TSP 隧道地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)

2.1 儀器設(shè)備

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

圖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，可同時接入速度型傳感器和MEMS加速度傳感器的信號采集，兼顧深部與淺部地震信號。

(2)采樣頻率高，zui高可至1.25MHz，滿足超淺層地震信號采集。

(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，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、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，一部分地震信號反射回來，一部分信號透射進(jìn)入前方介質(zhì)，反射回來的地震信號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將發(fā)生相位的變化，而且反射信號的傳播時間和反射界面的距離成正比，因此能對巷道前方地質(zhì)界面進(jìn)行測量與評價。

具體來說，由爆炸激發(fā)的地震波信號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間較長。根據(jù)從震源直接到達(dá)檢波器的縱波傳播時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。

圖2-2  TSP原理圖

對于井巷內(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，地下每一個反射點(diǎn)都可以看成是一個子波震源，進(jìn)行繞射掃描偏移時，把每一個網(wǎng)格點(diǎn)看成是一個反射點(diǎn)，則它的反射波或繞射波旅行時為

圖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個接收點(diǎn)的繞射波旅行時。圖2-3為繞射掃描偏移網(wǎng)格。這樣把記錄道上時刻的振幅值 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，只要劃分得足夠細(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)一步相對減小，既提高了信噪比，又把反射界面自動偏移到其空間真實(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)。