CN105467436B - 一种适用于超深竖井施工过程中微震传感器的布置方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种适用于超深竖井施工过程中微震传感器的布置方法，包括：1)在离开挖掌子面最近的已衬砌马头门岩壁和与其对应的竖井井壁内布置第一组传感器；2)在已衬砌马头门下方随掌子面下移交替布置第二组和第三组传感器，第二组传感器在平面a内；在平面a下方的井壁内布置第三组传感器，第三组传感器在平面b内，平面b内各传感器与平面a内各传感器在水平投影上呈交错排布；井筒开挖形成足够空间时，在平面b的下方重复第二和三组传感器的布置，直至距离下一马头门底板高度不足30m时停止交替下移布置。实现竖井开挖工程中微破裂信号源的有效捕捉，提高微震震源的定位精度，为微震监测技术在大断面超深竖井开挖过程中的应用奠定基础。
Description
技术领域
本发明涉及竖井工程领域，具体涉及一种适用于超深竖井施工过程中微震传感器的布置方法。
背景技术
随着深部地下工程技术的发展，竖井开挖深度不断加深，开挖导致的地压灾害问题日益突出，微震监测技术逐步成为地下工程深部竖井开挖过程中地压灾害监测和安全生产管理的重要手段。在竖井开挖过程中，利用微震监测技术，在发生微震活动的区域内布设传感器，探测岩体微破裂所释放出的地震波，加以分析、处理后确定微震事件发生的时间、空间位置和强弱信息，从而判断潜在的岩爆活动规律并对岩体稳定性进行评估预警，指导竖井的开挖及安全生产管理。
虽然微震监测技术在巷道、硐室、水利、边坡等岩体工程的安全风险管理及灾害预警方面取得了很多突破性的进展，但至今还未见其在超深竖井施工过程中成功应用的报道。微震监测技术在超深竖井中的应用存在诸多困难，主要包括：1)竖井作为竖向线性工程，施工过程中监测点的布置难度较大，传感器布置是否合理将会严重影响微震震源的定位精度；2)作为矿山基建期的初期工程，竖井出口唯一，钻孔、爆破、通风、提升和支护等作业都在狭小的空间中进行，监测工作需要与施工工序协调进行，否则会影响施工进度；3)由于微震传感器在岩体中监测范围有限，随着竖井掘进面的不断下移，需要不断地重新布置传感器，以保证微震的定位精度。因此，针对微震监测技术在超深竖井施工过程的应用中，监测点合理布置和工序协调复杂等问题，有必要研究合理的传感器布置方式，建立与开挖工序和掘进速度相适应的微震监测方案，实现微震事件的连续监测，从而对开挖过程中岩体稳定性进行评估预警，为微震监测技术在大断面超深竖井开挖过程中的应用奠定基础。
发明内容
本发明的目的是针对微震监测技术在超深竖井的应用过程中，监测点合理布置和工序协调复杂等问题，提供一种适用于超深竖井施工过程中微震传感器的布置方法，建立与开挖工序和掘进速度相适应的微震监测方案，实现竖井开挖工程中微破裂信号源的有效捕捉，提高微震震源的定位精度，为微震监测技术在大断面超深竖井开挖过程中的应用奠定基础。
本发明采用的技术方案为：
一种适用于超深竖井施工过程中微震传感器的布置方法，包括如下步骤：
1)第一组传感器的布置
在离开挖掌子面最近的已衬砌马头门岩壁和与其对应的竖井井壁内布置第一组传感器,在已衬砌马头门一侧的岩壁内设置传感器Ⅰ；在已衬砌马头门另一侧靠近竖井的井壁处设置传感器Ⅱ；传感器Ⅲ设置在竖井的井壁内，传感器Ⅲ与传感器Ⅱ以竖井中心线为对称中心对称布置；在传感器Ⅰ上方的岩壁内设置传感器Ⅳ，所述传感器Ⅳ和传感器Ⅰ在已衬砌马头门中心线所在平面上的投影以已衬砌马头门中心线为对称中心呈对称布置；在传感器Ⅱ上方的井壁内设置传感器Ⅴ，所述传感器Ⅴ和传感器Ⅱ在已衬砌马头门中心线所在平面上的投影以已衬砌马头门中心线为对称中心呈对称布置；在传感器Ⅲ上方的井壁内设置传感器Ⅵ，所述传感器Ⅵ和传感器Ⅲ在已衬砌马头门中心线所在平面上的投影以已衬砌马头门中心线为对称中心呈对称布置；
2)第二组和第三组传感器随掌子面的下移交替布置
2.1)在已衬砌马头门下方的竖井井壁内布置第二组传感器，所述第二组传感器中各传感器位于同一平面a内；
2.2)在平面a下方的竖井井壁内布置第三组传感器，所述第三组传感器中各传感器位于同一平面b内，平面b与平面a平行，且平面b内第三组传感器中的各传感器与平面a内第二组传感器中的各传感器在水平投影上呈交错排布；
2.3)在平面b的下方重复步骤2.1)和2.2)，直至距离下一马头门底板高度不足30m时停止第二组和第三组传感器的交替下移布置。
所述的一种适用于超深竖井施工过程中微震传感器的布置方法，还包括步骤3)，当开挖到下一个马头门时，重复步骤1)和步骤2)重新布置第一、二和三组传感器，直到竖井开挖完毕；竖井的深度大于等于500m，所述竖井为大断面竖井。
所述的一种适用于超深竖井施工过程中微震传感器的布置方法，步骤1)中传感器Ⅰ，距离已衬砌马头门硐室中心线垂直距离3m左右，布置高度相对于已衬砌马头门底部1.5m，传感器Ⅱ和传感器Ⅲ的布置高度均为相对于已衬砌马头门底部1.5m。
所述的一种适用于超深竖井施工过程中微震传感器的布置方法，步骤2.1)平面a中各传感器布置在离掘进掌子面最近的已衬砌马头门下方20-25m处已衬砌的井壁内；
步骤2.2)当掘进掌子面离平面a距离为25-30m时，开始进行平面b内第三组传感器的布置，平面b中第三组传感器布置在平面a下方已衬砌的井壁内。
所述的一种适用于超深竖井施工过程中微震传感器的布置方法，步骤2.3)在平面b的下方重复步骤2.1)和2.2)，采用回收式安装方式进行传感器的布置，步骤2.3)在平面b的下方重复步骤2.1)并安装步骤2.1)中平面a内的传感器，重复步骤2.2.)并安装步骤2.2)中平面b内的传感器。
所述的一种适用于超深竖井施工过程中微震传感器的布置方法，各组中传感器的数据线布设在竖井内壁人工打的线槽里面，并用速凝水泥封住线槽。
所述的一种适用于超深竖井施工过程中微震传感器的布置方法，还具有数据采集服务器，所述数据采集服务器布置在离掘进掌子面最近的已衬砌马头门一侧的硐室中。
所述的一种适用于超深竖井施工过程中微震传感器的布置方法，所述第一组、第二组和第三组传感器的安装均在井筒爆破、通风、出渣工序完毕后，到下一次爆破装药开始时的这一段时间之内工人依托吊盘进行安装。
所述的一种适用于超深竖井施工过程中微震传感器的布置方法，所述第一组、第二组和/或第三组传感器中的各传感器均为单向速度传感器，可测范围为10—2000Hz。
所述的一种适用于超深竖井施工过程中微震传感器的布置方法，所述第一组、第二组和第三组传感器中各传感器均采用打孔安装的方式进行安装布置，且布置深度均超过围岩松弛深度，所述第一组传感器采用注浆的方式固定在孔底，使传感器与岩体固定耦合；所述第二组传感器和第三组传感器采用可回收式安装方式进行安装。
本发明具有以下有益效果：
1)考虑到竖井开挖过程中各工序的特点，安装传感器的时机选择在竖井开挖过程中的爆破、通风、出渣工序完毕后，直到下一次爆破装药开始时，这一段时间之内进行安装。合理利用传感器安装的最佳时机，减少了对竖井施工进度的影响。
2)第一组传感器采用永久安装的方式安装在马头门区域附近，不仅可以对竖井开挖过程中稳定性进行监测，同时也可以对竖井开挖后采场的稳定性进行监测。第二组传感器和第三组传感器采用可回收式的安装方式进行安装，并随掘进面的下移而移动，这样可实现对微震活动频繁的开挖面附近岩体稳定性进行局部重点监测。各组传感器相互协调，有利于对竖井整个开挖过程中的监测评估和预警。
3)充分利用竖井开挖提供的空间，三组传感器分别布置在离开挖掘进面最近的马头门及其以下区域，第一组中的各传感器在水平投影上呈交错方式布置，第二组和第三组中的传感器随着开挖面的下移而不断交替移动，并且在水平投影上也呈交错方式布置，这样有利于对竖井开挖过程中岩体产生的微破裂信号进行采集，同时也保证了微震源定位精度。
附图说明
图1为实施例中第一组传感器布置示意图。
图1a为图1所示A-A剖视图。
图2为第二组和第三组传感器布置示意图。
图2a为图2所示B-B剖视图。
图3为第二组传感器和第三组传感器随开挖掌子面移动交替布置示意图。
图3a为图3所示C-C剖视图。
图4为竖井开挖过程中监测到的微震事件定位结果。
图中：1-竖井；2-井壁；3-硐室；4-已衬砌马头门；5-掌子面；11-传感器Ⅰ；12-传感器Ⅱ；13-传感器Ⅲ；14-传感器Ⅳ；15-传感器Ⅴ；16-传感器Ⅵ；21-1号传感器；22-2号传感器；23-3号传感器；24-4号传感器；25-5号传感器；26-6号传感器；
具体实施方式
一种适用于超深竖井施工过程中微震传感器的布置方法，包括如下步骤：
1)第一组传感器的布置
在离开挖掌子面最近的已衬砌马头门4岩壁和与其对应的竖井1井壁2内布置第一组传感器,在已衬砌马头门4一侧的岩壁内设置传感器Ⅰ11；在已衬砌马头门4另一侧靠近竖井1的井壁处设置传感器Ⅱ12；传感器Ⅲ13设置在竖井1的井壁内，传感器Ⅲ13与传感器Ⅱ12以竖井1中心线为对称中心对称布置；在传感器Ⅰ11上方的岩壁内设置传感器Ⅳ14，所述传感器Ⅳ14和传感器Ⅰ11在已衬砌马头门4中心线所在平面上的投影以已衬砌马头门4中心线为对称中心呈对称布置；在传感器Ⅱ12上方的井壁内设置传感器Ⅴ15，所述传感器Ⅴ15和传感器Ⅱ12在已衬砌马头门4中心线所在平面上的投影以已衬砌马头门4中心线为对称中心呈对称布置；在传感器Ⅲ13上方的井壁内设置传感器Ⅵ16，所述传感器Ⅵ16和传感器Ⅲ13在已衬砌马头门4中心线所在平面上的投影以已衬砌马头门4中心线为对称中心呈对称布置；优选地，传感器Ⅰ11距离已衬砌马头门4硐室3中心线垂直距离3m左右，布置高度相对于已衬砌马头门4底部1.5m，传感器Ⅱ12和传感器Ⅲ13的布置高度均为相对于已衬砌马头门4底部1.5m；
2)第二组和第三组传感器随掌子面的下移分两个平面交替布置
2.1)根据吊盘的活动范围及定位精度的要求，在已衬砌马头门4下方的竖井1井壁内布置第二组传感器，所述第二组传感器中各传感器位于同一平面a内；优选地，平面a中各传感器布置在离掘进掌子面最近的已衬砌马头门4下方20-25m处的已衬砌的井壁2内；
2.2)在平面a下方的竖井1井壁内布置第三组传感器，所述第三组传感器中各传感器位于同一平面b内，平面b与平面a平行，且平面b内第三组传感器中的各传感器与平面a内第二组传感器中的各传感器在水平投影上呈交错排布；优选地，当掘进掌子面离平面a距离为25-30m时，开始进行平面b内第三组传感器的布置，平面b中第三组传感器布置在平面a下方已衬砌的井壁内。
2.3)在平面b的下方重复步骤2.1)和2.2)，直至距离下一马头门底板高度不足30m时停止第二组和第三组传感器的交替下移布置，优选地，在平面b的下方重复步骤2.1)和2.2)，采用回收式安装方式进行传感器的布置，步骤2.3)在平面b的下方重复步骤2.1)并安装步骤2.1)中平面a内的传感器，重复步骤2.2.)并安装步骤2.2)中平面b内的传感器。
步骤3)，当开挖到下一个马头门时，重复步骤1)和步骤2)重新布置第一、二和三组传感器，直到竖井1开挖完毕。竖井1的深度为500-2000m，所述竖井1为大断面竖井1。
优选地，上述各组中传感器的数据线布设在竖井1内壁人工打的线槽里面，并用速凝水泥封住线槽，避免吊盘上下移动压坏或井筒掘进爆破损坏传感器数据线。在离掘进掌子面最近的已衬砌马头门4一侧的硐室3中布置数据采集服务器，各组中的传感器通过数据线将采集的数据传送至最近的数据采集服务器中。
更为选有地，第一组、第二组和/或第三组传感器中的各传感器均为单向速度传感器，可测范围为10—2000Hz。各组传感器的安装均在井筒爆破、通风、出渣工序完毕后，到下一次爆破装药开始时的这一段时间之内工人依托吊盘进行安装。各传感器均采用打孔安装的方式进行安装布置，且布置深度均超过围岩松弛深度，其中第一组传感器采用永久安装方式布置，即采用注浆的方式固定在孔底，使传感器与岩体固定耦合。第二组和第三组传感器采用可回收式安装方式进行安装。
实施例
某竖井开挖直径10m，计划开挖深度-1500m，目前开挖深度-1100m，围岩松弛深度1.2m，井壁衬砌厚度0.6m，马头门衬砌厚度0.5m，两马头门的垂直距离为60m，部分区域垂直距离为90m。采用上述一种适用于超深竖井施工过程中微震传感器的布置方法对该竖井开挖过程中进行稳定性监测与灾害评估，具体步骤如下：
1)第一组传感器的布置，其中第一组传感器为六只单向速度传感器，型号为武汉海震科技公司生产的GU10型传感器，可测范围10～2000Hz，如图1、1a所示第一组中的各传感器布置在离开挖面最近的已衬砌马头门4及其附近区域。当井筒掘进掌子面离马头门4底部10m左右的距离时，在井筒爆破、通风、出渣工序完毕后，到下一次爆破装药开始时，这一段时间之内工人依托吊盘和马头门进行打孔安装。传感器Ⅰ11布置在已衬砌马头门4一侧的岩壁里面，距离马头门硐室中心线垂直距离3m左右，布置高度相对于已衬砌马头门4底部1.5m。传感器Ⅱ12布置在已衬砌马头门4另一侧靠近井壁2处，布置高度相对于已衬砌马头门4底部1.5m。传感器Ⅲ13与传感器Ⅱ12以竖井中心线呈对称布置，布置高度为相对于已衬砌马头门4底部1.5m。传感器Ⅳ14、传感器Ⅴ15、传感器Ⅵ16分别与传感器Ⅰ11、传感器Ⅱ12、传感器Ⅲ13以已衬砌马头门4中心线呈对称布置，传感器Ⅵ14布置高度为相对于已衬砌马头门4底部4m。传感器Ⅴ15和传感器Ⅵ16布置高度为相对于已衬砌马头门4底部8m。各传感器在已衬砌马头门4中心线所在水平面的投影上呈交错方式布置，上述各传感器的布置深度均为2m，并且采用注浆的方式使之固定在孔底，使传感器与岩体固定耦合，保证传感器对岩体微破裂信号的有效接收。传感器Ⅲ13和传感器Ⅵ16的数据线布设在井筒内壁人工打的线槽里面，并用速凝水泥封住线槽。从吊盘接入电源到马头门一侧的硐室中，保证数据采集服务器的供电。
2)第二组传感器和第三组传感器均为三只单向速度传感器，如图2、2a、3、3a所示，第二组传感器包括1号传感器21，2号传感器22和3号传感器23。第三组传感器包括4号传感器24，5号传感器25和6号传感器26，型号为武汉海震科技公司生产的GU10型传感器，可测范围10～2000Hz。
2.1)根据吊盘活动范围和定位精度的要求，平面a中布置第二组传感器，第二组的三只传感器布置在离掘进掌子面最近的马头门下方20m处已衬砌的井壁2里面。
2.2)当掘进掌子面离平面a距离为25m左右时，开始进行在平面b内布置第三组传感器，平面b中第三组的三只传感器布置在平面a下方20m处已衬砌的井壁2里面，并且保证平面b中的传感器与平面a中的传感器在水平投影上呈交错形式。在井筒爆破、通风、出渣工序完毕后，到下一次爆破装药开始时，这一段时间之内工人依托吊盘进行安装。各传感器的布置深度均为2m，超过围岩的松弛深度，传感器数据线布设在井筒内壁人工打的线槽里面，并用速凝水泥封住线槽，避免吊盘上下移动压坏或井筒掘进爆破损坏传感器数据线。数据采集服务器布置在离掘进面最近的马头门一侧的硐室中。
2.3)采用可回收式安装方式进行布置。当开挖掌子面向下延深距平面b达到25m时，工人依托吊盘对平面a中的传感器进行回收，在平面b下20m已衬砌的井壁处重新布置平面a。直至距离下一马头门底部高度不足30m时停止下移。
3)当开挖到下一个马头门时，重新按照步骤1)、步骤2)重新布置传感器，直到竖井开挖完毕。
对测试结果进行及时分析处理，图4为2015年11月5日到2015年11月8日传感器监测事件定位结果。在此期间，微震传感器在掘进面井壁周围共监测到48个微震事件，其中有4个-1.0震级事件，6个-1.2震级事件，3个-1.8震级事件事件，8个-2.0震级事件，27个小于-2.5震级事件。球体越大代表岩体微破裂释放的能量就越大，监测结果为掘进面周围井壁微震事件密集，说明井筒开挖对井壁周围围岩造成强烈的扰动和损伤，引起岩体内部裂隙的产生和扩展，这与超深竖井开挖过程中井壁围岩岩体扰动损伤规律一直。在超深竖井开挖过程中，采用本方法布置传感器进行监测，能实现竖井开挖工程中微破裂信号源的有效捕捉，同时提高微震震源的定位精度，为微震监测技术在大断面超深竖井开挖过程中的应用奠定基础。
Claims (9)
1.一种适用于超深竖井施工过程中微震传感器的布置方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)第一组传感器的布置
在离开挖掌子面最近的已衬砌马头门(4)岩壁和与其对应的竖井(1)井壁内布置第一组传感器,在已衬砌马头门(4)一侧的岩壁内设置传感器Ⅰ(11)；在已衬砌马头门(4)另一侧靠近竖井(1)的井壁处设置传感器Ⅱ(12)；传感器Ⅲ(13)设置在竖井(1)的井壁内，传感器Ⅲ(13)与传感器Ⅱ(12)以竖井(1)中心线为对称中心对称布置；在传感器Ⅰ(11)上方的岩壁内设置传感器Ⅳ(14)，所述传感器Ⅳ(14)和传感器Ⅰ(11)在已衬砌马头门(4)中心线所在平面上的投影以已衬砌马头门(4)中心线为对称中心呈对称布置；在传感器Ⅱ(12)上方的井壁内设置传感器Ⅴ(15)，所述传感器Ⅴ(15)和传感器Ⅱ(12)在已衬砌马头门(4)中心线所在平面上的投影以已衬砌马头门(4)中心线为对称中心呈对称布置；在传感器Ⅲ(13)上方的井壁(2)内设置传感器Ⅵ(16)，所述传感器Ⅵ(16)和传感器Ⅲ(13)在已衬砌马头门(4)中心线所在平面上的投影以已衬砌马头门(4)中心线为对称中心呈对称布置；
2)第二组和第三组传感器随掌子面的下移交替布置
2.1)在已衬砌马头门(4)下方的竖井(1)井壁(2)内布置第二组传感器，所述第二组传感器中各传感器位于同一平面a内；
2.2)在平面a下方的竖井(1)井壁内布置第三组传感器，所述第三组传感器中各传感器位于同一平面b内，平面b与平面a平行，且平面b内第三组传感器中的各传感器与平面a内第二组传感器中的各传感器在水平投影上呈交错排布；
2.3)在平面b的下方重复步骤2.1)和2.2)，直至平面a或平面b距离下一马头门底板高度不足30m时停止第二组和第三组传感器的交替下移布置。
2.根据权利要求1所述的一种适用于超深竖井施工过程中微震传感器的布置方法，其特征在于，还包括步骤3)，当开挖到下一个马头门时，重复步骤1)和步骤2)重新布置第一、二和三组传感器，直到竖井(1)开挖完毕；竖井(1)的深度大于等于500m，所述竖井(1)为大断面竖井(1)。
3.根据权利要求1所述的一种适用于超深竖井施工过程中微震传感器的布置方法，其特征在于，步骤1)中传感器Ⅰ(11)，距离已衬砌马头门(4)硐室(3)中心线垂直距离3m，布置高度相对于已衬砌马头门(4)底部1.5m，传感器Ⅱ(12)和传感器Ⅲ(13)的布置高度均为相对于已衬砌马头门(4)底部1.5m。
4.根据权利要求1所述的一种适用于超深竖井施工过程中微震传感器的布置方法，其特征在于，步骤2.1)平面a中各传感器布置在离掘进掌子面最近的已衬砌马头门(4)下方20-25m处已衬砌的井壁(2)内；
步骤2.2)当掘进掌子面离平面a距离为25-30m时，开始进行平面b内第三组传感器的布置，平面b中第三组传感器布置在平面a下方已衬砌的井壁内。
5.根据权利要求1所述的一种适用于超深竖井施工过程中微震传感器的布置方法，其特征在于，各组中传感器的数据线布设在竖井(1)内壁人工打的线槽里面，并用速凝水泥封住线槽。
6.根据权利要求1所述的一种适用于超深竖井施工过程中微震传感器的布置方法，其特征在于，还具有数据采集服务器，所述数据采集服务器布置在离掘进掌子面最近的已衬砌马头门(4)一侧的硐室(3)中。
7.根据权利要求1所述的一种适用于超深竖井施工过程中微震传感器的布置方法，其特征在于，所述第一组、第二组和第三组传感器的安装均在井筒爆破、通风、出渣工序完毕后，到下一次爆破装药开始时的这一段时间之内工人依托吊盘进行安装。
8.根据权利要求1所述的一种适用于超深竖井施工过程中微震传感器的布置方法，其特征在于，所述第一组、第二组和/或第三组传感器中的各传感器均为单向速度传感器，可测范围为10—2000Hz。
9.根据权利要求1所述的一种适用于超深竖井施工过程中微震传感器的布置方法，其特征在于，所述第一组、第二组和第三组传感器中各传感器均采用打孔安装的方式进行安装布置，且布置深度均超过围岩松弛深度，所述第一组传感器采用注浆的方式固定在孔底，使传感器与岩体固定耦合；所述第二组传感器和第三组传感器采用可回收式安装方式进行安装。
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