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TSP 隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)工作原理

更新時(shí)間:2020-01-20      瀏覽次數(shù):5330

TSP 隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)

2.1 儀器設(shè)備

  TSP 隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng),傳感器為三分量傳感器,如圖2-1所示。

 

2-1  HZTSP地質(zhì)超前探測系統(tǒng)

HZTSP地質(zhì)超前探測系統(tǒng)主要特點(diǎn)如下:

(1)雙采集模式,可同時(shí)接入速度型傳感器和MEMS加速度傳感器的信號(hào)采集,兼顧深部與淺部地震信號(hào)。

(2)采樣頻率高,zui高可至1.25MHz,滿足超淺層地震信號(hào)采集。

(3)MEMS傳感器頻響范圍廣,解決傳統(tǒng)速度型傳感器高頻信號(hào)響應(yīng)差的問題。

(4)探測精度高,24bit高速AD及前置2-4~27倍程控增益,可以有效獲取地震波場弱信號(hào),淺層精細(xì)探測能力尤為突出。

(5)軟件功能完備,配置兼具數(shù)據(jù)采集與處理的專業(yè)系統(tǒng)軟件,可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、顯示、、對(duì)比、處理成像及判別分析,具有一鍵成圖與在線分析功能。

(6)智能化Android系統(tǒng)平臺(tái)、高清彩色觸摸屏,人機(jī)交互便捷。

2.2 探測原理

隧道地震波超前探測(TSP-Tunnel Seismic Prediction),是利用反射波勘探原理,在巷道掘進(jìn)工作面處的震源點(diǎn)用錘擊或小藥量爆炸激發(fā)產(chǎn)生地震波。地震波在巖煤層中以球面波形式傳播,當(dāng)遇到巖石物性界面(即波阻抗明顯差異界面,如斷層、采空區(qū)、巖石破碎帶和巖性變化等)時(shí),一部分地震信號(hào)反射回來,一部分信號(hào)透射進(jìn)入前方介質(zhì),反射回來的地震信號(hào)被高靈敏度的地震檢波器接收。按彈性波理論,在波組抗存在差異的不同界面反射信號(hào)將發(fā)生相位的變化,而且反射信號(hào)的傳播時(shí)間和反射界面的距離成正比,因此能對(duì)巷道前方地質(zhì)界面進(jìn)行測量與評(píng)價(jià)。

具體來說,由爆炸激發(fā)的地震波信號(hào)分別沿不同的路徑以直達(dá)波和反射波的形式到達(dá)檢波器,與直達(dá)波相比反射波需要的傳播時(shí)間較長。根據(jù)從震源直接到達(dá)檢波器的縱波傳播時(shí)間換算出地震波的傳播速度Vp,其中

這里X1—激發(fā)孔與接收檢波器的距離(m),TD—直達(dá)縱波的傳播時(shí)間(s)。

若已知地震波的傳播速度,在反射界面與巷道夾角較大情況下可以直接計(jì)算反射界面離掘進(jìn)工作面的距離。具體計(jì)算公式如下:

則                      

其中,TR1—界面反射波的傳播時(shí)間(s),X2—激發(fā)孔與反射界面的距離(m),X3—檢波器與反射界面的距離(m)。圖2-2為巷道MSP法超前探測簡單布置及波路示意圖。

 

2-2  TSP原理圖

對(duì)于井巷內(nèi)反射地震波探測數(shù)據(jù)處理,除采用負(fù)視速度法等傳統(tǒng)方法外,可直接進(jìn)行疊前偏移處理。偏移技術(shù)可分為兩類,一類是射線偏移法,以惠更斯原理為基礎(chǔ),另一類是波動(dòng)方程偏移法,以物理光學(xué)原理為基礎(chǔ)。目前從適用角度來說,射線掃描偏移法較易實(shí)現(xiàn),其偏移結(jié)果能滿足實(shí)際要求。這里應(yīng)用的是基于變換和射線掃描的偏移方法。

繞射掃描偏移是建立在射線偏移的基礎(chǔ)上使反射波自動(dòng)歸位到真實(shí)位置上的一種方法。根據(jù)惠更斯原理,地下每一個(gè)反射點(diǎn)都可以看成是一個(gè)子波震源,進(jìn)行繞射掃描偏移時(shí),把每一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)看成是一個(gè)反射點(diǎn),則它的反射波或繞射波旅行時(shí)為

 

2-3  繞射掃描偏移網(wǎng)格圖

式中=1,2,3,……,m,且m為參與疊加的記錄道;v為地震波的速度,h為p點(diǎn)的垂直深度,為掃描點(diǎn)P處第i炮第j個(gè)接收點(diǎn)的繞射波旅行時(shí)。圖2-3為繞射掃描偏移網(wǎng)格。這樣把記錄道上時(shí)刻的振幅值 與P點(diǎn)的振幅值疊加起來,作為P點(diǎn)的總振幅值A(chǔ)i,則

當(dāng)對(duì)X-H平面按Δx、Δh劃分的方格網(wǎng)上每一點(diǎn)P(x,h)都進(jìn)行計(jì)算,只要?jiǎng)澐值米銐蚣?xì),總可以在所要求的精度上反映反射點(diǎn)的全部可能位置。這樣,使反射界面上的疊加掃描點(diǎn)P的總振幅Ai更加增大,不在反射界面上的掃描點(diǎn)P的總振幅Ai進(jìn)一步相對(duì)減小,既提高了信噪比,又把反射界面自動(dòng)偏移到其空間真實(shí)位置上去,從而獲得疊前偏移結(jié)果剖面,對(duì)此進(jìn)行有效界面提取。

通過與巷道工作面的距離來確定反射層所對(duì)應(yīng)的地質(zhì)界面的空間位置,并根據(jù)反射波的組合特征及其動(dòng)力學(xué)特征、巖石物理力學(xué)參數(shù)等資料來解釋地質(zhì)體的性質(zhì)(地層界面、軟弱、破碎帶、斷層、節(jié)理裂隙、圍巖類別等)。同樣,根據(jù)炮檢點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)可進(jìn)行巷道掘進(jìn)空間地質(zhì)體三維繞射偏移計(jì)算,得到全空間的立體數(shù)據(jù)。

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