隧道掘進(jìn)機(jī)破巖震源三維地震超前探測(cè)裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明隧道掘進(jìn)機(jī)破巖震源三維地震超前探測(cè)裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隧道施工通常采用全斷面掘進(jìn)機(jī)施工和鉆爆法施工，與傳統(tǒng)的鉆爆法相比，隧道 掘進(jìn)機(jī)施工具有機(jī)械化程度高、施工速度快等顯著優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際工程中得到了越來(lái)越多的 應(yīng)用。但是隧道掘進(jìn)機(jī)對(duì)地質(zhì)條件變化的適應(yīng)性較差，在遭遇不良地質(zhì)段時(shí)常常發(fā)生突水 突泥、塌方等地質(zhì)災(zāi)害，易引發(fā)卡機(jī)甚至機(jī)毀人亡等重大事故。為避免隧道掘進(jìn)機(jī)施工過(guò)程 中地質(zhì)災(zāi)害和安全事故的發(fā)生，最有效的解決方法就是采用超前地質(zhì)探測(cè)技術(shù)提前查明工 作面前方不良地質(zhì)情況。
[0003] 然而，不同于鉆爆法，掘進(jìn)機(jī)施工隧道具有其特殊性和復(fù)雜性：①隧道掘進(jìn)機(jī)具有 復(fù)雜的金屬結(jié)構(gòu)和電工系統(tǒng)，電磁干擾十分嚴(yán)重；②隧道掘進(jìn)機(jī)體積龐大，占據(jù)了工作面后 方大部分隧道空間，導(dǎo)致可用于超前地質(zhì)探測(cè)的觀測(cè)空間十分狹?。虎鬯淼谰蜻M(jìn)機(jī)開(kāi)挖速 度快，工序銜接緊密，留給超前地質(zhì)探測(cè)的時(shí)間較短。受這些因素制約，鉆爆法施工隧道中 經(jīng)常使用的超前地質(zhì)探測(cè)方法在掘進(jìn)機(jī)施工隧道中難以得到很好的應(yīng)用：地質(zhì)雷達(dá)法、瞬 變電磁法等傳統(tǒng)電磁方法受電磁干擾影響，探測(cè)效果并不理想；TSP、TRT等地震超前探測(cè) 方法不適用于掘進(jìn)機(jī)隧道的狹小空間，且布置形式復(fù)雜、安裝時(shí)間較長(zhǎng)，嚴(yán)重影響掘進(jìn)機(jī)施 工進(jìn)度。
[0004] 為此，國(guó)內(nèi)外提出了一些專(zhuān)門(mén)適用于掘進(jìn)機(jī)施工隧道的超前地質(zhì)探測(cè)方法，但 仍然存在一些問(wèn)題：①由德國(guó)GeohydraulicData公司推出的BEAM(Bore-Tunneling ElectricalAheadMonitoring)系統(tǒng)，BEAM是一種一維聚焦類(lèi)激發(fā)極化法，探測(cè)距離短、 受電磁干擾影響大，且測(cè)試設(shè)備安裝復(fù)雜、耗時(shí)較長(zhǎng)，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度；②SSP(Sonic SoftgroundProbing)和ISIS(IntegratedSeismicImagingSystem)等地震波超前探 測(cè)方法，觀測(cè)方式較為簡(jiǎn)單，未采用有效的三維空間觀測(cè)方式，導(dǎo)致異常體空間定位效果較 差、空間分辨率也不理想；③國(guó)內(nèi)發(fā)明專(zhuān)利《一種適合于TBM施工的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法》和 《以掘進(jìn)機(jī)為震源的巷道隨掘地震超前探測(cè)裝置及方法》借鑒了石油測(cè)井中的隨鉆地震方 法，提出利用巖石切割信號(hào)作為震源進(jìn)行超前地質(zhì)探測(cè)，前者基本沿用了鉆爆法隧道中HSP 的處理方法，針對(duì)掘進(jìn)機(jī)破巖震動(dòng)的強(qiáng)干擾噪聲，并沒(méi)有采取適當(dāng)?shù)娜ピ胧侄?，而后者主?針對(duì)的是礦山巷道中較為常用的懸臂式掘進(jìn)機(jī)，懸臂式掘進(jìn)機(jī)只有一個(gè)截割頭，在截割頭 后方的掘進(jìn)機(jī)臂上也只有一個(gè)震源信號(hào)接收傳感器，與之相比，隧道掘進(jìn)機(jī)刀盤(pán)面積巨大 且用于破巖的滾刀數(shù)量眾多，不同滾刀之間的破巖震動(dòng)差別很大，僅采用單一的傳感器難 以獲得準(zhǔn)確、全面的破巖震動(dòng)特征。
[0005] 綜上所述，由于在地質(zhì)體刻畫(huà)和定位方面的優(yōu)勢(shì)，加上探測(cè)距離遠(yuǎn)，地震波法是掘 進(jìn)機(jī)施工隧道超前地質(zhì)探測(cè)中不可缺少的方法，進(jìn)一步考慮到隧道掘進(jìn)機(jī)的施工特點(diǎn)，利 用破巖震動(dòng)作為震源進(jìn)行超前地質(zhì)探測(cè)是一種較好的思路，但現(xiàn)有隧道掘進(jìn)機(jī)破巖震源超 前地質(zhì)探測(cè)方法還存在著以下問(wèn)題：①接收傳感器的空間布置形式簡(jiǎn)單，未采用有效的三 維空間觀測(cè)方式，并且缺少一種與掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖工序緊密結(jié)合的檢波器快速安裝裝置及方 法；②沒(méi)有分別針對(duì)震源信號(hào)和接收信號(hào)進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的噪聲去除，使得地震記錄信噪比較低， 影響探測(cè)精度；③與石油鉆探以及煤礦用懸臂式掘進(jìn)機(jī)的獨(dú)頭破巖方式不同，隧道掘進(jìn)機(jī) 刀盤(pán)面積較大且用于破巖的滾刀數(shù)量眾多，不同滾刀之間的破巖震動(dòng)差別很大，現(xiàn)有方法 僅僅采用了單一的震源傳感器，難以獲得準(zhǔn)確、全面的破巖震動(dòng)特征。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明為了解決上述問(wèn)題，提出了一種隧道掘進(jìn)機(jī)破巖震源三維地震超前探測(cè)裝 置及方法，本發(fā)明能夠及時(shí)獲知掘進(jìn)機(jī)工作面前方及隧道周?chē)鷰r體的地質(zhì)情況及其相應(yīng)的 力學(xué)參數(shù)，一方面可以實(shí)現(xiàn)地質(zhì)異常體的超前預(yù)報(bào)，另一方面也可以用于評(píng)價(jià)待開(kāi)挖區(qū)域 的圍巖質(zhì)量，為掘進(jìn)機(jī)工作參數(shù)優(yōu)化、保障施工安全提供借鑒。
[0007] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0008] 隧道掘進(jìn)機(jī)破巖震源三維地震超前探測(cè)裝置，包括震源傳感器陣列、接收傳感器 及其支撐裝置、噪聲傳感器以及多通道地震波數(shù)據(jù)采集儀，其中：
[0009] 所述震源傳感器陣列包括多個(gè)根據(jù)掘進(jìn)機(jī)刀盤(pán)形狀設(shè)置的震源傳感器，安裝于刀 盤(pán)上滾刀后方，接收震源信號(hào)；所述震源傳感器陣列設(shè)有定位單元，采集其所處的空間位 置；
[0010] 刀盤(pán)固定于掘進(jìn)機(jī)主軸上，掘進(jìn)機(jī)主軸設(shè)置有三組以其為中心呈環(huán)狀分布的接收 傳感器及其支撐裝置，用于接收刀盤(pán)破巖震動(dòng)在地層中傳播時(shí)遇到不良地質(zhì)體后反射回來(lái) 的地震信號(hào)；
[0011] 所述噪聲傳感器安裝在掘進(jìn)機(jī)噪聲源處，用于記錄各個(gè)噪聲源所產(chǎn)生的噪聲信 號(hào)；
[0012] 所述多通道地震波數(shù)據(jù)采集儀，連接震源傳感器陣列、接收傳感器和噪聲傳感器， 接收地震波信號(hào)與噪聲源的噪聲信號(hào)；
[0013] 同時(shí)多通道地震波數(shù)據(jù)采集儀還與掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)保持通信，實(shí)時(shí)獲得掘進(jìn)機(jī)刀 盤(pán)工作參數(shù)。
[0014] 所述震源傳感器陣列安裝在掘進(jìn)機(jī)刀盤(pán)后方，根據(jù)刀盤(pán)上滾刀的分布情況將滾刀 分組，在每個(gè)滾刀組后方安裝震源傳感器，多個(gè)震源傳感器組成震源傳感器陣列，震源傳感 器記錄的信號(hào)為震源信號(hào)。
[0015] 所述震源信號(hào)包括有效信號(hào)和干擾信號(hào)，所述有效信號(hào)為相應(yīng)滾刀組的破巖震動(dòng) 信號(hào)；所述干擾信號(hào)包括其他滾刀組的破巖震動(dòng)信號(hào)和掘進(jìn)機(jī)噪聲源產(chǎn)生的干擾信號(hào)。
[0016] 所述接收傳感器及其支撐裝置，包括三分量檢波器、壓力傳感器、前液壓支撐桿、 后液壓支撐桿、徑向液壓支撐桿、支撐板和支撐裝置導(dǎo)軌，支撐板兩端分別設(shè)置有前液壓支 撐桿、后液壓支撐桿，前液壓支撐桿、后液壓支撐桿均連接掘進(jìn)機(jī)主軸，支撐板下端通過(guò)徑 向液壓支撐桿固定在支撐裝置導(dǎo)軌上，支撐裝置導(dǎo)軌套裝在掘進(jìn)機(jī)主軸上，支撐板上安裝 有壓力傳感器和三分量檢波器。
[0017] 所述前液壓支撐桿、后液壓支撐桿與主軸以及支撐板與前液壓支撐桿、后液壓支 撐桿之間均通過(guò)鉸鏈連接。
[0018] 所述掘進(jìn)機(jī)噪聲源包括電機(jī)工作噪聲源、傳送皮帶工作震動(dòng)噪聲源和掘進(jìn)機(jī)后方 施工噪聲源等。
[0019] 所述掘進(jìn)機(jī)刀盤(pán)工作參數(shù)，包括推力、扭矩、轉(zhuǎn)速和行程等。
[0020] 一種應(yīng)用上述裝置的隧道掘進(jìn)機(jī)破巖震源三維地震超前探測(cè)方法，包括以下步 驟：
[0021] (1)在掘進(jìn)機(jī)將要開(kāi)始工作前，利用接收傳感器支撐裝置在隧道中實(shí)現(xiàn)接收傳感 器的三維全空間快速布置，調(diào)節(jié)支撐板使得三分量檢波器與隧道壁相接觸；
[0022] (2)控制掘進(jìn)機(jī)工作，接收傳感器支撐裝置保證支撐板及三分量檢波器在隧道中 的絕對(duì)位置不發(fā)生改變，震源傳感器、接收傳感器和噪聲傳感器采集信號(hào)，并將所記錄的信 息實(shí)時(shí)傳輸給多通道地震波數(shù)據(jù)采集儀；
[0023] (3)多通道地震波數(shù)據(jù)采集儀接收采集的信息對(duì)信號(hào)進(jìn)行去噪、重構(gòu)以及等效歸 一，實(shí)現(xiàn)非常規(guī)破巖震源地震記錄到常規(guī)震源地震記錄的轉(zhuǎn)化，之后按照常規(guī)震源地震記 錄處理方法，獲得隧道前方及周?chē)鷧^(qū)域的縱橫波速度模型和三維地震剖面，結(jié)合掘進(jìn)機(jī)刀 盤(pán)工作參數(shù)，通過(guò)數(shù)據(jù)擬合的方式進(jìn)一步得出地震反射系數(shù)與巖石強(qiáng)度指數(shù)之間的統(tǒng)計(jì)關(guān) 系，以根據(jù)工作面前方巖體地震波反射系數(shù)的空間分布來(lái)預(yù)測(cè)巖體強(qiáng)度指數(shù)的空間分布情 況；
[0024] (4)根據(jù)得到的縱橫