（地球探测与信息技术专业论文）反射波法隧道、井巷地震超前预报研究.pdf

反射波法隧道、井巷地震超前预报研究 摘要 由于掘进面( 掌子面) 前方地质情况不明，潜在和无法预知的地质因素较 多，常出现各种地质险情，严重影响隧道、井巷施工进度，甚至带来灾难性的地 质灾害，造成严重的人员伤亡和经济损失。国内外地球物理学家和工程技术人员 都为此付出了艰辛的努力，一直希望寻求到一种简单且行之有效的办法来预先探 明掌子面前方地质情况，减少或降低损失。 经过多年实践和摸索，也探索出不少方法和技术，反射波法隧道、井巷地 震超前预报( 胎仃p c 日产昭憎，加门e 曲伽c 厅p 出c n 。仃，简称斤巧功是近 年发展起来的一种简单且行之有效的超前预报掘进面前方地质情况的地球物理 探测新技术，主要用来超前预报交通隧道、煤田矿山井巷、水电隧洞及地下工程 等掘进面前方不明地质情况，为地质灾害作好提前预防措施，尽最大可能地减少 损失。， 乎 但是，由于隧道、井巷的全空间( 地面为半空间) 复杂工作环境，决定了 地震波的复杂性，这为实际地质超前预报工作带来了相当大的困难。因此要想准 确超前预报，设计出合理且行之有效的观测系统是隧道超前预报的前提和基础； 同时，数据处理方法和技术也非常关键，是隧道、并巷准确超前预报的前提和保 证，除常规处理步骤外，有效反射波提取和深度偏移成像是隧道、井巷地震超前 预报的两大关键技术所在，直接影响到隧道、井巷超前预报的可靠性和精确程度。 本文在简单回顾了反射波法隧道、井巷地震超前预报的地球物理学基本理 论和工作原理的基础上，详细讨论了观测系统的设计，较全面地推导、总结了反 射波法隧道、井巷地震超前预报法时距曲线的规律，同时研制开发了一套适用于 隧道、井巷地震超前探测数据处理系统( 月z 蜊口) ，并详细介绍了各功能模块原 理。另外，对下列问题进行了重点研究：在提取有效反射波模块中，研究了，一彪 和f p 联合滤波技术，取得了良好的效果；在转换波分离模块中，采用f p 变 换三分量联合滤波；在正演模块中借助井中地震合成记录技术，采用两点射线追 踪方法模拟二维不同地质模型合成地震记录；成像模块依据绕射叠加原理和镜像 原理，实现直接从时间域到空间域的成像，从理论模型和实际资料处理的结果来 看，取得了良好的效果；针对多波勘探数掘处理，在已取得速度分析结果的前提 下，计算出多种动力学参数，丰富了解释内容，保证了多角度、多层次、高精度 长安大学硕士学位论文 进行隧道、井巷地震超前预报。 关键词：反射波法，隧道与井巷，地震超前预报，数据处理系统 n 反射波法隧道、井巷地震超前预报研究 s t u d yo nr e f l e c t e d w a v et u n n e ls e i s m i c p r e d i c t i o n a b s t r a c t s i n c et h eg e o l o g yc i r c u m s t a n c ei nf r o n to ft h ed i g g i n gf a c ei s u n k n o w n ，t h e r ew i l le x i s tm o r el a t e n ta n du n f o r e s e e ng e o l o g yf a c t o r s s o 。 i to f t e nc a u s e sa 1 1k i n d so fg e o l o g yd a n g e r ，w h i c hw i l li n f l u e n c e s e r l o u s l yt h ep r o g r e s so fc o n s t r u c t i o nd e g r e e ， e v e nb r i n gt h eg e 0 1 0 9 i c a l d i s a s t e r s ，r e s u l t i n gi ns e r i o u sp e r s o n n e l sd e a do ri n j u r e da n d1 0 s i n g w i t ht h et r e m e n d o u se c o n o y g e o p h y s i c i s t sa n de n g i n e e r sa 1 1o v e rt h e w o r l d | i a v eb e e np a y i n gf o r 删c ha r d u o u se f f o r t s ，a n dh a v eb e e nh o p i n gt o l o o kf o ras i m p l ea n dv a l i dw a yt op r e d e t e c tt h eg e 0 1 0 9 yc i r c u m s t a n c e i nf r o n to ft h ed i g g i n gf a c et or e d u c eo rl o w e rt h e1 0 s s af 鲫t e c h n i q u e sh a v eb e e nf o u n dt ob ep r a c t i c a li nr e c e n ty e a r s ， r e f l e c t e d w a v et u n n e ls e i s m i cp r e d i c t i o n ( 1 7 ：5 p 触动o ，芒) i san e w l y d e v e l o p e ds a m p l ea n de f f e c t i v eo n e ，w h i c hisu s e dt op r e d i c tt h eu n k n o w n g e o l o g yc i r c u m s t a n c ei nf o n to fd i g g i n gf a c ef o rt r a n s p o r t a t i o nt u n n e l ， c o a lo rm i n e r a lw e l l 一1 a n e ，w a t e re l e c t r i c i t yt u n n e l h o l ea n du n d e r g r o u n d e n g i n e e r i n ge t c b yt h i st e c h n i q u e ， w ec a nt a k et h eb e s tt om e a s u r et h e g e o l o g yd i s a s t e ri na d v a n c e ， a n dd e c r e a s et h el o s sa sf e wa sp o s s i b l e b e c a u s et h ew o r ke n v i r o 砌岭n ti nt h et u n n e lo rw e l l 一l a n ei st h ew h o l e s p a c e ，c o m p l e x i t yo ft h es e i s m i c w a v e si n c r e a s e sn a t u r a l l y a n dt h i sh a s b r o u g h tav e r yb i gd i f f i c u l t yf o rt h ea c t u a lg e 0 1 0 9 yp r e d i c t i o nw o r k t h e r e f o r e ， i no r d e rt op r e d i c tt h eg e 0 1 0 9 yc i r cu i i l s t a n c ea c c u r a t e l yi n f r o n to ft h ed i g g i n gf a c e ， t h ep r e m i s ea n df o u n d a t i o ni st od e s i g na r e a s o n a b l ea n de f f e c t i v eg e o m e t r ys y s t e m a tt h es 锄et i m e ， t h e m e t h o d s a n dt e c h n i q u e so fd a t ap r o c e s s i n gi sv e r yi m p o r t a n t ，w h i c hi sa l s ot h e p r e m i s eo ft h ea c c u r a c yt og e 0 1 0 9 yp r e d i c t i o n i na d d i t i o nt ot h en o r 衄1 p r o c e s s i n gs t e p s ，t h ev a l i ds i g n a ls e p a r a t i o na n dt h ed e p t hm i g r a t i o na r e t w ok e yt e c h n i q u e sf o r 卿d a t ap r o c e s s i n g ，w h i c ha f f e c tt h er e l i a b i l i t y i i i 长安大学硕士学位论文 a n da c c u r a t ed e g r e ed i r e c t l yi nt h et u n n e lo rw e l l 一1 a n eg e o l o g y p r e d i c t i o n t h i sp a p e rr e v i d w e dt h eb a s i cg e o p h y s i c 8 1t h e o r i e sa n dw o r k p r i n c i p l eo f 月7 ：5 ：ps i j n p l y ， d i s c u s s e dt h em e t h o d so ft h eg e 鲫e t r ys y s t e m d e s i g ni nd e t a i l ， a n ds u m m a r i z e dt h et i m ed i s t a n c ec u r v er e g u l a t i o no f 月7 ：5 pi ng e n e r a l a tt h es a l et i m e ，t h ea u t h o rd e s i g n e do n es e i s m i cd a t a p r o c e s s i n gs y s t e m ( 月7 ：5 ) 吖功，a n di n t r o d u c e dt h ef u n c t i o no fe a c hm o d u l ei n d e t a i l m o r e o v e r ， i nt h es e p a r a t i n gv a l i d l yr e f l e c t e d 。w a v em o d u l e ，t h e a u t h o rs t u d yo nt h et e c h n i q u eo f ，一ka n df 一，t e a 哪o r kf i l t e r ，a n d o b t a i n e dag o o dr e s u l t i nt h ec o n v e r tw a v es e p a r a t i n gm o d u l e ，t h ea u t h o r a d o p t e dt of pt r a n s f o r m a t i o na n dt h r e ec o m p o n e n t t e a 唧o r kf i l t e r ： w i t ht h eh e l po fs e i s m i cr e c o r ds y n t h e s i 互i n gt e c h n i q u ei n ：负弓t h ea u t h o r a d o p t e dt ot w op o i n t sr a yt r a c i n gm o d e l ss y n t h e s i z e dt h es e i s m i cr e c o r d i n g f o rd i f f e r e n tg e o l o g yi n2 ds p a c e a c c o r d i n gt ot h ed i f f r a c t i o ns t a c k i n g p r i n c i p l ea n dm i r r o r i i a g ep r i n c i p l e ， t h em o d u l eh a sb e e ni 眦g e df r 伽 t h et i m ed o m a i nt ot h es p a c ed o m a i n a n df r o mt h er e s u l t so ft h e o r i e sm o d e l a n da c t u a ld a t ap r o c e s s i n g ，w eh a v eo b t a i n e db e t t e rr e s u l t s a i m i n ga t m u l t i 唧a v ee x p l o r a t i o nd a t ap r o c e s s i n g ， w ec a nc o m p u t ev a 】? i o u sp h y s i c s d y n a l l l i c a lp a r 锄e t e r su n d e rt h ec o n d i t i o nt h a tt h ev e l o c i t yh a sb e e n o b t a i n e d t h i sn o to n l ye n r i c ht h ei n t e r p r e t a t i o nc o n t e n d ，b u ta l s oe n s u r e t oc a r r yo u tt h et u n n e lo rw e l l 一1 a n es e i s m i cp r e d i c t i o n 霄i t hh i g h p r e c i s i o nf r d i f f e r e n ta n g l e sa n d 阳n ya s p e c t s k e yw o r d s ：r e f l e c t i o nm e t h o d ：t u n n e la n dw e l l l a n e ：s e i s m i cp r e d i c t i o n d a t ap r o c e s s i n gs y s t e m i v 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：旋易罹沙矿红6 月奠日 i 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作一：渺乌睢立刀辟占月。日 导师签名 ，移5 年毛旯日 反射波法隧道、井巷地震超前预报研究 第一章前言 1 1 立题意义 随着国家经济的快速增长，导致对能源( 包括一次性能源) 需求的曰益加 大，能源的紧缺，促使煤田、矿山在提高采收率的前提下，也转向低利润、地质 条件复杂的区域开采，甚至回采；另外，为从根本上改变我国西部地区较为贫穷 落后的局面，国家作出西部大开发的决策，而在西部大开发战略的实施中，以水 电、公路交通为中心的基础设施建设被确定为优先发展领域，大量工程投资实施。 然而，在我国西部，山高谷深，地质构造复杂，小区域地质环境突出，工 程地质环境十分恶劣。随着西部大开发战略的推进和南水北调工程的启动，西部 基础设施建设力度和规模越来越大，水渠引水隧洞，埋深长大，隧道工程数量越 来越多，施工难度增大，质量要求越来越严，客观上为地质灾害的引发提供了环 境；另外，各大城市正在新建的地铁及大量的地下工程、矿山开采，尤其是煤田， 采掘中瓦斯、突泥、涌水、断层、软弱夹层构造等带来的地质灾害更是不容忽视。 为了保证隧道、井巷安全和高效施工，减少经济损失，唯一的手段就是准确地提 前了解掌子面前方不良地质情况。通过隧道、井巷地质超前预报，能够及时、全 面、准确地了解掌子面前方的工程地质和水文地质情况，从而合理地安排掘进计 划、修正施工方案、采取防护措施，有效控制地质灾害的发生，确保支撑隧道的 岩石牢固可靠和施工质量，改善工地安全，进而赢得施工时间，降低成本，提高 隧道、井巷掘进的进度，将风险降低到最小。 解决隧道、井巷工程施工的地质超前探测和预报问题的关键是高效快捷的 探测速度和大距离条件下的高分辨率和高准确探测。然而，由于隧道、井巷内可 供观测的空间位置有限，观测方案受到限制，要准确达到预报的要求难度很大。 多年来，国内外地球物理学家和工程技术人员在不断改进探测技术和分析方法的 基础上，试图提高预报的可靠性和精度，己经取得了很多成功的经验和技术方法。 主要有地质描述法、7 耐法、7 驴法、地震负视速度法、水平钻探法、探地雷达、 陆地声纳法、红外探测法、水平声剖面法、真反射层析成像法( 删等。但也暴 露出不少问题，最主要的问题是不良地质条件的判读缺乏明确的指标，更多的依 赖于经验；其次是不良地质对象的定位精确度不高，特别是对于与隧道、井巷走 向近乎平行的断裂带、饱水带等：第三是对于预报岩体工程类别的变化方面还缺 长安大学硕士学位论文 乏可靠的依据。这些问题和缺陷主要是由于观测条件的限制、观测方式过于简单 和分析处理方法比较粗糙等造成的。因此，目前的技术水平在数据采集技术，预 报准确性、可靠性及分辨率方面还有待提高。 反射波法隧道、井巷地震超前探测技术( 删是近年发展起来的一种较 简单且行之有效的预测掘进面前方地质情况的地球物理勘探新技术，是发展速度 较快、前景看好的方法，目前还在不断提高、不断完善中国外的软硬件相对比 较成熟，国内尚在引进、消化、开发、试用中。因此，针对肜：驴开展自主研发， 具有重要的现实意义。 1 2 反射波法隧道、井巷地震超前预报概述 ( 1 ) 方法原理概述 反射波法隧道、井巷地震超前探测技术( 即胎髓e c f e d 一胎怕死肋“ 骀妇耐c 胁以c “伽动朗以国外称7 卧阍陋卜嘲，也称“隧道路少，国内称“地 震负视速度法川卿嘲) ，是一种测试面与被探测面互为垂直的观测系统。它利用 地震波在不均匀地层中产生的反射波特征( 回声测量原理) ，来预报隧道施工掘 进面前方及周围f f 盎近区域的地质情况。本方法在掌子面后方侧壁、底板或以巷道 中轴线为任意角度的一定范围内布置爆破点和接收点( 根据解决的地质情况具体 设计) ，进行微弱爆破，爆破产生的地震波信号以球面波的形式在隧道、井巷周 围岩体内传播，当岩性发生变化时，信号的一部分就会被反射回来被检波器接收 到，其工作原理详见图卜1 通过对接收信号的运动学和动力学特征进行分析， 便可推断断层、岩石破碎带、岩性分界面等不良地质体的空间位置、规模、产状 v p v p 图卜1 尼7 驴技术原理示意图 2 反射波法隧道、井巷地震超前预报研究 及岩石弹性参数，辅助隧道、井巷工程施工。 ( 2 ) 国外发展现状 隧道、井巷地质超前预报由来已久，在国外，如英、法、意、日、德等国 家均将此列为隧道、井巷工程建设的重要研究内容。御属反射波法隧道、井巷 地震超前预报方法的一种，是瑞士胧叼测量技术公司于2 0 世纪9 0 年代初期 研制开发的一套隧道、井巷地震超前预报系统设备，该系统采用地震波反射原理， 三分量方式采集数据，能长距离地预报隧道、井巷施工前方的地质变化，如断层、 破碎带和其它不良地质带，其准确预报范围根据地质条件的优良不定，它的适用 范围广，既可用于极软岩，也可用于极硬岩，预报距离长，大部分的文献报道为 掌子面前方1 0 0 2 0 0 m n 町“”嘲，也有大胆预报的文献说为掌子面前方3 0 0 一 5 0 0 m 嘲嘲，围岩越硬、越完整预报长度就越长；就最高分辨率而言，有的文献报 道为o 5 m ，有的文献报道为1 0 m b 3 1 嘲嘲；对隧道、井巷施工干扰小，可以在 隧道施工间隙进行，即使专门安排，也不过一小时左右，它的接收器和炮眼不是 在掌子面上，而是在工作面附近的侧壁上，打接收器孔和炮眼时不影响正常的隧 道掘进，只是在接收信号时为减少噪音干扰暂停施工；提交资料及时，现场采集 数据的第二天即可提交正式成果报告与其他隧道、井巷地质超前预报技术相比 较，御主要用于做长距离地质超前预报，具有适用范围广、对施工干扰小、提 交资料及时、预报费用相对低廉等优点，预报距离为地质雷达的4 一1 2 倍，预报 精度为浅层地震仪的5 倍，预报费用仅为水平钻探的1 1 0 1 2 0 啪】。 7 驴的观测系统与国内的“地震负视速度法”原理基本相同，根据互换原 理可相互对换；俗p 方法与国内的“地震负视速度法”的主要区别是在资料处理 方法上，7 铲不采用走时曲线分析方法，而是采用深度偏移成像方法，记录剖面 经深度偏移直接从时间域转换到空间域，对地质解释直观形象；另外，在偏移成 像之前进行二维线性忍面n 变换，利用视速度的差异把地震信号从全空间转换到 半空间，从而提取掌子面前方有效反射信号，实现波场分离，该方法对纵、横波 ( 尸s n 繇分别进行处理，应该说御技术在隧道、井巷反射地震方面是做得 比较好的，在地质解释时，具有较好的直观性和形象性：另外，软件编程除了考 虑与p 抽面孵视窗的兼容性之外，还特别强调了软件的智能化和评估结果输出的 灵活性。可以说它是目前世界上在隧道、井巷地质超前预报这一领域最先进的科 长安大学硕士学位论文 技成果之一。 ( 3 ) 国内发展现状 国内隧道、井巷地质超前预报研究始于2 0 世纪5 0 年代末，真正应用于隧 道工程建设是7 0 年代，以谷德振洲教授的研究( 地质描述法) 为序。随着公路、 铁路、水利、矿山、地下工程及其它工程建设的飞速发展，伴随我国特殊的地理、 地质环境条件，隧道、隧洞、井巷大量涌现，为提高隧道、井巷施工质量和速度， 减少人民生命财产的损失，我国地球物理工作者在借鉴外国先进方法技术的同 时，也探索出一些有我们国家自己特色的隧道、井巷地质超前预报方法技术，就 反射波法隧道、井巷地质超前预报而言，曾兆璜、何振起、白恒恒伽嘲在这方 面做的贡献比较突出早在1 9 9 1 年铁道部第一勘察设计院的曾兆璜哪! 就已提出 类似于7 驴技术的方法，并且比较深入研究了该技术的支撑理论，当时称“地震 负视速度法”，他认为：当反射面与测线直立正交时，所接收到的反射波与直达 波在地震记录上成负视速度，其延长线与直达波延长线的交点即为反射面的空间 位置，其主要思想是借用目前比较成熟的垂直地震剖面( 瓯p ) 方法理论来指导 隧道、井巷地质超前预报。后来何振起( 2 0 0 0 年) 、白恒恒洲渊等人又完善了这 套方法技术理论，并应用于山西长梁山隧道和福州飞鸾岭隧道，取得了预期的效 果和效益。 国内首次引进瑞士嬲p 技术是1 9 9 6 年，该技术也得到国内工程技术人员广 泛认同，并成功地应用于秦岭铁路隧道、株六铁路复线、渝怀铁路部分隧道工程、 青海公伯峡水电站导流洞、云南元磨高速公路、兰武二线、山西雁门关公路隧道、 晓南煤矿等几十个工程中嘲棚1 ，目前这套技术还正处于引进和消化阶段，石家 庄铁道学院的李忠、刘志刚、刘秀锋硼1 等人是这一领域的主要代表，2 0 0 2 、 2 0 0 3 年，他们从地质构造学理论，爆破地震学理论出发，就如何增加7 即超前 预报系统的探测距离进行了初步的探讨，他们认为，若能根据现场具体地质情况 来确定传感器最佳安装位置、选择合适的采样参数以及探测炸药种类和用量，则 探测距离可有效提高；他们还对如何利用卿超前探测系统搜索角问题进行了探 讨，指出当以一个较符合实际地质情况的搜索角去处理地震记录，不但会大大增 加信息量，而且对构造体的预测精度也会大大提高；他们应用概率论数学方法， 在新倮纳隧道地质超前预报中也取得了一定效果。在合理选择参数能提高探测长 4 反射波法隧道、井巷地震超前预报研究 度和精度这一观点，齐传生和张景生m 3 也认同。 ( 4 ) 现有技术缺陷分析 地震负视速度法隧道、井巷超前预报技术，虽然是在比较成熟的垂直地震 剖面方法技术上发展起来的，在数据处理上采用走时蓝线分析方法，但在隧道、 井巷这一高精度、高分辨率、高标准技术要求下，其数据处理方法仍比较粗糙、 效果不十分理想，并且没有研制出专门的配套软件，局限性和缺点是不言而喻的。 首先是分辨率太低，精度远远达不到目前隧道、井巷地质预报的技术要求和标准； 其二是与隧道、井巷中轴线有一定角度的地质构造，数据处理时反应不够灵敏； 其三是地质解释不够直观、形象。 虽然掩p 相对其它隧道、井巷超前探测技术具有技术先进、功能强大、预 报距离长、精确度高、地质解释直观和形象等优点，但它也存在不少缺陷：其一 1 ，是设备售价偏高( 1 7 1 8 万美元台) ，加上聊探测的最大耗材中的传感 器套管，目前售价也不菲( 3 0 0 3 5 0 美元支) ，而且每采一个排列数据的耗用 近1 5 万元人民币，耗材费用偏高：其二，固化的一炮一收观测系统及一些参数， 使野外施工不灵活，工作效率极低；其三，数据处理软件封闭，没有功能扩展接 口，而且有的功能模块不够理想，所有处理数据集合到一个文件内，使数据文件 、庞大，带来的弊端是影响了软件处理速度等一系列问题，另外格式不能转换，也 就不方便取出数据用其它更优秀的软件模块配合处理数据；其四m “，不能准确 预报地下暗河、岩溶淤泥带等强富水带，不能解决地下水探测问题，特别是不能 解决“点式”强富水带的探测问题，有些人认为7 舻探测解决不了围岩的破碎情 况等。由于御的观测方式的限制，不可能对断层的产状、位置和岩体波速等参 量同时给出准确的结果，特别是对于与隧道走向近乎平行的断裂带、饱水带。 基于以上缺陷分析，地震负视速度法和御技术在诸多方面都有待改进， 尤其是在造价、施工灵活性及预报精度、岩体类别划分和数据处理的可靠性、灵 活性等方面还有待改进或提高。因此，2 0 0 4 年科技部立项，由中国煤炭科学研 究总院西安分院主持，长安大学协作参与，研制开发一套集硬件和软件为一体的 具有自主知识产权的反射波法隧道、井巷地震超前预报系统( 删们，到目前 为止，已取得了一定的成果，正在进一步试验和完善中。 1 3 本文研究思路 长安大学硕士学位论文 第一章简单回顾反射波法隧道、井巷的方法原理，国内外发展现状，分析 了现有技术的优点和存在的缺陷，同时提出本文的研究计划和思路。 第二章简单分析地震勘探的地球物理条件和地震波波场基础。 第三章详细剖析胛即的观测系统，较深入地讨论观测系统设计的有效性、 合理性及实用性。与此同时，提出隧道、并巷横波超前探测观测系统的设计思想； 对于复杂构造体，一条测线难以控制的情况下，提出同一观测面、甚至不同观测 面，多测线施工的思想和纵横波联合勘探的思想。 第四章详细推导月蕊p 的时距曲线，较全面的总结时距曲线规律，发展了反 射波法隧道、井巷地震超前探测技术的基础理论。同时，依据实践经验，给出部 分硬件要求和数据采集参数。 与此同时，开发了一套尼蕊p 数据处理系统，第五章详细介绍各模块的原理 和功能，对于个别模块给出理论模型验证，并提出理数据处理的合理流程，试处 理一套实际数据，分析处理效果。 一 第六章对本文作小结，归纳本文的创新点和存在的缺陷，并提出进一步工 作目标和改进方向。 6 反射波法隧道、井巷地震超前预报研究 第二章地球物理条件和波场基础 月卿技术，利用地震反射波超前预报隧道、井巷掘进面前方不明地质体， 其地球物理前提( 条件) 是介质的弹性差异和地震波( 弹性波) 的传播。隧道、 井巷环境下，尤其是存在地质灾害时，介质的弹性差异( 速度和密度差异) 是客 观存在的，这就为地震波的传播，尤其是掘进面前方不良地质体的反射地震波传 播提供了良好的物理条件和波场基础。由于实际地层并非一种理想的完全弹性介 质，地震波在传播过程中部分能量被吸收、耗散，其明显特征是高频成分随距离 的增加而衰减。引起地震波振幅变化的因素也较多，主要包括：波前球面扩散、 大地吸收、透射损失、散射和震源一接收器的方向性等等，地震波的这些传播特 征为我们进行隧道、井巷地质超前探测带来了不利因素，使接收到的波场复杂化， 这就为数据处理增加了难度。另一方面，由于地震波是以矢量形式在地下传播的， 可以采用三分量接收方式，能接收到多种类型的波动( 纵波、转换横波等) ，这 为研究地震波的动力学特征及地下介质弹性参数提供了新的信息和手段。地震波 的类型、影响地震波传播的主要因素可归纳如下： ” 2 1 地震波类型 由于岩石质点之间存在弹性联系，当某个质点产生振动时，必然会引起周 围相邻质点的振动，相邻质点的振动又引起更远一些质点的振动，这样弹性振动 就在岩层中由近及远传播开去，形成地震波。根据地震波动理论，地震波的运动 有很多种类型( 见图2 一1 ) 。胛即技术属反射地震勘探方法，是借助反射波解决 地质问题，反射波分为纵波( 尸波) 和横波( 占波) ，而横波包括s 矿波和j 5 踟皮， 遗射横渡 图2 l 地震波波场类型 7 反射界面 长安大学硕士学位论文 质点伸撮方向 三习 j 虱 - - - - - - 射线方向 ( a ) 拿质点帕振方向夯 毫了 赠。 彰彰 - - - - - - - 卜射线方向 ( b ) ， 圈2 - 2 纵，横波运动特征 ( a ) 纵波( p 波，运动特征( b ) 横波岱波耀动特征 它们的运动特征详见图2 2 介质中各质点的振动方向和波的传播方向是可以不同的，是两个完全不同 的概念。介质中各质点的振动方向和波的传播方向相同的波为纵波( 图2 2 一a ) ； 介质中各质点的振动方向和波的传播方向相垂直的波为横波，横波又可以分为两 种：质点振动和射线都在通过测线的沿垂直平面内垂直振动的称垂直偏振横波 ( s 矿波) ，质点在垂直于上述平面内水平振动的称为水平偏振横波( 掰波) ( 图 2 2 _ b ) 。 平面波在弹性固体分界面上，当入射波为尸波或s 矿波时，既可产生同类的 反射波和透射波，也可转换产生不同类型的反射波和透射波：当入射波为j 5 波 时，只产生同类的反射波和透射波。隧道、井巷中的特殊工作环境为激发耐波 提供了较好的条件，针对单分量采集数据，这一性质会使数据处理非常简单、省 事；由于横波与所通过介质的作用有别于纵波，这样，横波资料作为纵波资料的 补充，可以对岩性作出比较可靠的补充解释。因此，隧道、井巷中进行尸波与 s 矿波和鲋波联合勘探潜力非常大。 2 2 波阻抗与振幅 当地震波入射到两种介质分界面时，通常会分成两部分，一部分回到第一 种介质中，就是所谓的反射波；另一部分透射入第二种介质中，叫透射波，地震 波波场旅行关系见图2 3 - b 。设有两种介质的分界面，用n 和j d i 代表第一种介质 和第二种介质的密度，用巧和吒分别代表波在两种介质中的传播速度，把密度和 速度的乘积叫做波阻抗，也就是说，第一种介质的波阻抗是z l = 一巧，第二种介 质的波阻抗是z 2 = 岛匕，只有在z 1 z 。的条件下，地震波才会发生反射，z l 和z 2 的差别越大，反射波能量越强。地震反射波的振幅与反射界面的反射系数有关， 8 反射波法隧道、井巷地震超前预报研究 ( a )( b ) 图2 - 3 波场振幅、波阻抗关系示意图 ( a ) 振幅能量分配示意图( b ) 入射、反射和透射之间的关系 表2 1 部分介质的速度和密度 当入射波振幅一定时，反射波振幅与反射系数成正比，而反射系数与反射界面两 侧的密度和速度的乘积( 波阻抗) 和入射角度有关。地层的速度和密度不仅与地 震波的振幅有关，而且相邻地层的波阻抗差直接影响反射系数值的大小和极性： 在同一地层中，它们的变化也直接反映了地下岩性的变化。 设入射波为尸波，在反射界面上产生反射p 波和透射尸波，若分界面上、 下介质的速度和密度乘积分别为k n 和k 岛，则法线入射时的反射系数厅为( 非 9 长安大学硕士学位论文t 。 法线入射时服从佐布里兹方程) ： 五= 筹貉 t ， 从式( 2 一1 ) 可看出，反射地震波的能量强弱直接受岩石的速度和密度影响， 如图2 4 中的实例，反射系数为一o 1 3 ，即反射波能量只有1 3 ，而透射波的能 量为8 7 ( 不考虑粘弹介质波能量的损耗) ，由此可看出，反射波能量与入射波 能量相比是非常微弱的。表2 1 列出了部分介质的速度和密度信息，仅作参考。 界面 图2 - 4 岩石变化对波阻能量的影响 苫 0 o r lr 2 ( a ) = l 8 ，一2 6 | ，c 一 。lj 。- ，i y obt “ t i m e m s ( b ) 图2 5 岩石变化对信号的影响 1 0 反射波法隧道、井巷地震超前预报研究 另外，反射系数也决定了地震波的极性，当地震波穿过不同反射系数的地层时， 其振幅极性要发生改变，反射系数为正，其极性为正，表明为相对较硬岩层：反 之，其极性则为负，表明为相对较软岩层( 实例见图2 5 ) 。 若记入射波振幅为4 ，则反射波振幅一r p 和透射波振幅4 ，分别为： 4 ”= 4 r ( 2 2 ) 爿厅= 一p ( 1 一r ) = 4 p r ( 2 3 ) 其中r = 1 一r 为透射系数。 2 3 波前几何扩散 均匀各向同性理想弹性介质中波动方程式为： 户窘川圳v 口+ 胂+ 矽 ( 2 - 4 ) 式中，i 表示介质质点受外力尹作用后的位移，五、是介质的弹性参数( 拉梅 常数) ，口为介质密度，口= v - i ，v 为梯度算子，v 为散度算子，v 2 为拉普拉斯 算子。 经变换后，可将上式分解为纵波( 与外力的胀缩有关) 和横波( 与外力旋 转有关) 波动方程，分别为： 害一咿脚亏 ( 2 棚 窘一曙v 2 m ；v 户 ( 2 _ 6 ) 式中，= v i ，v 为旋度算子；巧，圪分别为纵波、横波速度；曙= 五+ 2 ，p ， y ；= 牲| p 在胀缩点源作用下，仅产生纵波，其位移为： 一去如卅寿毒 ( 2 1 ) 式中仍( ，) 为震源强度，二为径向单位向量，为点震源源到观测点的距离。 由上式可知，对于近场源( 即观测点靠近震源r “1 ) 位移，其质点位移与r ： 成反比。对于远场( ， 1 ) ，第一项可以忽略，位移与，成反比，即随着传播时 间推移，地震波能量以球面向外成几何扩散的形式传播，即随时间推移，波长变 长安大学硕士学位论文 长，振幅变弱( 图2 6 ) 。这种波前几何扩散对地震波振幅的影响较大，几乎是 其它因素的总和，此时波前扩散对振幅衰减影响可简化用如下函数表示( 球面波 的能量密度与传播距离的平方成反比) ： d ：三：土 ( 2 - 8 ) rw 式中，d 为球面扩散引起的振幅衰减量，为波前传播的距离( 球面半径) ，矿 为波前传播的平均速度，为波前旅行时。 一 由上式可知，地震波波前几何扩散振幅以咖形式衰减 ，= 振幅 二娥妒 图2 - 6 地震波波前球面几何扩散 2 4 吸收 由于地下介质的非完全弹性和不均匀性，当地震波通过地下介质传播时， 由于摩擦产生热，出现波的吸收现象( 图2 7 ) 。前人研究表明，地震波的振幅彳 随传播距离，的增加成指数规律衰减，高频部分比低频部分衰减的要快得多，即： 爿= 4 p + “ 或 4 = 4 p 一神7 0 ( 2 9 ) 式中，4 为初始振幅，岱为吸收系数，q 为品质因子，f 为旅行时，为频率。 一t 振幅 二职妒t ：tl 周期 图2 7 地震波吸收 反射波法隧道、井巷地震超前预报研究 第三章观测系统优化设计 胛驴所分辨的地质体性质完全体现在反射波信号中，但斤聊波场非常之复 杂，它不但包含掌子面前方的反射波，还包含有直达波、掌子面后方和侧壁的反 射波，以及其它噪声等不同性质的信号，其原因是由隧道、井巷特殊的工作环境 ( 全空间) 决定了其地震信号的复杂性和特殊性。因此，要想准确预报隧道、井 巷前方的地质构造情况及岩体特征，就必须设计出一套特殊的观测系统，使其所 采集的数据能突出有效反射信号，或者能把有效反射信号从混有其它干扰信号的 波场中容易地分离出来，即把全空间波场非常容易地转化到半空间波场( 掌子面 前方半空间) 来研究，从而有效突出研究对象，而且使其尽可能兼顾有数据采集 的方便、高效，甚至节能、省力等功效。因此，胛驴观测的优化设计非常重要， 它是保证隧道、井巷有效超前探测的前提和基础。 从表面看，就隧道、井巷工作环境而言，胛即观测系统可以有如下4 种布 设方式： ( 1 ) 炮点置于掌子面远端，一炮多收系统( 图3 1 ) 。 。 ( 2 ) 检波点置于掌子面远端，炮一收系统( 图3 2 ) 。 ( 3 ) 炮点置于掌子面近端，一炮多收系统( 图3 4 ) 。 ( 4 ) 检波点置于掌子面近端，一炮一收系统( 图3 5 ) 。 我们都知道，尼隅p 属反射地震勘探方法。但月聊波场是全空间球面波，仪 器所采集到的信号比较复杂，也较丰富。我们的目的是要超前探测掌子面前方的 地质体构造及岩性特征，其信息主要包含在反射波里面，现在的问题就是如何设 计出种观测系统能非常有效的把容有掌子面前方的反射信号体现出来，或使掌 子面前方的反射信号非常容易的从其它干扰信号中分离出来。下面我们假设掌子 面前、后方及隧道、井巷侧壁各有一个构造体，且假设震源和检波点到构造体这 段地质体是均匀各向同性的，分析各种可能排列的观测系统中各种类型地震波的 时距关系。 3 1 炮点置于掌子面远端，一炮多收系统 此观测系统排列方式见图3 - 1 。取震源为原点，掌子面方向为波传播正方向。 ( 1 ) 直达波 由图3 1 可知，从近炮检波点到远炮检波点，各道地震记录直达波到达的 长安大学硕士学位论文 旅行时是随坐标值增大而递增的，其视速度为正值，见图3 3 中的直线。 ( 2 ) 掌子面前方反射波 ， 各检波器都接收到掌子面前方反射点彳附近区域的反射信息从图3 1 可 看出，从震源到反射点爿，入射波传播的距离对所有检波器来说都是基本相等的， 即所花时间基本相等；而从反射点彳到各检波点，地震波传播的距离是随坐标值 的增加而减小，所花时间在减小，因此，从近炮检波点到远炮检波点，掌子面前 方反射波的旅行时是随坐标值增加而递减的，其视速度为负值，见图3 3 中的曲 线。 ( 3 ) 隧道、井巷侧壁反射波 各检波器都接收到反射点占附近区域的反射信息。从图3 一l 可知，波场几 何关系与常规地面反射地震勘探的水平构造体反射时距关系相同，其时距曲线是 双曲线，且从近炮检波点到远炮检波点，隧道侧壁的反射波的旅行时是随坐标值 增加而递增的，其视速度为正值，见图3 3 中的曲线。 “) 掌子面后方反射波 。 各检波器都接收到掌子面后方反射点f 附近区域的反射信息。从图3 一l 可 看出，从震源到反射点g 入射波传播的距离对所有检波器来说都是基本相等的， 所花时间基本相等；而从f 点到各检波点的距离随坐标值的增加而增加，所花时 圈3 1 炮点置于掌子面远端，一炮多收系统 图3 _ 2 检波点置于掌子面远端，一炮一收系统 1 4 图3 3 第一、= 类观测系统主要 波动时距曲线 加 加 如 如 ” 加 如 反射波法隧道、井巷地震超前预报研究 间在增大，因此，从近炮检波点到远炮检波点，掌子面后方反射波的旅行时间是 随坐标值增加而递增的，其视速度为正值，见图3 3 中的曲线。 3 2 检波点置于掌子面远端，一炮一收系统 根据互换原理，图3 2 所示观测系统的时距关系与图3 1 相同。 此观测系统见图3 2 。取接收点为原点，掌子面方向为波传播正方向。 ( 1 ) 直达波 从近炮点到远炮点，各地震记录道直达波到达的旅行时是随坐标值增加而 递增的，其视速度为正值，见图3 3 中的直线。 ( 2 ) 掌子面前方反射波 从接收点到掌子面前方反射点彳附近区域，反射波的传播距离对所有震源 来说都是基本相等的，所花时间基本相等；而从各震源到反射点彳的距离随坐标 值的增加而减小，所花时间在减少，因此，从近炮点到远炮点所接收到的记录道 的旅行时是随坐标值增加而递减的，其视速度为负值，见图3 3 中的曲线。 ( 3 ) 隧道、井巷侧壁反射波 一 波场几何关系与常规地面反射地震勘探的水平构造体反射时距关系相同， 其时距曲线是双曲线，且从近炮点到远炮点，隧道侧壁反射波的旅行时间是随坐 标值增加而递增的，其视速度为正值，见图3 3 中的曲线。 ( 4 ) 掌子面后方反射波 从掌子面后方反射点f 附近区域到接收点，反射波传播距离对所有震源来 说都是记基本相等的，所花时间基本相等；而各震源点到反射点f 的距离随坐标 值的增加而增加，所花时间在增大，因此，从近炮点到远炮点所接收到的地震记 录的旅行时间是随坐标值增加而递增的，其视速度为正值，见图3 3 中的曲线。 3 3 炮点置于掌子面近端，一炮多收系统 此观测系统见图3 4 。取掌子面最远端检波点为原点，掌子面方向为波传播 正方向。 ( 1 ) 直达波 从掌子面远端检波点到近端检波点到震源的距离是递减的，各道地震记录 直达波到达的旅行时间是随坐标值增加而递减的，其视速度为负值，见图3 6 中 的直线。 长安大学硕士学位论文 ( 2 ) 掌子面前方反射波 从震源到掌子面前方反射