專利名稱：以掘進機為震源的巷道隨掘地震超前探測裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在礦山工程、巖土工程、地下工程、隧道工程中對巷道(隧道)前方多種災(zāi)害地質(zhì)體進行超前探測 的方法，尤其涉及一種以掘進機為震源的巷道隨掘地震超前探測裝置及方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中，對巷道進行地震波法超前探測的方法主要有TSP (Tunnel SeismicPrediction)及其變種方法，陸地聲納法，TRT 方法(True Reflection Tomography, TRT 真反射層析成像)等。TSP在隧道超前預(yù)報是比較常用的地震波超前探測法，但由于觀測條件的限制以及巖體內(nèi)不同方向的反射，使之在解釋與判別方面遇到了很大的困難，進ロ設(shè)備的一次性投入過大使該方法實施超前探測的成本太高，實際應(yīng)用有一定局限性。其最大缺點是需要在施工期間停止工作，進行放炮激發(fā)地震波。陸地聲納法(也叫高頻地震反射法)其實質(zhì)是垂直地震波反射法，該方法在隧道掌子面上采用極小偏移距，單點采集高頻地震反射信號形成連續(xù)剖面，通過十字形觀測系統(tǒng)和寬頻帶脈沖接收技木，預(yù)報掌子面前方斷層及其它地質(zhì)界面的位置和產(chǎn)狀。陸地聲納法優(yōu)點是分辨率較高，其缺點需占用掌子面，影響生產(chǎn)。TRT方法在觀測上采用的是空間多點接收和激發(fā)系統(tǒng)，檢波器和激發(fā)的炮點呈空間分布，布置在隧道迎頭、頂板及兩個側(cè)幫上，以充分獲得空間波場信息，提高對前方不良地質(zhì)體的定位精度，在資料處理方法上是通過速度掃描和偏移成像。該方法對巖體中反射界面位置的確定、巖體波速和工程類別的劃分等都有較高的精度，但實施成本過高，具有一定的局限性。但上述地震波法超前探測技術(shù)仍然存在很多缺點，其中包括以下幾點地震波法超前探測工作進行時必須停止巷道掘進作業(yè)，影響生產(chǎn)；近水平地層探測效果不理想；對震源要求較高；利用炸藥震源，炮孔施工復(fù)雜，有一定安全風險，且炸藥震源激發(fā)的地震波只是單一方向為主，信息量少，波場成像受噪聲影響較大，效果較差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種探測成本低、安全可靠、不影響掘進生產(chǎn)的以掘進機為震源的巷道隨掘地震超前探測裝置及方法。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的本發(fā)明的以掘進機為震源的巷道隨掘地震超前探測裝置，包括地震儀、設(shè)于掘進機臂上的震源信號接收傳感器、設(shè)于巷道壁上的地震波接收檢波器陣列，所述震源信號接收傳感器和地震波接收檢波器陣列分別與所述地震儀連接，所述震源為掘進機的截割頭。本發(fā)明的上述的以掘進機為震源的巷道隨掘地震超前探測裝置實現(xiàn)巷道隨掘地震超前探測方法，包括以下步驟
首先，掘進機作業(yè)過程中截割頭切割巖石時產(chǎn)生連續(xù)的地震波信號，該信號能沿著巷道巖層、巷道空間以及掘進機機體傳播，以此信號作為超前探測的激勵信號；然后，所述震源信號接收傳感器接收掘進機的截割頭震源信號，所述地震波接收檢波器陣列實時采集地震波信號，所述震源信號和地震波信號傳輸給所述地震儀；之后，通過對所述震源信號和地震波信號進行數(shù)據(jù)處理和偏移成像，并對其進行地質(zhì)解譯，完成對所述巷道的超前探測。由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明所述的以掘進機為震源的隨掘地震超前探測裝置及方法，由于采用掘進機的截割頭為震源、采用掘進機截割頭切割巖石產(chǎn)生地震波作為探測信號，不使用炸藥等震源，避免了復(fù)雜的炮孔施工作業(yè)，并很好的解決了震源激發(fā)方向的単一性問題，探測成本低，不存在危險性；巷道掘進效率高，不影響掘進生產(chǎn)；連續(xù)的三分量震源提高了預(yù)測礦井巷道異常構(gòu)造的深度和構(gòu)造細節(jié)準確性，保障生產(chǎn)安全。


圖I為本發(fā)明以掘進機為震源的巷道隨掘地震超前探測裝置及方法的原理示意圖；圖2為本發(fā)明具體實施中對采集的掘進機連續(xù)振動信號進行數(shù)據(jù)處理的流程示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明的以掘進機為震源的巷道(或隧道)隨掘地震超前探測裝置，其較佳的具體實施方式
是包括地震儀、設(shè)于掘進機臂上的震源信號接收傳感器、設(shè)于巷道壁上的地震波接收檢波器陣列，所述震源信號接收傳感器和地震波接收檢波器陣列分別與所述地震儀連接，所述震源為掘進機的截割頭。所述的震源信號接收傳感器為三分量傳感器，所述的地震波接收檢波器為三分量檢波器。所述的地震儀為能連續(xù)采集海量地震數(shù)據(jù)的井下防爆地震信號數(shù)據(jù)采集儀器。本發(fā)明的上述的以掘進機為震源的巷道隨掘地震超前探測裝置實現(xiàn)巷道隨掘地震超前探測方法，其其較佳的具體實施方式
包括以下步驟首先，掘進機作業(yè)過程中截割頭切割巖石時產(chǎn)生連續(xù)的地震波信號，該信號能沿著巷道巖層、巷道空間以及掘進機機體傳播，以此信號作為超前探測的激勵信號；然后，所述震源信號接收傳感器接收掘進機的截割頭震源信號，所述地震波接收檢波器陣列實時采集地震波信號，所述震源信號和地震波信號傳輸給所述地震儀；之后，通過對所述震源信號和地震波信號進行數(shù)據(jù)處理和偏移成像，并對其進行地質(zhì)解譯，完成對所述巷道的超前探測。所述掘進機的截割頭為連續(xù)的非単一方向震源，具有三分量特征，包括由鉆頭沖擊產(chǎn)生的縱波和由于鉆頭的旋轉(zhuǎn)切割作用產(chǎn)生的橫波。所述數(shù)據(jù)處理包括
所述地震波信號的相關(guān)分析、噪聲衰減、反褶積、極化分析、波場分離、速度分析的ー項或多項。所述地震波信號的相關(guān)分析包括選擇所述震源信號為相關(guān)函數(shù)，利用相關(guān)算法對所述震源信號和地震波信號做相關(guān)處理，計算各種波至的旅行時間和衰減不相干噪聲；所述地震波信號的極化分析包括對地震波信號記錄實行極化分析識別出不同波型；所述地震波信號記錄通過所述波場分離將有效波從強噪聲背景的復(fù)雜波場中分離出來；通過所述地震波信號的速度分析，利用散射波的波場特征，提取不同類型波的傳
播速度。 所述偏移成像包括在連續(xù)震源條件下巷道空間地質(zhì)異常體多波波場成像方法，具體包括在連續(xù)震源作用下巷道空間不同地質(zhì)異常體的反射波、繞射波及散射波的成像方法。所述地質(zhì)解譯包括超前探測地質(zhì)解譯和地質(zhì)異常識別方法，具體包括根據(jù)連續(xù)震源作用下巷道空間地質(zhì)異常體多波波場成像結(jié)果的幾何特征，對不同地質(zhì)異常的地質(zhì)解譯和地質(zhì)異常識別。本發(fā)明中，以掘進機為震源的隨掘地震超前探測信號采集裝置，包括三分量傳感器，多個三分量檢波器，所述采集裝置均可自動記錄和存儲，并連接有高精度地震儀，微型計算機及其數(shù)據(jù)處理、偏移成像軟件。采用三分量接收使不同波型識別和分離取得更好的效果；通過極化分析、波場分離、速度分析等方法處理數(shù)據(jù)通過極化分析的方法來進行不同波型的分離；通過速度分析，利用散射波的波場特征，準確提取不同波型的傳播速度，準確確定地質(zhì)異常體的空間位置；利用巷道前方地質(zhì)異常體散射波、反射波或繞射波在不同炮檢距下的傳播路徑不同，對目的波的到達時間、振幅進行偏移疊加，進行地質(zhì)異常體的多波波場精確偏移成像；根據(jù)成像結(jié)果的幾何特征，實現(xiàn)對不同地質(zhì)異常的地質(zhì)解譯和識別。下面通過具體實施例對本發(fā)明的原理進行詳細的描述如圖I所示，探測所用的地震波信號是由礦井掘進機工作時截割頭切割巖石振動產(chǎn)生。由于掘進機掘進時為連續(xù)震源，產(chǎn)生的是連續(xù)的地震波信號，能更好的滿足現(xiàn)場測試條件，故適用性非常強。通過高強磁鐵把傳感器固定在掘進機機臂上，要求傳感器的響應(yīng)頻率范圍O. I 20KHz，傳感器與掘進機高度耦合成一體，采集并存儲掘進機切割巖石時的振動信號，埋置于巷道圍巖內(nèi)的三分量檢波器陣列采集并存儲地震波的反射、散射、繞射信號，以上所述采集到的信號記錄均可由計算機調(diào)用。如圖2所示，為對采集的掘進機連續(xù)振動信號進行數(shù)據(jù)處理流程。利用計算機調(diào)用數(shù)據(jù)采集裝置采集的反射、繞射波等地震信號。對采集的信號記錄進行地震波反射、繞射信號的數(shù)據(jù)處理、識別計算、偏移成像。通過去噪、相關(guān)分析、極化分析、波場分離、速度分析，進行復(fù)雜波場的分離，偏移成像，地質(zhì)解譯和災(zāi)害判斷。通過去噪處理進行機械噪聲、人文噪聲的剔除。通過相關(guān)分析獲得三分量檢波器接收的地震信號中與掘進機切割巖石產(chǎn)生的有效信息有關(guān)的反射和繞射信息。通過極化分析的方法來進行不同波型的分離。通過速度分析，利用散射波的波場特征，準確提取不同波型的傳播速度，準確確定地質(zhì)異常體的空間位置。利用巷道前方地質(zhì)異常體散射波、反射波或繞射波在不同炮檢距下的傳播路徑不同，對目的波的到達時間、振幅進行偏移疊加，進行地質(zhì)異常體的精確偏移成像。根據(jù)成像結(jié)果的幾何特征，實現(xiàn)對不同地質(zhì)異常的地質(zhì)解譯和災(zāi)害判斷。本發(fā)明中，采用礦井巷道的掘進機作為激勵震源，切割巖石時產(chǎn)生地震波信號在巷道巖層、巷道空間中和掘進機機體中傳播，采用三分量傳感器接收震源信號，三分量檢波器陣列采集接收地震波的反射波、繞射波等信號，對接收到的數(shù)據(jù)進行多項處理、偏移成像，根據(jù)成像結(jié)果的幾何特征，實現(xiàn)對不同地質(zhì)異常的地質(zhì)解譯和災(zāi)害判斷?？山鉀Q單純炸藥震源在近水平地層巷道超前探測中地震波場単一性問題，且不干擾巷道掘進工作，無安全風險，探測精度高，可以實現(xiàn)巷道前方存在不同地質(zhì)異常體的精確定位，并且在増大超前探測距離、提高探測精度和分辨率方面取得突破性進展，從而可以有效地開展利用隨掘地震進行掘進巷道超前探測。 簡單總結(jié)，本發(fā)明主要包括下述三個方面I、地震波信號的產(chǎn)生采用礦井巷道的掘進機作為激勵震源，掘進機在巷道掘進時截割頭切割巷道巖石產(chǎn)生振動，以此振動產(chǎn)生的地震波會沿著巷道巖層和巷道空間傳播。巷道掘進時掘進機截割頭連續(xù)進行巖石切割形成連續(xù)震源。2、信號的接收裝置根據(jù)接收信號的方式，接收檢波器可分為速度型和加速度型兩類，要求頻率范圍
O.I 20kHz。數(shù)據(jù)采集裝置要求能實時存儲，一般的數(shù)據(jù)采集器都能滿足要求。隨掘地震信號的采集裝置分為兩個部分布置于巷道圍巖內(nèi)的三分量檢波器和固定于掘進機機臂上的三分量傳感器。三分量檢波器根據(jù)觀測系統(tǒng)布置檢波器陣列，接收巷道空間和巷道巖層中傳播的地震波信號并存儲；三分量傳感器與掘進機高度耦合成一體，自動接收震源信號并存儲。3、數(shù)據(jù)處理和識別計算數(shù)據(jù)處理主要有信號的噪聲衰減、相關(guān)分析、反褶積、極化分析、波場分離、速度分析等。巷道掘進條件下，信號具有強噪聲背景，波場復(fù)雜，信噪比低，特征不明顯。必須進行一系列相關(guān)的數(shù)據(jù)處理工作，把有效信號從復(fù)雜的波場中分離、恢復(fù)出來。選擇傳感器接收的震源信號作為相關(guān)子波，利用相關(guān)算法對震源參考信號和地震波信號做相關(guān)，從被噪聲淹沒的信號中提取反射信號，求出不同界面的反射時間。通過極化分析的方法來進行不同波型的分離。通過速度分析，利用散射波的波場特征，準確提取不同波型的傳播速度，以準確確定地質(zhì)異常體的空間位置。4、偏移成像和地質(zhì)解譯巷道前方地質(zhì)異常體的偏移成像，利用巷道前方地質(zhì)異常體反射波或繞射波在不同炮檢距下的傳播路徑不同，對目的波的到達時間、振幅進行偏移疊加，進行地質(zhì)異常體的多波波場精確偏移成像。根據(jù)成像結(jié)果的幾何特征，實現(xiàn)對不同地質(zhì)異常體的地質(zhì)解譯和識別。本發(fā)明主要是以礦井掘進機的截割頭為震源，通過分析震源信號特征和對應(yīng)巷道前方不同地質(zhì)異常體波場響應(yīng)特征，掌握巷道前方地質(zhì)異常體的狀況。由于以掘進機的截割頭為震源，可解決單純炸藥震源在近水平地層巷道超前探測中地震波場単一性問題，且不干擾巷道掘進工作，掘進效率高，無安全風險，通過不同檢波器陣列在巷道空間進行適時地震波場三分量數(shù)據(jù)采集，以及隨掘地震數(shù)據(jù)處理和多波波場精確偏移成像方法，其探測 精度高，可以實現(xiàn)巷道前方存在的不同地質(zhì)異常體的精確定位。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種以掘進機為震源的巷道隨掘地震超前探測裝置，其特征在于，包括地震儀、設(shè)于掘進機臂上的震源信號接收傳感器、設(shè)于巷道壁上的地震波接收檢波器陣列，所述震源信號接收傳感器和地震波接收檢波器陣列分別與所述地震儀連接，所述震源為掘進機的截割頭。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的以掘進機為震源的巷道隨掘地震超前探測裝置，其特征在于，所述的震源信號接收傳感器為三分量傳感器，所述的地震波接收檢波器為三分量檢波器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的以掘進機為震源的巷道隨掘地震超前探測裝置，其特征在于，所述的地震儀為能連續(xù)采集海量地震數(shù)據(jù)的井下防爆地震信號數(shù)據(jù)采集儀器。
4.一種權(quán)利要求1、2或3所述的以掘進機為震源的巷道隨掘地震超前探測裝置實現(xiàn)巷道隨掘地震超前探測方法，其特征在于，包括以下步驟 首先，掘進機作業(yè)過程中截割頭切割巖石時產(chǎn)生連續(xù)的地震波信號，該信號能沿著巷道巖層、巷道空間以及掘進機機體傳播，以此信號作為超前探測的激勵信號； 然后，所述震源信號接收傳感器接收掘進機的截割頭震源信號，所述地震波接收檢波器陣列實時采集地震波信號，所述震源信號和地震波信號傳輸給所述地震儀； 之后，通過對所述震源信號和地震波信號進行數(shù)據(jù)處理和偏移成像，并對其進行地質(zhì)解譯，完成對所述巷道的超前探測。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的以掘進機為震源的巷道隨掘地震超前探測方法，其特征在于，所述掘進機的截割頭為連續(xù)的非單一方向震源，具有三分量特征，包括由鉆頭沖擊產(chǎn)生的縱波和由于鉆頭的旋轉(zhuǎn)切割作用產(chǎn)生的橫波。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的以掘進機為震源的巷道隨掘地震超前探測方法，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理包括 所述地震波信號的相關(guān)分析、噪聲衰減、反褶積、極化分析、波場分離、速度分析的一項或多項。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的以掘進機為震源的巷道隨掘地震超前探測方法，其特征在于 所述地震波信號的相關(guān)分析包括選擇所述震源信號為相關(guān)函數(shù)，利用相關(guān)算法對所述震源信號和地震波信號做相關(guān)處理，計算各種波至的旅行時間和衰減不相干噪聲； 所述地震波信號的極化分析包括對地震波信號記錄實行極化分析識別出不同波型； 所述地震波信號記錄通過所述波場分離將有效波從強噪聲背景的復(fù)雜波場中分離出來； 通過所述地震波信號的速度分析，利用散射波的波場特征，提取不同類型波的傳播速度。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的以掘進機為震源的巷道隨掘地震超前探測方法，其特征在于，所述偏移成像包括在連續(xù)震源條件下巷道空間地質(zhì)異常體多波波場成像方法，具體包括 在連續(xù)震源作用下巷道空間不同地質(zhì)異常體的反射波、繞射波及散射波的成像方法。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的以掘進機為震源的巷道隨掘地震超前探測方法，其特征在于，所述地質(zhì)解譯包括超前探測地質(zhì)解譯和地質(zhì)異常識別方法，具體包括根據(jù)連續(xù)震源作用下巷道空間地質(zhì)異常體多波波場成像結(jié)果的幾何特征 ，對不同地質(zhì)異常的地質(zhì)解譯和地質(zhì)異常識別。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種以掘進機為震源的巷道隨掘地震超前探測裝置及方法，包括地震儀、設(shè)于掘進機臂上的震源信號接收傳感器、設(shè)于巷道壁上的地震波接收檢波器陣列。以掘進機工作過程中截割頭切割巖石產(chǎn)生的振動為震源，通過耦合在掘進機臂上的三分量傳感器及布置在巷道圍巖中的三分量檢波器陣列連續(xù)采集地震波信號，然后對采集到的信號記錄進行處理，通過分析接收到的波場成像幾何特征預(yù)測巷道前方地質(zhì)異常體的位置和構(gòu)造細節(jié)。可解決單純炸藥震源在近水平地層巷道超前探測中地震波場單一性的問題，且不影響巷道掘進工作，工作效率高，無安全風險，探測精度高，而且可實現(xiàn)地質(zhì)異常體的精確定位。
文檔編號G01V1/00GK102681004SQ20121014961
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月14日
發(fā)明者程久龍 申請人:中國礦業(yè)大學(北京)