TSP 隧道地质超前预报系统

2.1 仪器设备

  TSP 隧道地质超前预报系统，传感器为三分量传感器，如图2-1所示。

图2-1  HZTSP地质超前探测系统

HZTSP地质超前探测系统主要特点如下：

(1)双采集模式，可同时接入速度型传感器和MEMS加速度传感器的信号采集，兼顾深部与浅部地震信号。

(2)采样频率高，zui高可至1.25MHz，满足超浅层地震信号采集。

(3)MEMS传感器频响范围广，解决传统速度型传感器高频信号响应差的问题。

(4)探测精度高，24bit高速AD及前置2-4～27倍程控增益，可以有效获取地震波场弱信号，浅层精细探测能力尤为突出。

(5)软件功能完备，配置兼具数据采集与处理的专业系统软件，可实现数据的采集、显示、、对比、处理成像及判别分析，具有一键成图与在线分析功能。

(6)智能化Android系统平台、高清彩色触摸屏，人机交互便捷。

2.2 探测原理

隧道地震波超前探测(TSP-Tunnel Seismic Prediction)，是利用反射波勘探原理，在巷道掘进工作面处的震源点用锤击或小药量爆炸激发产生地震波。地震波在岩煤层中以球面波形式传播，当遇到岩石物性界面（即波阻抗明显差异界面，如断层、采空区、岩石破碎带和岩性变化等）时，一部分地震信号反射回来，一部分信号透射进入前方介质，反射回来的地震信号被高灵敏度的地震检波器接收。按弹性波理论，在波组抗存在差异的不同界面反射信号将发生相位的变化，而且反射信号的传播时间和反射界面的距离成正比，因此能对巷道前方地质界面进行测量与评价。

具体来说，由爆炸激发的地震波信号分别沿不同的路径以直达波和反射波的形式到达检波器，与直达波相比反射波需要的传播时间较长。根据从震源直接到达检波器的纵波传播时间换算出地震波的传播速度Vp，其中

这里X1—激发孔与接收检波器的距离（m），TD—直达纵波的传播时间（s）。

若已知地震波的传播速度，在反射界面与巷道夹角较大情况下可以直接计算反射界面离掘进工作面的距离。具体计算公式如下：

则                      

其中，TR1—界面反射波的传播时间（s），X2—激发孔与反射界面的距离（m），X3—检波器与反射界面的距离（m）。图2-2为巷道MSP法超前探测简单布置及波路示意图。

图2-2  TSP原理图

对于井巷内反射地震波探测数据处理，除采用负视速度法等传统方法外，可直接进行叠前偏移处理。偏移技术可分为两类，一类是射线偏移法，以惠更斯原理为基础，另一类是波动方程偏移法，以物理光学原理为基础。目前从适用角度来说，射线扫描偏移法较易实现，其偏移结果能满足实际要求。这里应用的是基于变换和射线扫描的偏移方法。

绕射扫描偏移是建立在射线偏移的基础上使反射波自动归位到真实位置上的一种方法。根据惠更斯原理，地下每一个反射点都可以看成是一个子波震源，进行绕射扫描偏移时，把每一个网格点看成是一个反射点，则它的反射波或绕射波旅行时为

图2-3  绕射扫描偏移网格图

式中=1，2，3，……，m，且m为参与叠加的记录道；v为地震波的速度，h为p点的垂直深度，为扫描点P处第i炮第j个接收点的绕射波旅行时。图2-3为绕射扫描偏移网格。这样把记录道上时刻的振幅值 与P点的振幅值叠加起来，作为P点的总振幅值Ai，则

当对X-H平面按Δx、Δh划分的方格网上每一点P（x，h）都进行计算，只要划分得足够细，总可以在所要求的精度上反映反射点的全部可能位置。这样，使反射界面上的叠加扫描点P的总振幅Ai更加增大，不在反射界面上的扫描点P的总振幅Ai进一步相对减小，既提高了信噪比，又把反射界面自动偏移到其空间真实位置上去，从而获得叠前偏移结果剖面，对此进行有效界面提取。

通过与巷道工作面的距离来确定反射层所对应的地质界面的空间位置，并根据反射波的组合特征及其动力学特征、岩石物理力学参数等资料来解释地质体的性质（地层界面、软弱、破碎带、断层、节理裂隙、围岩类别等）。同样，根据炮检点的三维空间坐标可进行巷道掘进空间地质体三维绕射偏移计算，得到全空间的立体数据。