CN113447978A - 一种掘进炮震源的隧道快速地震反射超前探测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种掘进炮震源的隧道快速地震反射超前探测方法，属于隧道围岩等级检测技术领域，包括以下步骤：布设掘进震源；布设检波器；起爆并接收各掘进震源的地震波；处理地震波数据。本发明采用掘进爆破雷管作为勘探震源，产生复杂的地震波；利用检波器持续接收掘进震源产生的地震直达波及遇到前方异常地质构造后反射的地震反射波；然后采用互相关处理从检波器接收的复杂地震波中计算得出各道地震反射波到达检波器的初至波走时；根据各掘进震源和检波器之间的位置关系及初至波走时，对得出的共炮点道集进行各个地震反射波提取；根据提取的各个地震反射波数据，采用叠前绕射偏移速度分析和成像处理，得到巷道前方围岩等级和地质异常分布。

Description

一种掘进炮震源的隧道快速地震反射超前探测方法
技术领域
本发明涉及隧道围岩等级检测技术领域，具体涉及一种掘进炮震源的隧道快速地震反射超前探测方法。
背景技术
地质构造和围岩等级突变会引起掘进隧道的灾害，造成大量的人员和经济损失。由于掘进隧道属于深部隐蔽性工程，在工程勘探阶段完全查明其相关的岩体特征以围岩等级是极其困难的，上述地质问题都需要掘进过程中的超前预报来加以解决。通过超前预测预报，能够及时、全面的了解掘进隧道前方工程地质和水文地质情况，进而合理的安排掘进计划、修正施工方案，采取相应预防措施，有效控制巷道地质灾害的发生，提高掘进效率，降低成本，隧道掘进迫切需求一种围岩等级超前快速检测技术。
目前常用的隧道地震超前探测方法，在巷道掘进前方异常探测的实际应用中，还存在着一定的缺陷，即现场数据采集过程中存在着施工效率低下的问题。以一般工程为例，需要设置20余个炮孔，现场放炮人员需要逐一放炮。根据《爆破安全规程》及《公路隧道施工技术规范》规定，两次放炮需间隔30分钟以上，以便于检查通风、瓦斯、煤尘和支护等情况。同时，《规程》还要求放炮人员需要与起爆点保持500米以上的安全距离。现场施工时严格遵守这些措施，会导致现场放炮的施工时间非常长，严重影响现场的掘进作业。为此，提出一种掘进炮震源的隧道快速地震反射超前探测方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：如何解决现有隧道地震超前探测现场施工过程中，存在的放炮效率低且影响掘进施工的问题，提供了一种掘进炮震源的隧道快速地震反射超前探测方法，该方法利用掘进炮(电控爆破雷管)作为震源，通过在侧帮安装地震波传感器，即能提取得出地震反射成像所需的数据进行地质探测，无需专门进行物探炸药起爆，从而有效提高采用隧道地震超前探测方法的施工效率。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括以下步骤：
S1：布设掘进震源
在隧道中掘进迎头位置沿预采掘方向打设钻孔，在钻孔内布设电控爆破雷管，完成后将各个电控爆破雷管的起爆线引出至起爆器；
S2：布设检波器
在隧道两侧帮距离掘进迎头设定距离外，线性布设多个无缆检波器，并记录各检波器之间的位置关系，将各检波器与采集主机通信连接；
S3：起爆并接收各掘进震源的地震波
起爆器连接时间记录器，启动起爆器并记录起爆时间，使掘进震源激发地震波，各检波器持续接收掘进震源产生的地震直达波及隧道前方异常地质构造反射回来的地震反射波，并将数据反馈给采集主机；
S4：处理地震波数据
采用互相关处理从各检波器接收的地震直达波及地震反射波中提取出该检波器接收各道地震反射波的共炮点道集，结合各道地震反射波的共炮点道集对地震反射波偏移成像，得到围岩等级评价依据
更进一步地，在所述步骤S1中，各电控爆破雷管即各掘进震源。
更进一步地，在所述步骤S2中，掘进迎头与最近的检波器之间的设定距离大于等于100米。
更进一步地，在所述步骤S3中，在所述步骤S3中，各电控爆破雷管依次起爆，并记录起爆器进行起爆动作的精确时刻。
更进一步地，在所述步骤S4中，得到地震反射波的共炮点道集的具体过程如下：
S401：选择一个检波器，并根据步骤S2确定该检波器与其中一个掘进震源之间的距离，将检波器接收该掘进震源产生的地震直达波信号，确定为参考信号，并确定该参考信号的初至波走时，即该道地震直达波从该震源发出到该检波器接收所经过的时间；
S402：将步骤S401确定的参考信号设为x(t)，y(t)为检波器采集得到的任意一道地震波数据，将x(t)与y(t)的相关函数定义为：
Figure BDA0003106892650000021
其中，Rxy(τ)是时间延迟为τ的数据x(t)与y(t)的互相关结果；
S403：对于剩余的检波器信号，重复步骤S41和S42，得出该掘进震源所产生的各道地震反射波，形成共炮点道集。
更进一步地，在所述步骤S4中，根据该掘进震源和各检波器之间的位置关系及对应的地震反射波初至波走时，进行地震反射波偏移成像。
更进一步地，进行地震反射波偏移成像的具体过程如下：
S411：采用τ-p法对步骤S403得出的共炮点道集进行各个地震反射波提取，设(t,x)域的二维信号
Figure BDA0003106892650000031
经转换到(τ,p)域后的二维信号为φ(τ,p)，则τ-p的正反变换公式为：
Figure BDA0003106892650000032
Figure BDA0003106892650000033
其中，t为t-x域中的初至波走时，x为掘进震源与检波器之间的距离，p为射线变量(水平波慢度)，τ为射线变量在时间轴上的截距；
S412：根据步骤S411提取的各个地震反射波数据，采用叠前绕射偏移速度分析和成像处理，得到巷道前方速度模型和异常地质构造分布，再根据围岩等级和弹性波速度(地震反射波)的关系，进而得到围岩等级评价依据。
本发明相比现有技术具有以下优点：该掘进炮震源的隧道快速地震反射超前探测方法，无需额外进行专门的物探放炮，通过掘进爆破雷管作为震源，即能提取得出地震反射成像所需的数据进行地质探测，从而有效提高采用隧道地震进行超前探测的施工效率，值得被推广使用。
附图说明
图1是本发明实施例二中掘进震源与检波器在隧道中布置示意图；
图2是本发明实施例二中互相关处理的原理示意图；
图3是本发明实施例二中隧道前方反射波提取方法的示意图；
图4是本发明实施例二中探测结果示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本实施例提供一种技术方案：一种掘进炮震源的隧道快速地震反射超前探测方法，包括以下步骤：
S1：布设掘进震源
在隧道中掘进迎头位置沿预采掘方向打设钻孔，在钻孔内布设电控爆破雷管，完成后将各个电控爆破雷管的起爆线引出至起爆器；
S2：布设检波器
在隧道两侧帮距离掘进迎头设定距离外，线性布设多个无缆检波器，并记录各检波器之间的位置关系，将各检波器与采集主机通信连接；
S3：起爆并接收各掘进震源的地震波
起爆器连接时间记录器，启动起爆器并记录起爆时间，使掘进震源激发地震波，各检波器持续接收掘进震源产生的地震直达波及隧道前方异常地质构造反射回来的地震反射波，并将数据反馈给采集主机；
S4：处理地震波数据
采用互相关处理从各检波器接收的地震直达波及地震反射波中提取出该检波器接收各道地震反射波的共炮点道集，结合各道地震反射波的共炮点道集对地震反射波偏移成像，得到围岩等级评价依据。
在本实施例中，在所述步骤S1中，各电控爆破雷管即各掘进震源。
在本实施例中，在所述步骤S2中，掘进迎头与最近的检波器之间的设定距离大于等于100米。
在本实施例中，在所述步骤S3中，各电控爆破雷管依次起爆，并记录起爆器进行起爆动作的精确时刻。
在本实施例中，在所述步骤S4中，得到地震反射波的共炮点道集的具体过程如下：
S401：选择一个检波器，并根据步骤S2确定该检波器与其中一个掘进震源之间的距离，将检波器接收该掘进震源产生的地震直达波信号，确定为参考信号，并确定该参考信号的初至波走时，即该道地震直达波从该震源发出到该检波器接收所经过的时间；
S402：将步骤S401确定的参考信号设为x(t)，y(t)为检波器采集得到的任意一道地震波数据，将x(t)与y(t)的相关函数定义为：
Figure BDA0003106892650000041
其中，Rxy(τ)是时间延迟为τ的数据x(t)与y(t)的互相关结果；
S403：对于剩余的检波器信号，重复步骤S41和S42，得出该掘进震源所产生的各道地震反射波，形成共炮点道集。
在本实施例中，在所述步骤S4中，根据该掘进震源和各检波器之间的位置关系及对应的地震反射波初至波走时，进行地震反射波偏移成像。
在本实施例中，进行地震反射波偏移成像的具体过程如下：
S411：采用τ-p法对步骤S403得出的共炮点道集进行各个地震反射波提取，设(t,x)域的二维信号
Figure BDA0003106892650000042
经转换到(τ,p)域后的二维信号为φ(τ,p)，则τ-p的正反变换公式为：
Figure BDA0003106892650000043
Figure BDA0003106892650000051
其中，t为t-x域中的初至波走时，x为掘进震源与检波器之间的距离，p为射线变量(水平波慢度)，τ为射线变量在时间轴上的截距；
S412：根据步骤S411提取的各个地震反射波数据，采用叠前绕射偏移速度分析和成像处理，得到巷道前方速度模型和异常地质构造分布，再根据围岩等级和弹性波速度(地震反射波)的关系，进而得到围岩等级评价依据。
实施例二
如图1所示，本实施例提供了一种基于掘进炮作为震源的隧道快速地震反射超前探测方法，具体步骤如下：
A、在隧道中掘进迎头1位置沿预采掘方向打设钻孔，在钻孔内正常布设电控爆破雷管2(掘进震源)，完成后将各个电控爆破雷管2的起爆线引出至起爆器；
B、在隧道两侧帮3距离掘进迎头设定距离(100米)外，线性布设多个无缆检波器4，并记录各检波器4之间的位置关系，使检波器4和采集主机形成地震超前探测观测系统；
C、起爆器连接时间记录器，启动起爆器并记录起爆时间，使掘进震源激发地震波，检波器4持续接收掘进震源产生的地震直达波及隧道前方异常地质构造反射回来的地震反射波，并将数据反馈给采集主机；需要说明的是，在本实施例中，各电控爆破雷管依次起爆。隧道定向爆破只会进行一次起爆动作，雷管在很短的时间内(毫秒级)依次爆破。(雷管分为0段，1段…5段，对应不同的延迟时间)，由于延迟时间是化学反应控制，时间上很难精确控制，本实施中只需精确记录起爆动作的时刻，既可进行互相关数据处理。
D、采用互相关处理从检波器接收的地震直达波及地震反射波中提取出该检波器4接收各道地震反射波的共炮点道集，结合各道地震反射波的共炮点道集对地震反射波偏移成像，进而得到围岩等级评价依据，具体过程为：
a、选择一个检波器，并根据步骤C确定该检波器与掘进震源之间的距离，根据震源和检波器的空间位置关系，直达波时间-距离曲线为一个直线，斜率为正。
将检波器接收该掘进震源产生的地震直达波信号，确定为参考信号，并确定该参考信号的初至波走时(即该道地震直达波从该震源发出到该检波器接收所经过的时间)；
b、将步骤a确定的参考信号设为x(t)，y(t)为检波器采集得到的任意一道地震波数据，则x(t)与y(t)的相关函数定义为：
Figure BDA0003106892650000061
其中，Rxy(τ)是时间延迟为τ的数据x(t)与y(t)的互相关结果；
设定x(t)中包含特征成分l1，其中l1为所选择的掘进震源地震直达波信息，经过互相关处理后，若y(t)中含有特征成分l1，则该成分被凸显出来，进而确定该道地震波为同一掘进震源产生地震直达波遇到前方异常地质构造后反射的地震反射波，然后以参考信号的初至波走时为基准，得到该掘进震源的地震反射波的初至波走时；(即该道地震反射波从该震源发出到该检波器接收所经过的时间)
此处为互相关处理的基础原理，因为掘进震源为多次爆破的复杂震源，所以无法精确确定反射波的初至时间。现利用已知的直达波信号走时和波形作为已知的参考标准，从复杂的反射波组合中计算出和直达波相似度最高的一段信号对应的走时(直达波和反射波为同一震源激发，具有高度相似性)。
c、对于剩余的检波器信号，重复步骤a和b，从而得出该掘进震源所产生的各道地震反射波，形成共炮点道集；
d、根据该掘进震源和各检波器之间的位置关系及初至波走时；需要说明的是，在本实施例中，假定掘进震源为同一个点，(因掘进炸药非常多，密集且爆破精确时间未知)，即简化为掘进掌子面中心点到检波器的距离。
进行地震反射波偏移成像，具体过程为：
(1)采用τ-p法对步骤d得出的共炮点道集进行各个地震反射波提取；设(t,x)域的二维信号
Figure BDA0003106892650000062
经转换到(τ,p)域后的二维信号为φ(τ,p)，则τ-p的正反变换公式为：
Figure BDA0003106892650000063
Figure BDA0003106892650000064
其中，t为t-x域中的初至波走时，x为掘进震源与检波器之间的距离，p为射线变量(水平波慢度)，τ为射线变量在时间轴上的截距；
经过上述方法能提取出各掘进震源的地震反射波数据；
(2)根据步骤(1)提取的各个地震反射波数据，采用已知的叠前绕射偏移速度分析和成像处理，该成像处理方法采用常规的TSP处理方法；
得到巷道前方速度模型和异常地质构造分布；根据围岩等级和弹性波速度的关系，进而得到围岩等级评价依据。围岩等级有相关的国标可查，如GBT 50218-2014工程岩体分级标准。
如图2所示，为互相关处理的原理示意图。
如图3所示，为隧道前方反射波提取方法示意图。
如图4所示，为本实施例中的探测结果示意图。
综上所述，上述实施例的掘进炮震源的隧道快速地震反射超前探测方法，采用常规掘进爆破雷管作为勘探震源，产生复杂的地震波；检波器持续接收掘进震源产生的地震直达波及遇到前方异常地质构造后反射的地震反射波；然后采用互相关处理从检波器接收的复杂地震波中，计算得出各道地震反射波到达检波器的初至波走时；最后根据各掘进震源和检波器之间的位置关系及初至波走时，采用τ-p法对得出的共炮点道集进行各个地震反射波提取；根据提取的各个地震反射波数据，采用叠前绕射偏移速度分析和成像处理，得到巷道前方围岩等级和地质异常分布。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种掘进炮震源的隧道快速地震反射超前探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：布设掘进震源
在隧道中掘进迎头位置沿预采掘方向打设钻孔，在钻孔内布设电控爆破雷管，完成后将各个电控爆破雷管的起爆线引出至起爆器；
S2：布设检波器
在隧道两侧帮距离掘进迎头设定距离外，线性布设多个无缆检波器，并记录各检波器之间的位置关系，将各检波器与采集主机通信连接；
S3：起爆并接收各掘进震源的地震波
起爆器连接时间记录器，启动起爆器并记录起爆时间，使掘进震源激发地震波，各检波器持续接收掘进震源产生的地震直达波及隧道前方异常地质构造反射回来的地震反射波，并将数据反馈给采集主机；
S4：处理地震波数据
采用互相关处理从各检波器接收的地震直达波及地震反射波中提取出该检波器接收各道地震反射波的共炮点道集，结合各道地震反射波的共炮点道集对地震反射波偏移成像，得到围岩等级评价依据。
2.根据权利要求1所述的一种掘进炮震源的隧道快速地震反射超前探测方法，其特征在于：在所述步骤S1中，各电控爆破雷管即各掘进震源。
3.根据权利要求2所述的一种掘进炮震源的隧道快速地震反射超前探测方法，其特征在于：在所述步骤S2中，掘进迎头与最近的检波器之间的设定距离大于等于100米。
4.根据权利要求3所述的一种掘进炮震源的隧道快速地震反射超前探测方法，其特征在于：在所述步骤S3中，各电控爆破雷管依次起爆，并记录起爆器进行起爆动作的精确时刻。
5.根据权利要求4所述的一种掘进炮震源的隧道快速地震反射超前探测方法，其特征在于：在所述步骤S4中，得到地震反射波的共炮点道集的具体过程如下：
S401：选择一个检波器，并根据步骤S2确定该检波器与其中一个掘进震源之间的距离，将检波器接收该掘进震源产生的地震直达波信号，确定为参考信号，并确定该参考信号的初至波走时，即该道地震直达波从该震源发出到该检波器接收所经过的时间；
S402：将步骤S401确定的参考信号设为x(t)，y(t)为检波器采集得到的任意一道地震波数据，将x(t)与y(t)的相关函数定义为：
Figure FDA0003106892640000011
其中，Rxy(τ)是时间延迟为τ的数据x(t)与y(t)的互相关结果；
S403：对于剩余的检波器信号，重复步骤S41和S42，得出该掘进震源所产生的各道地震反射波，形成共炮点道集。
6.根据权利要求5所述的一种掘进炮震源的隧道快速地震反射超前探测方法，其特征在于：在所述步骤S4中，根据该掘进震源和各检波器之间的位置关系及对应的地震反射波初至波走时，进行地震反射波偏移成像。
7.根据权利要求6所述的一种掘进炮震源的隧道快速地震反射超前探测方法，其特征在于：进行地震反射波偏移成像的具体过程如下：
S411：采用τ-p法对步骤S403得出的共炮点道集进行各个地震反射波提取，设(t,x)域的二维信号
Figure FDA0003106892640000023
经转换到(τ,p)域后的二维信号为φ(τ,p)，则τ-p的正反变换公式为：
Figure FDA0003106892640000021
Figure FDA0003106892640000022
其中，t为t-x域中的初至波走时，x为掘进震源与检波器之间的距离，p为射线变量，τ为射线变量在时间轴上的截距；
S412：根据步骤S411提取的各个地震反射波数据，采用叠前绕射偏移速度分析和成像处理，得到巷道前方速度模型和异常地质构造分布，再根据围岩等级和地震反射波的关系，进而得到围岩等级评价依据。
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