CN109521221B - 一种钻爆法施工硬岩隧道微震波波速实时获取方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种钻爆法施工硬岩隧道微震波波速实时获取方法，具体流程为：已知坐标的点进行单孔单药包***；提取每个传感器监测到的该信号的P波监测到时；计算第i+1号传感器和第i号传感器的P波监测到时之差与计算到时之差的残差；求解微震P波波速的适应值函数Q；求得微震P波波速；求得S波波速的估计值；进行初步定位，并提取P波和S波监测到时，将P波和S波监测到时绘制在直角坐标系中，并进行直线拟合，求得实际P波和S波的波速比，进而求得微震S波波速；本发明将微震P波波速和S波波速分开求解，提高S波波速反演精度的同时，不会增加人力物力的消耗，方法经济简洁，操作可行，实时快速获取岩体中微震波波速，提高微震监测效果。

Description

一种钻爆法施工硬岩隧道微震波波速实时获取方法
技术领域
本发明属于隧道微震监测技术领域，具体涉及一种钻爆法施工硬岩隧道微震波波速实时获取方法。
背景技术
微震监测是指通过监测岩体破裂产生的震动或其它物体震动，对监测对象的破坏状况、安全状况等作出评价，从而为预警和防控灾害提供依据的成套设备和技术。微震震源定位是微震监测的基础，它是利用微震***记录的微震波形信息、岩体中微震波传播速度，包括P波波速和S波波速，求解微震事件的空间坐标、发震时刻并计算相关微震参数，如微震能量、震级、视体积、震源机制等。因此，微震波波速直接影响微震源的定位精度和微震参数的计算准确度，进而影响微震信息的解译和监测效果。
目前，获取微震波波速的方法主要有室内试验法和现场测试法。室内试验法主要是指在室内通过对岩块进行声波试验而获取岩块波速，然后乘以一定的系数得到岩体的波速。由于现场地质条件复杂，室内试验得到的岩块波速与现场岩体波速之间并不是简单的线性关系。因此，通过室内试验法获得的岩体波速并不能准确反映现场岩体波速。现场测试法主要是指现场通过在已知空间坐标的点进行单孔单药包***，然后利用微震监测***中各传感器监测到该***产生的微震波的P波和S波到时经过反演获得岩体的波速。然而，通常情况下，相对于正常的微震事件，***产生的微震波S波较弱，很难准确识别S波监测到时。因此，采用现场定点***反演获得的微震S波波速误差较大，如果将其作为岩体波速输入，进行微震源定位和相关微震参数计算，必然带来较大的误差。
中国专利公开号CN102096093A，发明名称“一种利用微震点作为震源计算矿区地震波传播速度的方法”，该发明针对矿区地震波传播速度的计算，利用多个传感器测得的微震点产生的地震波时间确定微震点的坐标估计，然后利用微震点的坐标估计值来计算矿区地震波传播速度。由于微震点坐标估计值精度不高，因此该法所获取的地震波传播速度存在较大误差。中国专利公开号CN103697999A，发明名称“一种高应力硬岩TBM施工隧道微震波速实时获取方法”，该发明针对高应力硬岩TBM施工隧道，利用掌子面附近的塌方、岩爆或岩体开裂作为坐标已知的微震源，然后进行波速反演以获得微震波波速。该法只有在施工过程中发生了宏观岩体破坏的洞段可以应用，而没有发生宏观岩体破坏的洞段难以实施。中国专利公开号CN104502964A，发明名称“一种基于空间几何关系的获得微震波速的方法”，该发明提供了一种基于传感器和未知震源的空间几何关系，利用迭代算法构建等效微震波速的方法，但该法只适用于微震事件分布在传感器阵列内的情况，而对于隧道工程，微震事件主要分布在传感器阵列外，该法难以有效应用。中国专利公开号CN104406681A，发明名称“一种实时确定微震波速的测试方法”，该发明利用已知震源的人工***通过反演实时确定微震波波速，但该方法只对P波波速给出了反演方法，没有给出S波波速的反演方法。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种钻爆法施工硬岩隧道微震波波速实时获取方法，用于解决硬岩钻爆法施工隧道微震监测中波速难以实时准确获取的问题，提高微震源定位精度和微震参数计算准确度，从而保证微震信息被正确解译并提高微震监测效果。
一种钻爆法施工硬岩隧道微震波波速实时获取方法，包括如下步骤：
步骤1：在硬岩钻爆法施工隧道掌子面附近已知坐标的点进行单孔单药包***，掌子面附近定义为：掌子面前方10m至掌子面后方10m，将该已知坐标点作为微震源，利用掌子面后方布置的微震监测***捕捉***产生的微震信号，用于微震P波波速反演；
步骤2：分析微震监测***捕捉到的微震信号，提取每个传感器监测到的该信号的P波监测到时，根据传感器编号分别记录为：
Figure BDA0001898404580000021
n为传感器个数；
步骤3：记第i+1号传感器和第i号传感器的P波监测到时之差与计算到时之差的残差为
Figure BDA0001898404580000022
其计算公式如下：
Figure BDA0001898404580000023
式中，(x,y,z)为微震源的空间坐标，(xi,yi,zi)为第i号传感器的空间坐标，VP为微震P波波速，其中当i＝n时有：
Figure BDA0001898404580000024
步骤4：求解微震P波波速的适应值函数Q描述为：
Figure BDA0001898404580000025
步骤5：当Q等于或趋于零时，求得微震P波波速VP；
步骤6：求得微震P波波速VP后，根据岩体中P波和S波的波速比估计值为
Figure BDA0001898404580000026
求得S波波速的估计值VS′。然后利用求得的微震P波波速VP和微震S波波速的估计值VS′对隧道开挖过程中产生的微震事件进行初步定位，选取初步定位坐标在掌子面前方10m至掌子面后方10m范围内，且S波监测到时明显的微震事件进行分析，提取每个传感器监测到的该微震事件的P波和S波监测到时，根据传感器编号分别记录为：
Figure BDA0001898404580000031
步骤7：第i号传感器的P波和S波监测到时分别满足如下关系：
Figure BDA0001898404580000032
式中，t0为微震事件的发震时间，Ri为微震源与第i个传感器之间的距离，VS为微震S波波速；
步骤8：公式(4)消除Ri后得到第i号传感器的S波和P波监测到时之差为：
Figure BDA0001898404580000033
步骤9：以Ti P为横坐标，(Ti S-Ti P)为纵坐标，将所有传感器记录的P波和S波监测到时以散点的形式绘制在直角坐标系中，然后对这些点进行直线拟合，由公式(5)可知
Figure BDA0001898404580000034
为该直线的斜率，即实际的微震P波和微震S波的波速比，微震P波波速步骤4已经求出，则由直线斜率求得微震S波波速。
在隧道施工过程中，随着掌子面的推进，围岩地质情况不断发生变化，微震波波速也将不断发生变化，因此，根据现场施工情况，重复步骤1～步骤9实时动态地获取随掌子面的推进而不断变化的微震波波速。
有益技术效果：
(1)将微震P波波速和S波波速分开求解，避免了采用***事件同时求解P波波速和S波波速时，S波监测到时难以准确拾取而导致的S波波速的求解误差较大的问题。
(2)充分利用钻爆法施工隧道掌子面附近围岩中频繁发生的微破裂事件，选用S波监测到时明显的事件进行S波波速反演，在提高S波波速反演精度的同时，不会增加人力物力的消耗。
(3)直接利用掌子面后方已有的微震监测***进行波速反演，方法经济简洁，操作可行，随着掌子面的推进，能够实时快速获取岩体中微震波波速，解决了隧道开挖过程中岩体微震波波速频繁变化的问题，提高了微震监测效果。
附图说明
图1为本发明实施例的一种钻爆法施工硬岩隧道微震波波速实时获取方法流程图；
图2为本发明实施例的S波监测到时明显的波形图；
图3为本发明实施例的(Ti S-Ti P)随Ti P变化的散点分布及直线拟合。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施实例对发明做进一步说明：一种钻爆法施工硬岩隧道微震波波速实时获取方法，如图1所示，包括如下流程：
步骤1：在硬岩钻爆法施工隧道微震监测过程中，微震传感器阵列一般布置于掌子面后方一定距离的洞壁围岩中，且微震传感器阵列一般跟随掌子面向前移动。根据隧道中的测量基准点，可以用全站仪、测斜仪和钢卷尺测得各传感器的空间坐标。掌子面附近任意点的空间坐标也能快速准确地获得。在掌子面附近选择一个点作为微震源，在该点进行单孔单药包***，利用微震监测***捕捉***产生的微震信号，该信号可用于微震P波波速反演；
2017年6月27日，该隧道掌子面开挖至桩号SK194+835处。掌子面后方布置有8个微震传感器，传感器阵列的中心与掌子面间的距离约为100m，各微震传感器的相对坐标按照传感器编号依次记录为(1243.8,6.5，-11.9)，(1242.5,5.3，-6.5)，(1243.8，-6.1，-7.5)，(1242.9，-6.9，-12.0)，(1213.5,5.9，-11.2)，(1212.6,5.3，-6.9)，(1212.6，-6.2，-7.4)和(1212.2，-6.8，-11.2)。
为进行微震波波速反演，施工人员在掌子面附近选取相对空间坐标为(1354.5，0.0，-10.7)的点于2017年6月27日18时00分进行了单孔单药包***；
步骤2：***产生的微震信号震级高，一般能触发监测***中所有的传感器，且***信号P波监测到时非常明显，可以准确地提取每个传感器的P波监测到时，根据传感器编号将各传感器记录的P波监测到时分别记录为：
Figure BDA0001898404580000041
n为传感器个数，本实施例n＝8；
微震监测***于2017年6月27日18时00分02秒监测到该***信号。经过分析提取每个传感器捕捉到的该***信号的P波监测到时，按照传感器编号依次记录为(18:00:02.595583)，(18:00:02.596749)，(18:00:02.595583)，(18:00:02.595583)，(18:00:02.600833)，(18:00:02.600833)，(18:00:02.600666)，和(18:00:02.600833)。
步骤3：记第i+1号传感器和第i号传感器的P波监测到时之差与计算到时之差的残差为
Figure BDA0001898404580000042
其计算公式如下：
Figure BDA0001898404580000043
式中，(x,y,z)为微震源的空间坐标，(xi,yi,zi)为第i号传感器的空间坐标，VP为微震P波波速，其中当i＝n时有：
Figure BDA0001898404580000051
步骤4：求解微震P波波速的适应值函数Q可以描述为：
Figure BDA0001898404580000052
步骤5：当Q等于或趋于零时，求得的VP即为微震P波波速；
将震源点坐标、传感器坐标和各传感器记录的***信号的P波监测到时代入公式(1)～(3)，反演获得该洞段微震P波波速为VP＝5995m/s。
步骤6：根据地震方面的研究可知，理论上岩体中P波和S波的波速比估计值为
Figure BDA0001898404580000053
因此在获得微震P波波速后可求得S波波速的估计值为
Figure BDA0001898404580000054
在硬岩钻爆法施工过程中掌子面附近会产生较多的微震事件，利用求得的微震P波波速和S波波速的估计值对这些微震事件进行初步定位。然后选取初步定位坐标在掌子面附近且S波监测到时明显的微震事件进行分析，提取每个传感器监测到的该微震信号的P波和S波监测到时，根据传感器编号将各传感器记录的P波监测到时分别记录为：
Figure BDA0001898404580000055
将各传感器记录的S波监测到时分别记录为：
Figure BDA0001898404580000056
根据理论上岩体中P波和S波的波速比约为
Figure BDA0001898404580000057
可得S波波速的估计值为
Figure BDA0001898404580000058
步骤7：第i号传感器的P波和S波监测到时分别满足如下关系：
Figure BDA0001898404580000059
式中，t0为微震事件的发震时间，Ri为微震源与第i个传感器之间的距离，VS为微震S波波速；
步骤8：公式(4)前后两式相减可消除Ri，从而得到第i号传感器的S波和P波监测到时之差为：
Figure BDA00018984045800000510
根据反演获得的P波波速和S波波速的估计值对6月27日微震***捕捉到的微震事件进行初步定位，其中2017年6月27日18时04分04秒监测到的微震事件初步定位在掌子面后方4m，且其S波监测到时明显，如图2所示，经过分析提取每个传感器捕捉到的该微震信号的P波和S波监测到时，按照传感器编号依次记录为(18:04:04.399458，18:04:04.411958)，(18:04:04.399958，18:04:04.413291)，(18:04:04.399458，18:04:04.412125)，(18:04:04.399458，18:04:04.412291)，(18:04:04.404645，18:04:04.420979)，(18:04:04.404812，18:04:04.422145)，(18:04:04.404478，18:04:04.420978)和(18:04:04.404646，18:04:04.421146)。
步骤9：以Ti P为横坐标，(Ti S-Ti P)为纵坐标，将所有传感器记录的P波和S波监测到时以点的形式绘制在直角坐标系中，然后对这些点进行直线拟合，该直线的斜率记为k，由公式(5)可知
Figure BDA0001898404580000061
由此可求得实际的P波和S波的波速比为
Figure BDA0001898404580000062
再结合步骤步骤1～步骤4求得的微震P波波速VP可求得微震S波波速
Figure BDA0001898404580000063
以各传感器捕捉到的该信号的P波监测到时为横坐标，以对应的S波监测到时与P波监测到时差为纵坐标，在直角坐标系中绘制(Ti S-Ti P)随Ti P变化的散点分布图，然后进行直线拟合，结果如图3所示。该拟合直线的斜率为0.7612，由式(5)可知，
Figure BDA0001898404580000064
所以微震S波波速为VS＝5995÷1.7612＝3404m/s。
在隧道施工过程中，随着掌子面的推进，新揭露的围岩地质情况不断发生变化，而且微震传感器阵列也在跟随掌子面向前移动，因此微震波波速也将不断发生变化。所以实际监测过程中需要根据现场揭露的围岩地质情况及微震传感器阵列的布置情况，重复步骤1～步骤9实时动态地获取随掌子面的推进而不断变化的微震波波速。

Claims (1)

1.一种钻爆法施工硬岩隧道微震波波速实时获取方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在硬岩钻爆法施工隧道掌子面附近已知坐标的点进行单孔单药包***，掌子面附近定义为：掌子面前方10m至掌子面后方10m，将该已知坐标点作为微震源，利用掌子面后方布置的微震监测***捕捉***产生的微震信号，用于微震P波波速反演；
步骤2：分析微震监测***捕捉到的***微震信号，提取每个传感器监测到的***微震信号的P波监测到时，根据传感器编号将各传感器记录的P波监测到时分别记录为：
Figure FDA0002620285270000011
n为传感器个数；
步骤3：记第i+1号传感器和第i号传感器的P波监测到时之差与计算到时之差的残差为
Figure FDA0002620285270000012
其计算公式如下：
Figure FDA0002620285270000013
式中，(x,y,z)为微震源的空间坐标，(xi,yi,zi)为第i号传感器的空间坐标，VP为微震P波波速，其中当i＝n时有：
Figure FDA0002620285270000014
步骤4：求解微震P波波速的适应值函数Q描述为：
Figure FDA0002620285270000015
步骤5：当Q等于或趋于零时，求得微震P波波速VP；
步骤6：求得微震P波波速VP后，根据岩体中P波和S波的波速比估计值为
Figure FDA0002620285270000016
求得S波波速的估计值VS′，然后利用求得的微震P波波速VP和S波波速的估计值VS′对隧道开挖过程中产生的微震事件进行初步定位，选取初步定位坐标在掌子面前方10m至掌子面后方10m范围内，且S波监测到时明显的岩石破裂微震信号进行分析，提取每个传感器监测到的岩石破裂微震信号的P波监测到时和S波监测到时，根据传感器编号将各传感器记录的P波监测到时分别记为：
Figure FDA0002620285270000017
将各传感器记录的S波监测到时分别记为：
Figure FDA0002620285270000018
步骤7：第i号传感器的P波和S波监测到时分别满足如下关系：
Figure FDA0002620285270000021
式中，t0为微震事件的发震时间，Ri为微震源与第i个传感器之间的距离，VS为微震S波波速；
步骤8：公式(4)消除Ri后得到第i号传感器的S波和P波监测到时之差为：
Figure FDA0002620285270000022
步骤9：以Ti P为横坐标，(Ti S-Ti P)为纵坐标，将所有传感器记录的P波和S波监测到时以散点的形式绘制在直角坐标系中，然后对这些点进行直线拟合，由公式(5)可知
Figure FDA0002620285270000023
为该直线的斜率，即实际的微震P波和微震S波的波速比，微震P波波速步骤4已经求出，则由直线斜率求得微震S波波速。
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