CN110824550B - 一种隧道不良地质体微震超前探测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种隧道不良地质体微震超前探测系统及方法，解决了超前地质预报和微震监测独立监测和定位不准的问题；该装置包括处理器、采集终端、设置于隧道一侧的微震监测检波器序列、设置于隧道另一侧的超前探测检波器序列以及设置在掌子面沿隧道轴线上的震源；所述微震监测检波器序列和超前探测检波器序列分别通过传输光缆与采集终端连接，将采集的微震信息传输给采集终端，所述采集终端对接收到的微震信息进行筛分处理后，传输给处理器；处理器对筛分后的微震信息进行数据处理和反演成像，实现了对掌子面前方的不良地质体定位以及对可能发生的地质灾害演化态势预测。
Description
技术领域
本发明涉及隧道开挖技术领域，具体涉及一种可以用于隧道开挖等方面掌子面前方的不良地质体微震超前探测系统及方法。
背景技术
隧道开挖过程中，常遇各种不良地质体，倘若不能及时掌握掌子面前方不良地质体的信息，将会对隧道施工带来很大的盲目性和危险性。因此，及时对掌子面前方的地质信息进行探测及对不良地质体进行动态实时监测显得尤为重要。
目前，微震监测与超前预报方法种类繁多，现有的超前预报方法有HSP、TSP、TGP、TRT、TST、负视速度等各种超前预报方法；现有的微震监测方法有三分量检波器监测、单分量检波器监测及混合分量检波器监测等。
发明人在研发过程中发现，现有的微震监测与超前预报方法未能将微震的动态实时监测，与超前地质预报的静态探测进行有机结合，往往需要分开进行，工作繁琐，时间成本高，耽误施工。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种隧道不良地质体微震超前探测系统及方法，解决了超前地质预报和微震监测独立监测和定位不准的问题。
本发明一方面提供的一种隧道不良地质体微震超前探测装置的技术方案是：
一种隧道不良地质体微震超前探测装置，该装置包括处理器、采集终端、设置于隧道一侧的微震监测检波器序列、设置于隧道另一侧的超前探测检波器序列以及设置在掌子面沿隧道轴线上的震源；所述微震监测检波器序列和超前探测检波器序列分别通过传输光缆与采集终端连接，将采集的微震信息传输给采集终端，所述采集终端对接收到的微震信息进行筛分处理后，传输给处理器；处理器对筛分后的微震信息进行数据处理和反演成像，实现了对掌子面前方的不良地质体定位以及对可能发生的地质灾害演化态势预测。
进一步的，所述超前探测检波器序列和微震监测检波器序列中检波器均为三分量光纤检波器。
进一步的，所述震源为便携可移动式电火花震源。
进一步的，所述采集终端包括光纤解调模块和信号处理模块，所述布里渊分布式光纤解调模块包括干涉仪、密集波分复用器、光电探测阵列、ADC转换器和FPGA，所述干涉仪接收微震监测检波器序列和超前探测检波器序列采集的微震信息，依次经过密集波分复用器、光电探测阵列、ADC转换器和FPGA的预处理后，输出给信号处理模块，所述信号处理模块对信息进行反卷积运算、定位及深度域偏移成像筛分处理后，输出给处理器。
进一步的，所述处理器包括：
微震监测数据处理模块，用于对筛分后的微震信息进行数据处理和反演成像，预测可能发生的不良地质灾害演化态势；
超前预报数据处理模块，用于对筛分后的微震信息进行数据处理和反演成像，对前方的不良地质体进行超前预报。
进一步的，所述数据处理包括微震信息的相干性分析、波速场的分析、反卷积、极化特征分析的一项或多项。
本发明另一方面提供的一种隧道不良地质体微震超前探测装置的技术方案是：
一种隧道不良地质体微震超前探测方法，该方法是基于如上所述的隧道不良地质体微震超前探测装置，该方法包括以下步骤：
位于掌子面的震源发生至少2次振动产生连续的地震波信号，该信号沿隧道两侧传播；
微震监测检波器序列实时采集掌子面前方岩体的声发射信息，同时，超前探测检波器序列实时采集电火花震源激发的地震波场信息，并分别传送给采集终端；
采集终端对接收到的声发射信息和地震波场信息进行筛分处理，并将筛分后的微震信息传输给处理器；
处理器对筛分后的微震信息进行数据处理和反演成像，实现对掌子面前方的不良地质体定位以及对可能发生的地质灾害演化态势预测。
进一步的，所述数据处理包括微震信息的相干性分析、波速场的分析、反卷积、极化特征分析的一项或多项。
进一步的，所述处理器对微震信息进行反演成像的步骤包括：
利用透射波，估算出所测岩体的背景速度；
利用估算出的背景速度以及微震信息进行并行运算，确定反射系数；
利用反射系数、背景速度以及背景速度扰动量不断迭代更新背景速度，最终实现反演成像。
通过上述技术方案，本发明的有益效果是：
(1)本发明实现微震动态实时监测及基于主动电火花震源的静态超前探测的有机统一；通过微震动态实时监测，获取不良地质体灾变演化信息；通过主动震源激发的振动产生的波长信息，对前方的不良地质体进行超前预报；
(2)本发明台网布设简单，工序简单，耗时少，安全性高，系统工作稳定，抗干扰能力强；
(3)本发明采用便携可移动式电火花震源代替了传动的炮点，安全性高，准备时间大幅降低；
(4)本发明的检波器均为光纤产品，组网简单，防水性耐久性好，抗电磁干扰能力强，信息传输速度快，可以适应高温、高压等复杂地质环境。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本发明的不当限定。
图1是实施例一隧道不良地质体微震超前探测装置的结构图；
图2是实施例一中采集终端的结构图。
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。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一
本实施例提供一种隧道不良地质体微震超前探测装置，请参阅附图1，该装置包括处理器7、采集终端3、设置于隧道一侧的微震监测检波器序列2、设置于隧道另一侧的超前探测检波器序列4以及设置在接收点前方的掌子面沿隧道轴线上的电火花震源1；所述微震监测检波器序列2和超前探测检波器序列4分别通过传输光缆与采集终端3连接，所述采集终端3与处理器7连接。
在本实施例中，所述超前探测检波器序列是按照现有的TSP超前地质预报方法台网布置在隧道一侧，所述微震监测检波器序列是按照微震监测台网布置在另一侧；所述微震监测检波器序列和超前探测检波器序列一并组网成新的联合台网布设序列，分别通过光纤与采集终端连接。
所述超前探测检波器序列和微震监测检波器序列中检波器均为三分量光纤检波器。
在本实施例中，根据电火花震源探头大小，在掌子面沿隧道轴线方向打一个20-40cm深的钻孔，将电火花震源插入其中，待调试好仪器，激发电火花震源，产生振动。
本实施例激发振动所使用的震源非传统的炮点，而采用电火花震源作为主动震源。该电火花震源为便携可移动式电火花震源，采用便携可移动式电火花震源代替了传动的炮点，安全性高，准备时间大幅降低。
通过至少2次位于掌子面的电火花激发的振动作为震源，所述微震监测检波器序列中每个检波器采集掌子面前方岩体实时的声发射信息，通过光纤传输给采集终端；同时，所述超前探测检波器序列中每个检波器采集电火花震源激发的地震波场信息，通过光纤传输给采集终端；所述采集终端对接收到的信息进行预处理、反卷积运算、定位及深度域偏移成像，从而实现微震实时动态监测和基于主动电火花震源的超前探测的“动-静”结合式探测，实现了对掌子面前方的不良地质体进行定位以及对可能发生的地质灾害演化态势进行预测。
请参阅附图2，所述采集终端3包括布里渊分布式光纤解调模块和信号处理模块，所述布里渊分布式光纤解调模块包括干涉仪、密集波分复用器、光电探测阵列、ADC转换器和FPGA，所述干涉仪接收微震监测检波器序列2和超前探测检波器序列4采集的微地震波信息，依次经过密集波分复用器、光电探测阵列、ADC转换器和FPGA的预处理后，输出给信号处理模块，所述信号处理模块对信息进行反卷积运算、定位及深度域偏移成像筛分处理后，输出给处理器7。
在本实施例中，所述采集终端3还包括显示模块和电源模块，所述电源模块，用于给整个采集终端供电；所述显示模块，用于显示信号处理模块处理的结果。
在本实施例中，所述处理器7包括微震监测数据处理模块5和超前预报数据处理模块6，其中：
所述微震监测数据处理模块5，用于采用偏移成像或被动层析成像技术，对所监测的微地震波信息进行数据处理和反演成像，预测可能发生的不良地质灾害演化态势。
所述超前预报数据处理模块6，用于采用偏移成像或被动层析成像技术，对所监测的微地震波信息进行数据处理和反演成像，对前方的不良地质体进行超前预报。
所述数据处理包括微地震波信息的相干性分析、波速场的分析、反卷积、极化特征分析等。
本实施例采用采集终端可对数据进行筛分，将筛分后的数据分别进行微震监测和超前地质预报，大幅提高数据分析处理效率，提升了不良地质体的定位精度。
实施例二
本实施例提供了一种隧道不良地质体微震超前探测方法，该方法是基于实施例一所述的隧道不良地质体微震超前探测装置实现的，将一部分检波器按照现有的TSP超前地质预报方法台网布置，另一部分检波器按照微震监测台网布置，将两部分传感器一并组网成新的台网阵列，检波器连接在采集站或地震仪上；在接收点前方的掌子面的单个电火花震源所产生的振动为震源，每个联合台网中的检波器同时接收震源所激发的地震波信息，通过分析各检波器所接收的地震波信息进行定位和反演成像，实现微震动态实时监测及基于主动电火花震源的静态超前探测的有机统一。
请参阅附图2，该隧道不良地质体微震超前探测方法包括以下步骤：
S101，位于掌子面的电火花震源发生至少2次振动产生连续的地震波信号，该信号沿隧道两侧传播，以此信号作为微震监测和超前探测的震源信号。
S102，所述微震监测检波器序列中每个检波器实时采集掌子面前方岩体的声发射信息，同时，所述超前探测检波器序列中每个检波器实时采集电火花震源激发的地震波场信息，所述声发射信息和地震波场信息分别传送给所述采集终端。
S103，所述采集终端对接收到的声发射信息和地震波场信息进行筛分处理，并将筛分后的信息传输给处理器。
具体地，所述采集终端对接收到的声发射信息和地震波场信息进行筛分处理的步骤包括：
干涉仪接收微震监测检波器序列2和超前探测检波器序列4采集的信息，依次经过密集波分复用器、光电探测阵列、ADC转换器和FPGA的预处理后，输出给信号处理模块，所述信号处理模块对信息进行反卷积运算、定位及深度域偏移成像处理后，输出给处理器7。
S104，处理器使用偏移成像或被动层析成像技术，对筛分后的微震信息进行数据处理和反演成像，实现了对掌子面前方的不良地质体进行定位以及对可能发生的地质灾害演化态势进行预测。
具体地，所述处理器对筛分后的微震信息进行数据处理的具体实现过程为：
对微震信息的相干性分析、波速场的分析、反卷积中、极化特征分析等。
具体地，所述处理器对微震信息进行反演成像的具体实现过程为：
采用经典的FWI反演成像技术，首先利用透射波大致估算出所测岩体的背景速度，其次利用估算出的背景速度以及所采集的反射波并行运算确定反射系数，最后利用反射系数、背景速度以及背景速度扰动量不断迭代更新背景速度，最终实现反演成像。
本实施例提供的隧道不良地质体微震超前探测方法，能够通过数据分析和定位算法，对不良地质体进行准确定位，为判断可能发生的地质灾害演化态势提供数据，最终为地下工程灾害的主动防控供技术支撑。
从以上的描述中，可以看出，上述的实施例实现了如下技术效果：
1、实现微震动态实时监测及基于主动电火花震源的静态超前探测的有机统一；通过微震动态实时监测，获取不良地质体灾变演化信息；通过主动震源激发的振动产生的波长信息，对前方的不良地质体进行超前预报；
2、联合台网序列布设简单，工序简单，耗时少，安全性高，系统工作稳定，抗干扰能力强；
3、采用便携可移动式电火花震源代替了传动的炮点，安全性高，准备时间大幅降低；
4、检波器均为光纤产品，组网简单，防水性耐久性好，抗电磁干扰能力强，信息传输速度快，可以适应高温、高压等复杂地质环境。
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 (8)
1.一种隧道不良地质体微震超前探测方法，其特征是，包括以下步骤：
位于掌子面的震源发生至少2次振动产生连续的地震波信号，该信号沿隧道两侧传播，以此信号作为微震监测和超前探测的震源信号；
将一部分检波器按照现有的TSP超前地质预报方法台网布置，另一部分检波器按照微震监测台网布置，将两部分传感器一并组网成新的台网阵列，每个联合台网中的检波器同时接收震源所激发的地震波信息；
微震监测检波器序列实时采集掌子面前方岩体的声发射信息，同时，超前探测检波器序列实时采集电火花震源激发的地震波场信息，并分别传送给采集终端；
采集终端对接收到的声发射信息和地震波场信息进行筛分处理，并将筛分后的微震信息传输给处理器；
处理器对筛分后的微震信息进行数据处理和反演成像，实现对掌子面前方的不良地质体定位以及对可能发生的地质灾害演化态势预测。
2.根据权利要求1所述的隧道不良地质体微震超前探测方法，其特征是，所述数据处理包括微震信息的相干性分析、波速场的分析、反卷积、极化特征分析的一项或多项。
3.根据权利要求1所述的隧道不良地质体微震超前探测方法，其特征是，所述处理器对微震信息进行反演成像的步骤包括：
利用透射波，估算出所测岩体的背景速度；
利用估算出的背景速度以及微震信息进行并行运算，确定反射系数；
利用反射系数、背景速度以及背景速度扰动量不断迭代更新背景速度，最终实现反演成像。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的一种隧道不良地质体微震超前探测方法的装置，其特征是，包括处理器、采集终端、设置于隧道一侧的微震监测检波器序列、设置于隧道另一侧的超前探测检波器序列以及设置在掌子面沿隧道轴线上的震源；所述微震监测检波器序列和超前探测检波器序列分别通过传输光缆与采集终端连接，将采集的微震信息传输给采集终端，所述采集终端对接收到的微震信息进行筛分处理后，传输给处理器；处理器对筛分后的微震信息进行数据处理和反演成像，实现了对掌子面前方的不良地质体定位以及对可能发生的地质灾害演化态势预测。
5.根据权利要求4所述的隧道不良地质体微震超前探测方法的装置，其特征是，所述超前探测检波器序列和微震监测检波器序列中检波器均为三分量光纤检波器。
6.根据权利要求4所述的隧道不良地质体微震超前探测方法的装置，其特征是，所述震源为便携可移动式电火花震源。
7.根据权利要求4所述的隧道不良地质体微震超前探测方法的装置，其特征是，所述采集终端包括光纤解调模块和信号处理模块，所述光纤解调模块包括干涉仪、密集波分复用器、光电探测阵列、ADC转换器和FPGA，所述干涉仪接收微震监测检波器序列和超前探测检波器序列采集的微震信息，依次经过密集波分复用器、光电探测阵列、ADC转换器和FPGA的预处理后，输出给信号处理模块，所述信号处理模块对信息进行反卷积运算、定位及深度域偏移成像筛分处理后，输出给处理器。
8.根据权利要求4所述的隧道不良地质体微震超前探测方法的装置，其特征是，所述处理器包括：
微震监测数据处理模块，用于对筛分后的微震信息进行数据处理和反演成像，预测可能发生的不良地质灾害演化态势；
超前预报数据处理模块，用于对筛分后的微震信息进行数据处理和反演成像，对前方的不良地质体进行超前预报。
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