CN106501848B - 一种隧道掘进过程中隐性断层超前物探方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种隧道掘进过程中隐性断层超前物探方法，基于微震监测系统，通过分析微震事件的空间分布与隧道掘进工作面之间的关系，判断出断层活化引起的微震事件；选取断层活化引起的微震事件进行分析，画出断层活化引起的微震事件的能量密度云图，从而判断隐性断层的倾角和走向。该方法施工简单、准确率高、预报距离较长，具有极强的经济价值和社会意义。

Description

一种隧道掘进过程中隐性断层超前物探方法
技术领域
本发明属于隐性断层探测技术领域，具体涉及一种隧道掘进过程中隐性断层超前物探方法。
背景技术
在工程尺度下，隐性断层活化对突水、隧道(井巷)支护等都有很大的影响。因此，开展隧道(巷道)掘进过程中隐性断层超前物探方法工作对于工程断层活化引起的相关工程灾害的预警具有十分重要的意义。由于隐性断层往往规模较小，地质上不易被揭露，因此隧道(巷道)掘进过程中往往需要对隐性断层超前物探。现价段，对隐性断层超前物探方法主要有三维地震、超前钻孔和声波法。
大量实践表明，三维地震勘探技术在大型断层超前物探中的准确性较好，在小规模断层超前物探中的准确性较差。超前钻孔施工比较复杂，同时容易诱发瓦斯突出、突水等灾害，超前钻孔的长度一般在20m到50m之间，其超前预报的距离较短。声波法最大的缺点在于，近场准确性较高，超过一定距离(50m)其准确性大大降低。
近年来，微震监测技术作为一种岩体微破裂三维空间监测技术得到了迅速发展。微震主要监测岩体脆性材料在外力作用下，发生微破裂的时间、空间、强度以及相关震源参数，相对传统的位移或应力监测技术而言，微震监测技术具有如下几个重要特点：(1)监控范围广；(2)实现了监测的自动化、信息化和智能化；(3)监测仪器设备高集成性、小体积、多通道、高灵敏度；(4)支持自动监测和信息远程传输；(5)更有利于保证监测系统的长期运行。大量实践表明，微震监测技术是监测岩体微破坏及与微岩体破坏相关灾害问题的一种强有力手段。而断层在扰动应力场作用下，在活化过程中必然产生大量微震事件，因此如何将微震监测技术应用到隧道掘进过程中隐性断层超前物探中，是目前需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，提供一种施工简单、准确性高的隧道掘进过程中隐性断层超前物探方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种隧道掘进过程中隐性断层超前物探方法，包括以下步骤：
步骤一：在被监测隧道建立微震监测系统；
步骤二：根据微震监测系统监测到的实时波形数据依次进行滤波、微震事件判定、微震事件定位以及震源参数的确定；
步骤三：分析微震事件的空间分布与隧道掘进工作面之间的关系，判断哪些是隧道掘进引起的微震事件，哪些是断层活化引起的微震事件；
步骤四：选取断层活化引起的微震事件进行分析，采用微震事件定位信息和震源参数画出断层活化引起的微震事件的能量密度云图，并判断隐性断层的倾角和走向。
优选地，所述步骤一中微震监测系统包括设于已掘进的隧道一侧，距离工作面300m范围内的检波器，检波器布置在已掘进的隧道的两帮，在隧道走向方向和深度方向呈交错布置，检波器与数据采集系统相连；工作面每推进100m，隧道内布置的检波器整体向前移动100m。
优选地，所述数据采集系统依次与信号接收器、数字转化器以及数据采集与分析系统相连。
优选地，所述步骤三中，隧道掘进引起的微震事件分布于工作面前方50m以内；而当前方有断层，当工作面距离断层200m时，断层区域附近区域便开始产生微震事件，随着掘进工作面与断层距离的靠近，微震事件越来越多，直至掘进工作面通过断层200m距离，以此作为根据，判断哪些是隧道掘进引起的微震事件，哪些是断层活化引起的微震事件。
优选地，所述步骤四中，通过二维插值手段画出断层活化引起的微震事件的能量密度云图。
优选地，所述步骤四中，隐性断层引起的微震事件的能量密度云图呈带状分布，并以此判断隐性断层的倾角和走向。
本发明的有益效果是：本发明所提供的一种隧道掘进过程中隐性断层超前物探方法，基于微震监测系统，通过分析微震事件的空间分布与隧道掘进工作面之间的关系，判断出断层活化引起的微震事件；选取断层活化引起的微震事件进行分析，画出断层活化引起的微震事件的能量密度云图，从而判断隐性断层的倾角和走向。该方法施工简单、准确率高、预报距离较长，具有极强的经济价值和社会意义。
附图说明
图1是本发明隧道掘进过程中隐性断层超前物探方法的流程图；
图2是本发明检波器安装位置示意图；
图3是本发明微震监测系统的拓扑图；
图4是实施例一中掘进与断层活化引起微震事件数的关系图；
图5是实施例一中2015年2月1日断层活化引起微震事件的能量密度云图；
图6是实施例一中2015年3月1日断层活化引起微震事件的能量密度云图；
图7是实施例一中2015年4月1日断层活化引起微震事件的能量密度云图；
图8是实施例一中2015年5月1日断层活化引起微震事件的能量密度云图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：
如图1至图3所示，本发明的一种隧道掘进过程中隐性断层超前物探方法，包括以下步骤：
步骤一：在被监测隧道建立微震监测系统；微震监测系统包括设于已掘进的隧道一侧，距离工作面300m范围内的检波器，检波器布置在已掘进的隧道的两帮，在隧道走向方向和深度方向呈交错布置，检波器与数据采集系统相连；数据采集系统依次与信号接收器、数字转化器以及数据采集与分析系统相连。工作面每推进100m，隧道内布置的检波器整体向前移动100m。
步骤二：微震监测系统实时将监测到的波形数据传到地面的数据采集与分析系统，根据微震监测系统监测到的实时波形数据依次进行滤波、微震事件判定、微震事件定位以及震源参数的确定；
滤波主要是指将一些有规律性的干扰波形信号过滤掉，提高微震事件判定的效率和准确度。微震监测系统可能监测到的波形信号包括敲击实验信号、干扰信号和微震信号，这三种波形型号存在典型区别，微震信号可以看到明显的P波起震，然后衰减，紧接着S波起震，然后衰减的完整过程，微震事件持续的事件一般不超过300ms，微震主频率一般不超过200，并且至少被四个传感器接收到信号，以此作为微震事件判定的依据。
所述微震事件定位，首先确定每个传感器的微震事件波形的P波起震位置和S波起震位置，然后采用相对定位法、单纯形法及其混合定位法、震源位置和台站联合校正法、Geiger及各种改进法、最小二乘法、台偶时差法、EHB法以及双重残差法中的一种或几种方法的组合对微震事件进行定位，从而确定微震事件发生的平面坐标、深度以及发生时间；所述震源参数的确定，在微震事件发生的平面坐标、深度以及发生时间确定的条件下，通过分析波形，采用地震学的基本模型，从而确定微震事件的能量和矩震级。
步骤三：分析微震事件的空间分布与隧道掘进工作面之间的关系，隧道掘进引起的微震事件分布于工作面前方50m以内；而当前方有断层，当工作面距离断层200m时，断层区域附近区域便开始产生微震事件，随着掘进工作面与断层距离的靠近，微震事件越来越多，直至掘进工作面通过断层200m距离，以此作为根据，判断哪些是隧道掘进引起的微震事件，哪些是断层活化引起的微震事件。
步骤四：选取断层活化引起的微震事件进行分析，采用微震事件定位信息和震源参数，通过二维插值手段画出断层活化引起的微震事件的能量密度云图(包括俯视图和侧视图)，隐性断层引起的微震事件的能量密度云图(包括俯视图和侧视图)呈带状分布，并以此判断隐性断层的倾角和走向。
以下通过隧道掘进过程中的具体的实施例对上述隐性断层超前物探方法作进一步说明：
实施例一
一种基于该微震监测系统的隧道掘进过程中隐性断层超前物探方法，包括以下步骤：
步骤一：如图3所示，在被监测隧道建立微震监测系统；图中S1、S2、S3、S4、S5和S6为交错布置的检波器。
步骤二：微震监测系统24小时不间断采集工作面的微震监测数据，采集过程中，应对工作面进度以及工作面地质情况做好详细记录。根据微震监测系统监测到的实时波形数据依次进行滤波、微震事件判定、微震事件定位以及震源参数的确定，监测到的微震事件数随着时间的变化如图4所示，隧道掘进进度如表1所示：
Figure BDA0001153531930000041
表1掘进隧道掘进进度表
从图4可以看出，微震事件从1月中旬开始产生，表1中工作面从1月中旬开始掘进，两者之间具有对应关系。图4中从4月上旬至8月下旬，构造影响微震区的微震事件数呈现出稳定状态，8月下旬以后微震事件数继续增加(由其他工作面开采引起)。
步骤三：分析微震事件的空间分布与隧道掘进工作面之间的关系，隧道掘进引起的微震事件分布于工作面前方50m以内；而当前方有断层，当工作面距离断层200m时，断层区域附近区域便开始产生微震事件，随着掘进工作面与断层距离的靠近，微震事件越来越多，直至掘进工作面通过断层200m距离，以此作为根据，判断哪些是隧道掘进引起的微震事件，哪些是断层活化引起的微震事件。
步骤四：选取断层活化引起的微震事件进行分析，采用微震事件定位信息和震源参数画出断层活化引起的微震事件的能量密度云图，如图5至图8所示，依次为2015年2月1日、2015年3月1日、2015年4月1日和2015年5月1日的断层活化引起微震事件的能量密度云图，并判断隐性断层的倾角和走向。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种隧道掘进过程中隐性断层超前物探方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在被监测隧道建立微震监测系统；
步骤二：根据微震监测系统监测到的实时波形数据依次进行滤波、微震事件判定、微震事件定位以及震源参数的确定；微震监测系统监测到的波形信号包括敲击实验信号、干扰信号和微震信号，微震信号可以看到P波起震，然后衰减，紧接着S波起震，然后衰减的完整过程，微震事件持续的事件不超过300ms，微震主频率不超过200，并且至少被四个传感器接收到信号，以此作为微震事件判定的依据；所述微震事件定位，首先确定每个传感器的微震事件波形的P波起震位置和S波起震位置，然后采用相对定位法、单纯形法及其混合定位法、震源位置和台站联合校正法、Geiger及各种改进法、最小二乘法、台偶时差法、EHB法以及双重残差法中的一种或几种方法的组合对微震事件进行定位，从而确定微震事件发生的平面坐标、深度以及发生时间；所述震源参数的确定，在微震事件发生的平面坐标、深度以及发生时间确定的条件下，通过分析波形，采用地震学的基本模型，从而确定微震事件的能量和矩震级；
步骤三：分析微震事件的空间分布与隧道掘进工作面之间的关系，判断哪些是隧道掘进引起的微震事件，哪些是断层活化引起的微震事件；
步骤四：选取断层活化引起的微震事件进行分析，采用微震事件定位信息和震源参数画出断层活化引起的微震事件的能量密度云图，并判断隐性断层的倾角和走向；
所述步骤一中微震监测系统包括设于已掘进的隧道一侧，距离工作面300m范围内的检波器，检波器布置在已掘进的隧道的两帮，在隧道走向方向和深度方向呈交错布置，检波器与数据采集系统相连；工作面每推进100m，隧道内布置的检波器整体向前移动100m；
所述步骤三中，隧道掘进引起的微震事件分布于工作面前方50m以内；而当前方有断层，当工作面距离断层200m时，断层区域附近区域便开始产生微震事件，随着掘进工作面与断层距离的靠近，微震事件越来越多，直至掘进工作面通过断层200m距离，以此作为根据，判断哪些是隧道掘进引起的微震事件，哪些是断层活化引起的微震事件；
所述步骤四中，通过二维插值手段画出断层活化引起的微震事件的能量密度云图；
所述步骤四中，隐性断层引起的微震事件的能量密度云图呈带状分布，并以此判断隐性断层的倾角和走向。
2.根据权利要求1所述的隧道掘进过程中隐性断层超前物探方法，其特征在于：所述数据采集系统依次与信号接收器、数字转化器以及数据采集与分析系统相连。
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