地震波向掘进机工作面前方和隧道四周扩散，地震波遇到波阻抗界面后发生反射，被与隧道壁紧密接触的三分量检波器6所接收，同时噪声传感器也在不断记录噪声源产生的噪声信号，上述震源传感器、接收传感器和噪声传感器所记录的信息实时传输给多通道地震波数据采集仪，并结合掘进机刀盘工作参数进行实时处理。

所述地震波信息实时处理方法主要包括：

①震源信号去噪：如图3所示，n个统计独立的破岩震源信号S＝[s₁(t),s₂(t),...,s_n(t)]^T，经过未知混合系统A，被m个震源传感器观测得到震源信号P＝[p₁(t),p₂(t),...,p_m(t)]^T。基于独立分量分析理论得到线性瞬时混合模型P＝AS，其中A为m×n维混合矩阵。

要对震源信号P进行盲源分离，首先应对其进行零均值化，即令其中E(P)为P的数学期望，实际计算中可用算术平均值代替。

然后对进行球化，定义球化矩阵T＝Λ^-1U^T，其中U和Λ分别代表协方差矩阵的特征向量矩阵和特征值矩阵，则P投影到新的子空间后变成球化向量

最后将球化向量Z正交变换后获得分离结果Y，使其各分量尽可能的独立，并且是破岩震源信号S的最优近似，具体可以采用基于负熵最大的固定点算法，利用如下迭代公式计算W：

$\left\{\begin{array}{c}{W}_{k+1}=E\left\{Zg\right({W_k}^{T}Z\left)\right\}-E\left\{g^{\′}\right({W_k}^{T}Z\left)\right\}W\\ W_{k+1}=\frac{W_{k+1}}{\left|\right|W_{k+1}\left|\right|}\end{array}\right.$

这样通过盲源分离实现了噪声信号和有效地震信号的分离。

进一步计算分离结果Y各独立分量与原始震源信号P各分量之间相似系数的大小，相似系数最大的即为该滚刀组对应的有效震源信号，仍记为该处的震源信号，假设y_i＝[η₁,η₂,...,η_k]和p_i＝[ξ₁,ξ₂,...,ξ_k]分别为分离结果Y的任意独立分量与震源信号P的任意分量，则相似系数的计算公式如下：

$R_{py}=\frac{{\mathrm{\Σ\ξ}}_k{\mathrm{\η}}_k}{\sqrt{{\mathrm{\Σ\ξ}}_k^2{\mathrm{\Σ\η}}_k^2}}$

②震源信号重构：考虑到掘进机施工过程中刀盘1转动带来的影响，需要对①中去噪后的震源信号进行处理，重新构建统一的震源信号。

如图4所示，首先根据刀盘1上滚刀的分布情况将其分成6个滚刀组12-1#～12-6#，并在每个滚刀组12后方的合适位置安装震源传感器13-1#～13-6#。

然后，在刀盘上事先假设一个震源区域14，随刀盘1的转动，只有经过该区域14的滚刀组12才被认为产生破岩震动，与之对应的震源传感器13在这一时间段内记录的信号则被认为是该时间段内的震源信号片段。这样当刀盘1旋转一周时，滚刀组12-1#～12-6#、震源传感器13-1#～13-6#依次经过震源区域14，震源传感器13-1#～13-6#记录的地震信号如图5左侧所示，根据任意时刻各个震源传感器13所处的空间位置与震源区域14的相对关系，按照图5所示方法，分别提取各个震源信号中相应的震源信号片段并按照时间先后顺序拼接起来便组成了震源信号。

③接收信号去噪：首先构造褶积模型来表示接收传感器阵列记录得到的接收信号，式中g_i表示第i个接收传感器接收到的记录，N_k为第k个噪声源产生的强干扰噪声(假设共有M个噪声源)，h_i为噪声源到第i个接收传感器的传输函数，为重构的震源信号，l_i表示从刀盘位置到第i个接收传感器的传输函数。

其中，N_k可以近似表示成N_kj为第j个噪声传感器接收到的第k个噪声源产生的干扰信号，t_j是相应的传播时间；传输函数h_i近似表示成其无偏估计

这样可以得到消除上述M个强干扰噪声后的检波器记录得到了有效地震接收信号。

④破岩信号等效归一化：将震源信号与经过去噪处理后的接收信号进行互相关和反褶积处理，能够进一步衰减不相干噪声，并把破岩震动信号压缩成等效脉冲信号，实现非常规破岩震源的等效归一化；

⑤通过上述①-④，完成了非常规破岩震源地震记录到常规震源地震记录的转化，之后可以按照常规震源地震记录处理方法继续进行滤波、P波和S波初至拾取、波场分离、偏移成像等工作，最终获得隧道前方及周围区域的纵横波速度模型和三维地震剖面。

同时，根据地震资料处理结果还可以得到在隧道沿线某一区域内地震波反射系数的变化情况，当掘进机经过该区域时，结合掘进机刀盘推力F_N、掘进速度P_e等工作参数，利用公式可以求出岩石强度指数的变化情况，其中C为常数。然后，通过数据拟合的方式可以进一步得出地震反射系数与岩石强度指数的统计关系，这样就可以根据工作面前方岩体地震波反射系数的空间分布来预测岩石强度指数的空间分布情况。

上述地震波信息实时处理完成后，综合得到的纵横波速度模型、三维地震剖面，并结合岩石强度指数的空间分布情况，能够及时获知掘进机工作面前方及隧道周围岩体的地质情况及其相应的力学参数，一方面可以实现地质异常体的超前预报，另一方面也可以用于评价待开挖区域的围岩质量，为掘进机开挖方式、支护形式的选择提供帮助。

之后，当掘进机刀盘1和主轴2达到最大行程时，掘进机停止工作，径向液压支撑杆9缓缓缩短，带动前液压支撑杆4和后液压支撑杆8同时缩短，再结合各个位置上铰链11的角度调节功能，接收传感器及其支撑装置3整体回缩，此时支撑装置导轨10和支撑板5都位于可移动路径的最后端。

最后，支撑板5在支撑装置导轨10的带动下一起向前移动到可移动路径的最前端，相应的，前液压支撑杆4缩短、后液压支撑杆8伸长，接收传感器及其支撑装置3又恢复到掘进机停工时所处的初始状态，能够继续进行下一轮的工作。

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。

Claims (9)

1.隧道掘进机破岩震源三维地震超前探测装置，其特征是：包括震源传感器阵列、接收传感器及其支撑装置、噪声传感器以及多通道地震波数据采集仪，其中：

所述震源传感器阵列包括多个根据掘进机刀盘形状设置的震源传感器，安装于刀盘上滚刀后方，接收震源信号；所述震源传感器阵列设有定位单元，采集其所处的空间位置；

刀盘固定于掘进机主轴上，掘进机主轴设置有三组以其为中心呈环状分布的接收传感器及其支撑装置，用于接收刀盘破岩震动在地层中传播时遇到不良地质体后反射回来的地震信号；

所述噪声传感器安装在掘进机噪声源处，用于记录各个噪声源所产生的噪声信号；

所述多通道地震波数据采集仪，连接震源传感器阵列、接收传感器和噪声传感器，接收震源信号与噪声源的噪声信号；

同时多通道地震波数据采集仪还与掘进机控制系统保持通信，实时获得掘进机刀盘工作参数；

所述接收传感器及其支撑装置，包括三分量检波器、压力传感器、前液压支撑杆、后液压支撑杆、径向液压支撑杆、支撑板和支撑装置导轨，支撑板两端分别设置有前液压支撑杆、后液压支撑杆，前液压支撑杆、后液压支撑杆均连接掘进机主轴，支撑板下端通过径向液压支撑杆固定在支撑装置导轨上，支撑装置导轨套装在掘进机主轴上，支撑板上安装有压力传感器和三分量检波器。

2.如权利要求1所述的装置，其特征是：所述震源传感器阵列安装在掘进机刀盘后方，根据刀盘上滚刀的分布情况将滚刀分组，在每个滚刀组后方安装震源传感器，多个震源传感器组成震源传感器阵列，震源传感器记录的信号为震源信号；

所述震源信号包括有效信号和干扰信号，所述有效信号为相应滚刀组的破岩震动信号；所述干扰信号包括其他滚刀组的破岩震动信号和掘进机噪声源产生的干扰信号。

3.一种应用权利要求1或2所述的装置的隧道掘进机破岩震源三维地震超前探测方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)在掘进机将要开始工作前，利用接收传感器支撑装置在隧道中实现接收传感器的三维全空间快速布置，调节支撑板使得三分量检波器与隧道壁相接触；

(2)控制掘进机工作，接收传感器支撑装置保证支撑板及三分量检波器在隧道中的绝对位置不发生改变，震源传感器、接收传感器和噪声传感器采集信号，并将所记录的信息实时传输给多通道地震波数据采集仪；

(3)多通道地震波数据采集仪接收采集的信息对信号进行去噪、重构以及等效归一，实现非常规破岩震源地震记录到常规震源地震记录的转化，之后按照常规震源地震记录处理方法，获得隧道前方及周围区域的纵横波速度模型和三维地震剖面，结合掘进机刀盘工作参数，通过数据拟合的方式进一步得出地震反射系数与岩石强度指数之间的统计关系，以根据工作面前方岩体地震波反射系数的空间分布来预测岩石强度指数的空间分布情况；

(4)根据得到的纵横波速度模型、三维地震剖面，并结合岩石强度指数的空间分布情况，获知掘进机工作面前方及隧道周围岩体的地质情况及其相应的力学参数，实现地质异常体的超前预报，并对待开挖区域的围岩质量进行评价，为掘进机工作参数优化、保障施工安全提供借鉴；

(5)接收传感器及其支撑装置恢复到初始状态，重复步骤(1)-(4)，继续进行下一轮的工作。

4.如权利要求3所述的三维地震超前探测方法，其特征是：所述步骤(1)中，掘进机停工时，为初始状态，接收传感器及其支撑装置整体处于回缩状态，支撑装置导轨和支撑板位于可移动路径的最前端，径向液压支撑杆和前液压支撑杆同时处于收缩状态、后液压支撑杆处于拉伸状态。

5.如权利要求3所述的三维地震超前探测方法，其特征是：所述步骤(1)中，在掘进机将要开始工作前，利用接收传感器支撑装置在隧道中实现接收传感器的三维全空间快速布置，径向液压支撑杆缓缓伸长，带动前液压支撑杆和后液压支撑杆同时伸长，再结合各个位置上铰链的角度调节功能，支撑板被向外推出直至三分量检波器与隧道壁相接触，当三分量检波器与隧道壁之间的接触压力达到设定值时，压力传感器对掘进机控制系统进行反馈调节，停止各个液压支撑杆的运动，此时三分量检波器与隧道壁紧密接触。

6.如权利要求3所述的三维地震超前探测方法，其特征是：所述步骤(2)中，掘进机开始工作，在刀盘不断开挖工作面的同时，刀盘和掘进机主轴也随之向前缓缓运动，因此支撑装置导轨相对主轴产生向后的相对运动，前液压支撑杆逐渐伸长、后液压支撑杆逐渐缩短，并在铰链的作用下不断调节角度，保证支撑板及三分量检波器在隧道中的绝对位置不发生改变；

所述步骤(2)中，刀盘旋转切割岩石产生震动，各个滚刀组的破岩震动被安装在刀盘后方的震源传感器阵列所接收，破岩震源同时激发地震波向掘进机工作面前方和隧道四周扩散，地震波遇到波阻抗界面后发生反射，被与隧道壁紧密接触的接收传感器所接收，同时噪声传感器也在不断记录噪声源产生的噪声信号，震源传感器、接收传感器和噪声传感器将信号传输给多通道地震波数据采集仪；

所述步骤(2)中，当掘进机刀盘和主轴达到最大行程时，掘进机停止工作，径向液压支撑杆缓缓缩短，带动前液压支撑杆和后液压支撑杆同时缩短，再结合各个位置上铰链的角度调节功能，接收传感器及其支撑装置整体回缩，此时支撑装置导轨和支撑板都位于可移动路径的最后端。

7.如权利要求3所述的三维地震超前探测方法，其特征是：所述步骤(3)中，地震波信息实时处理方法包括：

(3-1)震源信号去噪：基于独立分量分析理论，将震源信号进行盲源分离，实现噪声信号和有效地震信号的分离，计算分离得到的各个信号与各个滚刀组对应的震源信号相似系数的大小，相似系数最大的即为该滚刀组对应的有效震源信号，仍记为该处的震源信号；

(3-2)震源信号重构：考虑到掘进机施工过程中刀盘转动带来的影响，需要对(3-1)中去噪后的震源信号进行处理，重新构建统一的震源信号；

(3-3)接收信号去噪：需要结合噪声传感器记录的噪声信号，对接收信号进行强干扰噪声衰减，以分离得到有效地震信号；

(3-4)破岩信号等效归一化：将震源信号与经过去噪处理后的接收信号进行互相关和反褶积处理，进一步衰减不相干噪声，并把破岩震动信号压缩成等效脉冲信号，实现非常规破岩震源的等效归一化，完成非常规破岩震源地震记录到常规震源地震记录的转化；

(3-5)按照常规震源地震记录处理方法继续进行滤波、P波和S波初至拾取、波场分离、偏移成像工作，最终获得隧道前方及周围区域的纵横波速度模型和三维地震剖面；同时，结合掘进机开挖时的刀盘推力、掘进速度的工作参数，通过数据拟合的方式得出地震反射系数与岩石强度指数之间的统计关系，根据工作面前方岩体地震波反射系数的空间分布来预测岩石强度指数的空间分布情况。

8.如权利要求7所述的三维地震超前探测方法，其特征是：所述步骤(3-2)的具体方法为：根据刀盘上滚刀的分布情况，在刀盘上事先假设一个震源区域，随刀盘转动，只有经过该区域的滚刀组才被认为产生破岩震动，与之对应的震源传感器在这一时间段内记录的信号则被认为是该时间段内的震源信号片段，这样当刀盘旋转一周时，所有滚刀组及其相应的震源传感器均经过一次震源区域，根据任意时刻自动记录的各个震源传感器所处的空间位置与震源区域的相对关系，分别提取各个震源信号中相应的震源信号片段并按照时间先后顺序拼接起来组成震源信号。

9.如权利要求3所述的三维地震超前探测方法，其特征是：所述步骤(5)中，支撑板在支撑装置导轨的带动下一起向前移动到可移动路径的最前端，相应的，前液压支撑杆缩短、后液压支撑杆伸长，接收传感器及其支撑装置又恢复到步骤(1)所述的初始状态，能够继续进行下一轮的工作。