CN108303732A - 一种人工地震波自动监测*** - Google Patents

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王浩
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Abstract

本发明提供了一种人工地震波自动监测***，包括三分量检波器、同步通讯器、信号线和主机。***的操作过程包括开启主机、设置采集参数、启动***等待采集、掌子面放炮掘进、触发采集、数据采集存储、数据传输和数据查看八个步骤，从而实现超前地质预报。本发明的优点在于：实现了采集现场无人化，避免了采集人员恶劣环境下作业的风险；数据采集为自动触发，检波器不需要通过铜导线与***卷相连，每次掌子面***均可以自动采集；采样工作操作简单、施工方便，无需专门的地质预报工作者，熟练即可掌握。本发明可广泛应用于交通、水利、矿山行业地下洞室开挖的不良地质体超前地质预报。

Description

一种人工地震波自动监测***
技术领域
本发明涉及一种人工地震波的自动监测***，更涉及一种对隧道内钻爆法施工时掌子面放炮产生的人工地震波的自动监测***。
背景技术
二十一世纪是隧道和地下空间大发展的时代，随着隧道工程长度及规模的扩张，其遇到的地质条件复杂性和多变性也在加剧。前期探测手段力度不足会给隧道施工安全带来较大的威胁，往往会出现预料不到的涌水、塌方、突泥、涌沙等事故。因此，在施工期超前地质预报技术，及时发现异常情况，预报掌子面前方不良地质体的产状、位置及其围岩结构的完整性与含水突泥的可能性，为合理工程选址、正确的施工方法、支护设计参数和优化施工方案提供依据。目前国内外对人工地震法地质预报已有较***的研究，但在以下几方面还存在不足：
(1)传感器布置方式
超前地质预报中的传感器用于接收激发的人工地震波及其反射波。当前，国内外最常用的方法是瑞士Amberg Technologies提出的TSP(Tunnel Seismic Prediction)系列和国内北京市水电物探研究所研制的TGP(Tunnel Geological Prediction)系列设备，这两种设备的传感器一般是两个，分别布置在隧道壁的左右两侧钻孔中。两个传感器单独记录地震波，给出预报结果并相互验证。但在实际的应用两个传感器经常给出相反的结论，对使用者造成较大干扰。
(2)同步信号触发方式
TGP设备激发同步信号的拾取是采用记时回线炸断的方法，即将乳化***用回线缠绕，利用***炸断电线激发采集，TSP设备采用启爆器脉冲触发仪器采集的方式即启动***是***开始计时采集。然而在激发***和***炸断导线时往往会有1～2ms的时间延迟，不能做到精确触发，导致预报的距离会存在较大误差。
经检索有一种以掌子面放炮为震源的隧道超前地质预报方法及装置被公开，专利申请号为：CN201310124601.9，其技术方案是将传感器布置在隧道壁的两侧钻孔中，触发回路铜导线缠绕在***卷上放入掌子面炮孔中，掌子面放炮炸断铜导线触发信号采集记录***时间点。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对上述目前的人工地震法地质预报的准确性不佳的技术缺陷，提供了一种人工地震波自动监测***来解决上述问题。
本发明为解决其技术问题，提供了一种人工地震波自动监测***，其特征在于，包括三分量检波器3、同步通讯器10、信号线9和主机11组成；
所述三分量检波器3埋设在洞室1内同一侧壁4上开设的钻孔2中，钻孔2与洞室1的底板平行且与洞室1的走向垂直；
所述三分量检波器3设置于洞室同侧壁的钻孔中，三分量检波器的x、y、z分量方向与隧道的方位关系是：x分量方向与隧道轴线方向一致并指向掌子面方向，y分量的方向在水平面上与隧道轴线垂直，z分量的方向在铅垂面上与隧道轴线垂直；通过黄油耦合剂与钻孔紧贴相接，良好耦合；三分量检波器之间通过信号线9相连；同步通讯器10通过信号线9与三分量检波器相连，主机11与同步通讯器10通过有线或无线的方式连接。
进一步的，所述的三分量检波器3是一种高度集成化的智能三分量检波器，其中的三分量传感器在采样上可以实现自动采集、数模转换、数据存储、数据传输、独立供电功能。
进一步的，三分量检波器3的埋设入钻孔2，先在钻孔2内部填充黄油作为三分量检波器3和钻孔2的耦合剂，调整三分量检波器3的位置，使三分量检波器3的x分量方向与隧道轴线方向一致并指向掌子面方向，y分量的方向在水平面上与隧道轴线垂直，z分量的方向在铅垂面上与隧道轴线垂直，用力按压使得三分量检波器3与钻孔2紧贴相连，黄油填充量以保证三分量检波器3与钻孔2紧贴无空隙，充满钻孔2。
进一步的，主机11通过数据传输***，设置各元件参数及发布指令，并显示、记录数据，设置专有的数据处理程序对采集的数据进行分析处理。
一种人工地震波自动监测***的使用方法，用于对所述的人工地震波自动监测装置进行使用，其特征在于，包含：
S1、主机11对各个串口进行初始化设置；
S2、通过主机11设置数据采集参数，操作员在控制与数据分析***的***操作软件中设置采集参数，包括采样长度、采样率、采样触发条件，软件将自动保存所设置参数并作为缺省参数，控制与数据分析***通过移动通信网络发送采集参数给数据采集***，数据采集***中的处理器进行设置采集参数；
S3、启动***等待触发采集，控制与数据分析***通过移动通信网络发送给数据采集***，数据采集***中处理器开启触发通道，随时准备按照预先设置好的参数进行采集，并回传预备信息到***操作软件，提示操作员已准备完毕；
S4、隧道掌子面5掘进炮第一炮激发，产生人工地震波6，产生的人工地震波6在掌子面前方传播，岩性改变，人工地震波在地质界面8产生反射，形成反射地震波7，三分量检波器3接收到反射地震波信号7；
S5、触发采集，当三分量检波器3接收到的信号强度达到设定值时，三分量检波器3开始按照提前设定的采样率和采样长度进行采集；
S6、三分量检波器3将数据按照预设的格式保存为本地文件；
S7、采集并保存完毕当前数据后，三分量检波器3通过信号线将数据传递到置于洞口的同步通讯器10，同步通讯器10通过移动通信网络将数据传给远端的电脑或手机等终端设备，并以曲线的形式在电脑或手机终端上显示；
S8、主机11监控数据资料，通过预设的数据处理程序，分析已经记录的数据，也可以对比软件下载数据采集***的历史数据，输出最终结果数据，使操作员分析数据的资料，对下次采集做出判断，预测掌子面5前方地质情况。
进一步的，当掌子面5每一次放炮掘进时，都进行一次采集和接收，实现对地震记录的不间断自动采集。
进一步的，步骤S5所述的数据采集***触发采集工作模式为当传感器信号输入达到设定值时，数据采集通道开始按照提前设定采样率开始采集，采集长度根据实际测试需求进行设定，采集的数据以一定的格式保存在三分量检波器的存储模块中。
本发明的优点在于：检波器通过外接单元可在采集前设置相关采集参数和采集方式，智能检波器脱机工作，实现了采集现场无人化，避免了采集人员恶劣环境下作业的风险。数据采集为自动触发，检波器不需要通过铜导线与***卷相连，每次掌子面***均可以自动采集。参数设置、数据采集传输以无线的方式进行，使采样工作操作简单、施工方便，无需专门的地质预报工作者，熟练即可掌握。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明的一种人工地震波自动监测***原理图；
图2是本发明的一种人工地震波自动监测***截面示意图；
图3是本发明的一种人工地震波自动监测方法的数据采集流程图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1、图2所示，一种隧道超前地质预报方法，其步骤是：
(1)在隧道1内同侧壁4上打一个钻孔2，钻孔2与洞室底板平行与洞室走向垂直，钻孔间距5～10m，距洞室地板高度为1.5m，孔径为6cm，深2m；
(2)在钻孔2底部放置适量黄油作为耦合剂，将一种高度集成化的智能三分量检波器3埋设在钻孔2的底部，调整三分量检波器3的位置，使三分量检波器3的x、y方向的分量水平放置，x分量方向与隧道轴线方向一致并指向掌子面方向，y分量的方向在水平面上与隧道轴线垂直，z分量的方向在铅垂面上与隧道轴线垂直。
(3)用力按压三分量检波器3，将钻孔2内的黄油挤压到三分量检波器3与钻孔2的缝隙中，耦合剂可根据实际情况增减，确保三分量检波器3与钻孔2紧密、牢靠的贴合在一起。
(4)人工地震法地质预报装置开机，根据图3所示的数据采集流程图进行采集的设置工作，具体是：开机后设定相应采集参数，启动***等待触发，准备采集信号；
(5)隧道掌子面5掘进炮第一炮激发，产生人工地震波6，产生的人工地震波6在掌子面前方传播，岩性改变，人工地震波在地质界面8产生反射，形成反射地震波7；
(6)三分量检波器3接收到反射地震波信号7；
(7)当三分量检波器接收到的信号强度达到设定值时，三分量检波器开始按照提前设定的采样率和采样长度进行采集，并将数据按照规定的格式保存为本地文件；
(8)采集并保存完毕当前数据后，检波器通过信号线9将数据传递到置于洞口的同步通讯器10，同步通讯器10通过移动通信网络将数据传给远端的电脑或手机等终端设备，并以曲线的形式在电脑等终端上显示；
(9)当掌子面5下一次放炮掘进时，进行下一次采集和接收，实现对地震记录的不间断自动采集；
(10)通过主机11内已经安装的数据处理程序，对已经记录的数据进行分析，预测掌子面5前方地质情况，实现人工地震法地质预报。
设计一种人工地震波自动监测***，它包括三个部分：三分量检波器3、同步通讯器10、信号线9(具有屏蔽特性)和主机11组成。
所述的三分量检波器3埋设在洞室1内同侧壁4的钻孔2中，钻孔2与洞室1的底板平行且与洞室1的走向垂直，钻孔深度为2m，距洞室地板高度1.5m，直径为6cm。
三分量检波器3的埋设入钻孔2方法是：先在钻孔2内部填充黄油作为三分量检波器3和钻孔2的耦合剂，调整三分量检波器3的位置，使三分量检波器3的x、y、z分量方向与隧道的方位关系是：x分量方向与隧道轴线方向一致并指向掌子面方向，y分量的方向在水平面上与隧道轴线垂直，z分量的方向在铅垂面上与隧道轴线垂直，用力按压使得三分量检波器3与钻孔2相连(紧贴)，黄油填充量以保证三分量检波器3与钻孔2紧贴无空隙，充满钻孔2为宜。
所述三分量检波器3设置于洞室1同侧壁的钻孔中，通过黄油耦合剂与钻孔相接(紧贴)，良好耦合。所述的三分量检波器3通过信号线9相连；同步通讯器10通过接口与三分量检波器3相连。
所述的三分量检波器3通过信号线9相连，同步通讯器10通过信号线10与三分量检波器3相连。
所述的三分量检波器3是一种高度集成化的智能三分量检波器，该三分量传感器在采样上可以实现自动采集、数模转换、数据存储、数据传输、独立供电等功能。
结合图3的数据采集流程，对本发明的一种人工地震波自动监测***的操作方法作进一步说明：
S1、打开主机11，对各个串口进行初始化设置；
S2、通过主机11设置数据采集参数，操作员在控制与数据分析***的***操作软件中设置采集参数，包括采样长度、采样率、采样触发条件，软件将自动保存所设置参数并作为缺省参数，控制与数据分析***通过移动通信网络发送采集参数给数据采集***，数据采集***中的处理器进行设置采集参数；
S3、启动***等待触发采集，操作员在控制与数据分析***的***操作软件中启动触发等待，再由控制与数据分析***通过移动通信网络发送给数据采集***，数据采集***中处理器开启触发通道，随时准备按照预先设置好的参数进行采集，并回传预备信息到***操作软件，提示操作员已准备完毕；
S4、隧道掌子面5掘进炮第一炮激发，产生人工地震波6，产生的人工地震波6在掌子面前方传播，岩性改变，人工地震波在地质界面8产生反射，形成反射地震波7，三个三分量检波器3分别接收到反射地震波信号7；
S5、触发采集，当三分量检波器3接收到的信号强度达到设定值时，三分量检波器3开始按照提前设定的采样率和采样长度进行采集；
S6、三分量检波器3将数据按照预设的格式保存为本地文件；
S7、采集并保存完毕当前数据后，三分量检波器3通过信号线9将数据传递到置于洞口1的同步通讯器10，同步通讯器10通过移动通信网络将数据传给远端的电脑或手机等终端设备，并以曲线的形式在电脑等终端上显示；
S8、监控数据资料，通过主机11内预设的数据处理程序，分析已经记录的数据，也可以通过对比软件下载数据采集***的历史数据，使操作员分析数据的资料，对下次采集做出判断，预测掌子面5前方地质情况。
所述的三分量检波器触发采集工作模式为阈值触发模式，即当三分量检波器任一分量采集的信号输入达到设定值时，数据采集通道开始按照提前设定采样率开始采集，采集长度根据实际测试需求进行设定，采集的数据以一定的格式保存在三分量检波器的存储模块中。如设置触发阈值为0.1V，则当三分量检波器任一分量采集的信号输入达到0.1V时，触发***将按照设置保存数据。
所述的三分量检波器中的数据采集模块在***初始化启动以后就开始采集，此时采集的数据存入缓存中，当信号强度达到设定值时，将采集的数据以一定的格式保存在三分量检波器的存储模块中。
所述的采样率设置一般为20KHz(即采样间隔0.05ms)，采样时长200ms，即一道数据有4000个数据点，三分量检波器即有三道数据，12000个数据点。所以每采集一次的存储文件中含有道头数据、一道增益数据和三道振幅数据。
所述的数据采集为负延迟方式，即可将触发点之前的数据存储。如设置采样长度为4000个数据点，负延迟点为2000个，则一条完整数据的前2000个点为触发点之前的数据，后2000个点为触发时刻之后的数据。
所述的数据采集控制和数据传输均采用“洞内有线+洞外无线”的方式进行，主机11通过数据传输***，设置各元件参数及发布指令，并显示、记录数据。专有的数据处理程序对采集的数据进行分析处理。具体实现方式如下：数据采集控制在远端后台计算机上通过控制软件进行，各种采集参数信息指令通过互联网发送至洞口的同步通讯器，同步通讯器再通过洞内的信号线传送至检波器。数据传输采用洞内的交流照明线路(380V)传送至洞口的同步通讯器，同步通讯器通过移动通信网络将采集数据上传到特定服务器或者云端服务器。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种人工地震波自动监测***，其特征在于，包括：三分量检波器(3)、同步通讯器(10)、信号线(9)和主机(11)组成；
所述三分量检波器(3)埋设在洞室(1)内同一侧壁(4)上开设的钻孔(2)中，钻孔(2)与洞室(1)的底板平行且与洞室(1)的走向垂直；
所述三分量检波器(3)设置于洞室同侧壁的钻孔中，三分量检波器的x、y、z分量方向与隧道的方位关系是：x分量方向与隧道轴线方向一致并指向掌子面方向，y分量的方向在水平面上与隧道轴线垂直，z分量的方向在铅垂面上与隧道轴线垂直；通过黄油耦合剂与钻孔紧贴相接，良好耦合；三分量检波器之间通过信号线(9)相连；同步通讯器(10)通过信号线(9)与三分量检波器相连，主机(11)与同步通讯器(10)通过有线或无线的方式连接。
2.根据权利要求1所述的一种人工地震波自动监测***，其特征在于，所述的三分量检波器(3)是一种高度集成化的智能三分量检波器，其中的三分量传感器在采样上可以实现自动采集、数模转换、数据存储、数据传输、独立供电功能。
3.根据权利要求1所述的一种人工地震波自动监测***，其特征在于，三分量检波器(3)的埋设入钻孔(2)，先在钻孔(2)内部填充黄油作为三分量检波器(3)和钻孔(2)的耦合剂，调整三分量检波器(3)的位置，使三分量检波器(3)的x分量方向与隧道轴线方向一致并指向掌子面方向，y分量的方向在水平面上与隧道轴线垂直，z分量的方向在铅垂面上与隧道轴线垂直，用力按压使得三分量检波器(3)与钻孔(2)紧贴相连，黄油填充量以保证三分量检波器(3)与钻孔(2)紧贴无空隙，充满钻孔(2)。
4.根据权利要求1所述的一种人工地震波自动监测***，其特征在于，主机(11)通过数据传输***，设置各元件参数及发布指令，并显示、记录数据，设置专有的数据处理程序对采集的数据进行分析处理。
5.一种人工地震波自动监测***的使用方法，用于对权利要求1所述的人工地震波自动监测装置进行使用，其特征在于，包含：
S1、主机(11)对各个串口进行初始化设置；
S2、通过主机(11)设置数据采集参数，操作员在控制与数据分析***的***操作软件中设置采集参数，包括采样长度、采样率、采样触发条件，软件将自动保存所设置参数并作为缺省参数，控制与数据分析***通过移动通信网络发送采集参数给数据采集***，数据采集***中的处理器进行设置采集参数；
S3、启动***等待触发采集，控制与数据分析***通过移动通信网络发送给数据采集***，数据采集***中处理器开启触发通道，随时准备按照预先设置好的参数进行采集，并回传预备信息到***操作软件，提示操作员已准备完毕；
S4、隧道掌子面(5)掘进炮第一炮激发，产生人工地震波(6)，产生的人工地震波(6)在掌子面前方传播，岩性改变，人工地震波在地质界面(8)产生反射，形成反射地震波(7)，三分量检波器(3)接收到反射地震波信号(7)；
S5、触发采集，当三分量检波器(3)接收到的信号强度达到设定值时，三分量检波器(3)开始按照提前设定的采样率和采样长度进行采集；
S6、三分量检波器(3)将数据按照预设的格式保存为本地文件；
S7、采集并保存完毕当前数据后，三分量检波器(3)通过信号线将数据传递到置于洞口的同步通讯器(10)，同步通讯器(10)通过移动通信网络将数据传给远端的电脑或手机等终端设备，并以曲线的形式在电脑或手机终端上显示；
S8、主机(11)监控数据资料，通过预设的数据处理程序，分析已经记录的数据，也可以对比软件下载数据采集***的历史数据，输出最终结果数据，使操作员分析数据的资料，对下次采集做出判断，预测掌子面(5)前方地质情况。
6.根据权利要求5所述的一种人工地震波自动监测***，其特征在于，当掌子面(5)每一次放炮掘进时，都进行一次采集和接收，实现对地震记录的不间断自动采集。
7.根据权利要求5所述的一种人工地震波自动监测***，其特征在于，步骤S5所述的数据采集***触发采集工作模式为当传感器信号输入达到设定值时，数据采集通道开始按照提前设定采样率开始采集，采集长度根据实际测试需求进行设定，采集的数据以一定的格式保存在三分量检波器的存储模块中。
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