TSP 隧道地質超前預報系統

2.1 儀器設備

  TSP 隧道地質超前預報系統，傳感器為三分量傳感器，如圖2-1所示。

圖2-1  HZTSP地質超前探測系統

HZTSP地質超前探測系統主要特點如下：

(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，解決傳統速度型傳感器高頻信號響應差的問題。

(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，淺層精細探測能力尤為突出。

(5)軟件功能完備，配置兼具數據采集與處理的專業系統軟件，可實現數據的采集、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系統平臺、高清彩色觸摸屏，人機交互便捷。

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，在巷道掘進工作面處的震源點用錘擊或小藥量爆炸激發產生地震波。地震波在巖煤層中以球面波形式傳播，當遇到巖石物性界面（即波阻抗明顯差異界面，如斷層、采空區、巖石破碎帶和巖性變化等）時，一部分地震信號反射回來，一部分信號透射進入前方介質，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界面進行測量與評價。

具體來說，由爆炸激發的地震波信號分別沿不同的路徑以直達波和反射波的形式到達檢波器，與直達波相比反射波需要的傳播時間較長。根據從震源直接到達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—激發孔與接收檢波器的距離（m），TD—直達縱波的傳播時間（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算反射界面離掘進工作面的距離。具體計算公式如下：

則                      

其中，TR1—界面反射波的傳播時間（s），X2—激發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

對于井巷內反射地震波探測數據處理，除采用負視速度法等傳統方法外，可直接進行疊前偏移處理。偏移技術可分為兩類，一類是射線偏移法，以惠更斯原理為基礎，另一類是波動方程偏移法，以物理光學原理為基礎。目前從適用角度來說，射線掃描偏移法較易實現，其偏移結果能滿足實際要求。這里應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上使反射波自動歸位到真實位置上的一種方法。根據惠更斯原理，地下每一個反射點都可以看成是一個子波震源，進行繞射掃描偏移時，把每一個網格點看成是一個反射點，則它的反射波或繞射波旅行時為

圖2-3  繞射掃描偏移網格圖

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點的垂直深度，為掃描點P處第i炮第j個接收點的繞射波旅行時。圖2-3為繞射掃描偏移網格。這樣把記錄道上時刻的振幅值 與P點的振幅值疊加起來，作為P點的總振幅值Ai，則

當對X-H平面按Δx、Δh劃分的方格網上每一點P（x，h）都進行計算，只要劃分得足夠細，總可以在所要求的精度上反映反射點的全部可能位置。這樣，使反射界面上的疊加掃描點P的總振幅Ai更加增大，不在反射界面上的掃描點P的總振幅Ai進一步相對減小，既提高了信噪比，又把反射界面自動偏移到其空間真實位置上去，從而獲得疊前偏移結果剖面，對此進行有效界面提取。

通過與巷道工作面的距離來確定反射層所對應的地質界面的空間位置，并根據反射波的組合特征及其動力學特征、巖石物理力學參數等資料來解釋地質體的性質（地層界面、軟弱、破碎帶、斷層、節理裂隙、圍巖類別等）。同樣，根據炮檢點的三維空間坐標可進行巷道掘進空間地質體三維繞射偏移計算，得到全空間的立體數據。