基于检波器布设装置、钻爆法隧道超前预报系统及方法与流程

本发明涉及地质超前预报领域，特别是涉及一种基于检波器布设装置、钻爆法隧道超前预报系统及方法。

背景技术：

钻爆法是隧道及地下工程施工中的重要方法之一，在施工过程中，为避免突水突泥、塌方等地质灾害的发生，常采用超前地质预报方法对掌子面前方的地质情况进行提前探查，并提出合理的处置和应对措施，为安全顺利施工提供指导。目前，钻爆法隧道中多采用地震波类方法进行超前探测，在进行探测时人工主动激发产生地震波，当地震波遇到不良地质体分界面时，部分地震波信号反射回来并被安装在边墙的检波器接收，基于对反射信号的处理分析，实现隧道前方不良地质体的定位。当前隧道内地震波超前探测系统，震源和观测方式上，主要存在以下几个问题：

(1)震源上多采用炸药或人工激发震源，炸药震源存在很高安全风险，包括存储、运输和爆破过程都存在隐患；而通过人工锤击的方式产生的地震波的强度难以保证，且可重复性差，影响成像结果。

(2)在检波器布设方面，传统方法使用人工布设测线的方法，同时设备需要额外运输或携带，未利用车辆本身的空间，导致空间利用率和工作效率低下，同时当前布线位置有限，尤其难以检测掌子面处的反射波信号，无法达到三维探测的要求和目的，影响探测结果。

因此，需要对基于检波器布设装置进行新的研究设计。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供了基于检波器布设装置，对第一检波器进行自动伸出，以完成自动布设，大大减少了第一检波器的布置时间，提高了探测的效率。

基于检波器布设装置的具体方案如下：

基于检波器布设装置，包括：

第一推进机构，第一推进机构设于壳体内；

固定块，固定块与第一推进机构连接，第一推进机构前进或后退带动固定块运动；

第一检波器，通过固定架安装于固定块，固定块运动带动第一检波器的前进或后退；

第二推进机构，第二推进机构安装于固定块，且能推动所述的第一检波器升高，从而将第一检波器设于掌子面表面。

上述基于检波器布设装置，将本装置安装在凿岩台车的固定位置，可以得到装置和凿岩台车的相对位置，以确定第一检波器位置，为得到整个空间内的检波器位置信息做准备。通过第一推进机构可实现第一检波器的伸出，通过第二推进机构可带动第一检波器被抬高，这样便于第一检波器的自动伸出，完成布设，减少了第一检波器的布设时间，相应提高了探测效率，而且因第一检波器设于台车，这样可便于对检波器的收纳，需要使用时，再伸出并抬高。

进一步地，所述第一推进机构包括通过第一电机带动的锥齿轮传动部件，锥齿轮传动部件其中一锥齿轮套设于螺纹杆，螺纹杆端部设置推块，锥齿轮传动，螺纹杆伸出从而带动推块伸出。

进一步地，所述壳体内设有第一传动腔，所述固定块设于第一传动腔开口处，且固定块的宽度大于第一传动腔开口的尺寸。

进一步地，所述第一传动腔内第一推进机构的另一侧设有辅助推进机构，辅助推进机构一端与所述壳体连接，另一端与所述的固定块连接；

进一步地，所述辅助推进机构为带有液压杆的液压缸，液压杆与所述固定块连接，通过辅助推进机构的设置，用于限制固定块铅垂方向的偏移。

进一步地，所述固定架为门型固定架，门型固定架的开口朝向侧部，固定架内侧设有若干固定轴，每一固定轴的端部分别安装有所述的第一检波器；且门型固定架内通过固定杆支撑所述的固定轴。

进一步地，所述第二推进机构设于所述固定块内的第二传动腔，第二推进机构为第二电机带动的齿轮齿条传动机构，齿条与推杆连接，推杆能与所述的固定轴接触以抬高所述的第一检波器；

所述的第二推进机构的数量与所述第一检波器的数量相同，推杆与所述的固定轴一一对应，且第二推进机构设于固定架的下方。

第一检波器为三分量传感器，定义掌子面水平方向为x方向，通过三维坐标系构建xyz三个方向，在第一检波器后方加入减震垫圈，通过将第一检波器除贴合墙面一侧外的其他三侧面均包裹减震垫圈的方法，用于衰减卡槽震动对第一检波器的影响，同时也防止在贴合的过程中力度过大损害第一检波器。

为了克服现有技术的不足，本发明还提供了基于检波器布设装置的钻爆法隧道超前预报系统，包括：

钻杆，钻杆端部插入隧道围岩内，且钻杆该端部设有先导传感器以测量隧道内震动噪声；

所述的地震波检波器布设装置，设于隧道边墙；

位移检测部件，设于钻杆，以测量钻杆深入至隧道围岩的深度，通过得到钻臂端口所在定位和钻入深度，可以得到每个先导传感器的位置；

第二检波器，设于隧道掌子面；

控制器，控制器与位移检测部件、第二检波器、先导传感器和第一检波器分别单独连接；

外壳，位移检测部件和第二检波器通过外壳设于隧道掌子面，外壳设置锁紧件进行锁紧。

进一步地，先导传感器为第三检波器，所述钻杆设于凿岩台车钻臂，所述地震波检波器布设装置设有多个，多个呈三条测线，设于凿岩台车的上方和两侧。

进一步地，还包括无线定位部件，无线定位部件用于定位所述第二检波器、先导传感器的位置；还包括无线传送部件，无线传送部件与控制器无线连接，且无线传送部件与所述的位移检测部件、先导传感器和第二检波器分别连接。

而且，在外壳内设置电池，用于向无线定位部件、无线传送部件和位移检测部件进行供电，设于钻杆。

基于检波器布设装置的钻爆法隧道超前预报系统的探测方法，包括：

1)在各个钻杆端部安装先导传感器，钻杆通过凿岩台车钻臂支撑，在各个钻孔口处贴合掌子面安装第二检波器，且多个地震波检波器布设装置设于隧道边墙，即设于凿岩台车的上方和两侧；

2)开始凿岩台车的钻进工作；

3)无线定位部件用于获得第二检波器的所在位置；位移检测部件得到钻杆的伸入长度，配合无线定位部件，能够确定各个钻进噪声即震源所在位置，用于后续对总震源信号的合成，并将数据传送给控制器；

4)收集第一检波器、第二检波器数据信号，并将数据传送给控制器；

5)通过位移检测部件得到先导传感器位置，并通过位置分析各个震源的加权因子，为合成总震源信号做准备；分析得到整个空间内的第一检波器、第二检波器位置信息；

6)将先导传感器得到的钻进噪声即震源的数据根据位置关系进行加权平均，得到总震源信号；将总震源信号分别和第一检波器、第二检波器进行互相关处理，得到检波器信号；选取合适的时间段，对各个检波器信号根据时间段均进行分段叠加，得到每个检波器各自的地震信号；

7)对各检波器获得的地震信号进行数据处理，通过步骤6)所得的位置关系，进行地质波速成像，并对结果进行分析，判断隧道掌子面前方的地质情况。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明提出的超前地质探测系统，利用凿岩台车钻杆钻进的噪声作为震源进行不良地质体的预报，利用这种方法不影响隧道的正常施工，同时针对多臂凿岩台车的特性，利用多臂钻进的信息同步进行探测，提高了探测准确度，并针对整套装置设计了一套观测系统方法，以保证施工进度和探测效果。

(2)本发明提出的探测系统，针对多臂凿岩台车施工过程，利用多钻臂同时工作时的噪声共同作为震源，提高了震源的强度，从而得到更高质量的地震反射波信号，同时配合无线定位部件，对震源即钻杆头部位置进行实时检测，获得钻头位置信息，提高探测精度。

(3)本发明提供的检波器布设装置，在凿岩台车施工过程中，分别在掌子面和车辆左右两侧和顶部布设第一检波器，其中，地震波检波器布设装置将安装在凿岩台车的固定位置，可以得到装置和凿岩台车的相对位置，以确定第一检波器位置，为后期处理提供了准确信息；车辆左右两侧和顶部布设安装第一检波器布设装置，在完成安装后，对第一检波器进行自动伸出，以完成自动布设，大大减少了第一检波器的布置时间，提高了探测的效率。

(4)本发明提供的探测方法，基于凿岩台车多钻臂产生的钻孔噪声，根据定位信号综合分析得到较强的震源信号；同时，检波器以特定观测形式，可以获取更多空间内的地震反射波信号，配合检波器定位分析，可以更全面地获得三维空间的岩体信息。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明探测系统应用于隧道探测的整体示意图；

图2是本发明探测系统示意图；

图3是本发明第一检波器布设装置示意图；

图4是本发明第一检波器布设装置部分示意图；

其中：1.凿岩台车钻臂，2.钻杆，3.钻杆固定杆，4.钻杆口，5.探测系统，6.第二检波器，7.先导传感器，8.测线，9.外壳，10.固定螺丝，11.缓冲层，12.电池，13.无线传送部件，14.无线定位部件，15.位移检测部件，16.电线，17.电缆，18.第一传动腔，19.壳体，20.第一电机，21.第一转轴，22.减速器，23.第二转轴，24.第一锥齿轮，25.螺纹杆，26.液压缸，27.保护轴，28.第二锥齿轮，29液压杆，30.固定块，31.第二传动腔，32.齿轮，33齿条，34.推杆，35.固定架，36.固定杆，37.固定轴，38.第一检波器，39.推块，40.螺纹套。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了基于检波器布设装置。

本申请的一种典型的实施方式中，如图3所示，基于检波器布设装置，包括第一推进机构，第一推进机构设于壳体19内；固定块30，固定块30与第一推进机构连接，第一推进机构前进或后退带动固定块30运动；第一检波器38，通过固定架35安装于固定块30，固定块30运动带动第一检波器38的前进或后退；第二推进机构，第二推进机构安装于固定块30，且能推动所述的第一检波器38升高，从而将第一检波器设于掌子面表面。

第一推进机构包括通过第一电机20带动的锥齿轮传动部件(第一锥齿轮24和第二锥齿轮28)，锥齿轮传动部件中第二锥齿轮28套设于螺纹杆25，螺纹杆25端部设置推块39。壳体19内设有第一传动腔18，固定块30设于第一传动腔18开口处。

第一传动腔18内第一推进机构的另一侧设有辅助推进机构，辅助推进机构一端与壳体19连接，另一端与所述的固定块30连接；辅助推进机构为带有液压杆29的液压缸26，液压杆29与所述固定块30连接。

第二推进机构设于固定块30内的第二传动腔31，第二推进机构为第二电机带动的齿轮齿条传动机构，齿轮齿条传动机构中齿条33与推杆34连接，推杆34与所述的固定架35连接。固定架35为门型固定架，固定架35内侧设有若干固定轴37，每一固定轴37的端部分别安装有所述的第一检波器38；且门型固定架内通过固定杆36支撑所述的固定轴37，如图4所示。

第二推进机构的设置数量与第一检波器的数量相同，每一推杆与第一检波器的固定轴位置一一对应，从而推杆伸出，带动固定轴升高，不使用装置时，第一检波器位于竖向，便于收纳。

当需要使用本装置时，将本装置安装在凿岩台车的固定位置，可以得到装置和凿岩台车的相对位置，以确定第一检波器位置，为得到整个空间内的检波器位置信息做准备。第一电机20通过第一转轴21带动减速器22，减速器22通过第二转轴23带动第一锥齿轮24，第一锥齿轮24带动第二锥齿轮28，螺纹杆25进行旋转，同时向左运行，推块39便推动固定块30向左运行，同时，液压杆29向左运行，限制固定块30铅垂方向的偏移，当固定块30伸出之后，启动第二电机，齿轮32旋转，带动齿条33向一侧运行，并带动推杆34运行，推杆伸出与固定轴37接触，从而通过固定轴37带动第一检波器38向上与墙体抵接，以达到将第一检波器贴合在墙壁进行地震数据采集的目的。

本发明还提供了基于检波器布设装置的钻爆法隧道超前预报系统，包括钻杆2，钻杆2端部通过钻杆口4插入隧道围岩内，钻杆2通过钻杆固定杆3支撑，且钻杆2该端部设有先导传感器7以测量隧道内震动噪声；地震波检波器布设装置6，设于隧道边墙；位移检测部件15，设于钻杆2，通过得到钻臂端口所在位置定位和钻入深度，可以得到每个先导传感器的位置；控制器，控制器与位移检测部件15、第二检波器6、先导传感器7和第一检波器38分别单独连接；设于钻孔口4的外壳9，第二检波器6、位移检测部件通过外壳9设于隧道掌子面，具体在外壳9内设置卡槽，用于设置相应的部件，外壳9设置锁紧件进行锁紧，控制器为服务器，位移检测部件为位移传感器。

其中，钻杆设于凿岩台车钻臂。

探测系统还包括无线定位部件14，无线定位部件14用于定位所述第二检波器的位置；还包括无线传送部件13，无线传送部件13与控制器无线连接，且无线传送部件13与所述的位移检测部件15、先导传感器7和第二检波器分别连接，无线传送部件选用无线zigbee传送部件。

无线定位部件14，采用三维空间跟踪定位器，在凿岩台车车室内，安置磁场发射器，该发射器有三个正交的天线组成，在第二检波器6安装的无线定位部件为接收器，接收器内也安装一个正交天线，根据接受器所接受到的磁场，可以计算出接收器相对于发射器的位置和方向，将位置信息通过无线zigbee部件传送至控制器中记录。

第二检波器6一面外露，紧贴在掌子面，并由缓冲层11进行保护和震动衰减；电池12、无线传送部件13、无线定位部件14和位移检测部件15准确布置在外壳9中，其中位移检测部件15位于地震波检波器布设装置6的下方钻杆2的正上方，由电池12为无线传送部件13、无线定位部件14和位移检测部件15通过电线16供电；无线定位部件14、位移检测部件15和第二检波器6均与无线传送部件13通过线缆17进行相连；安装并检查完成开通电源，保证各位移检测部件之间通讯顺畅，对安装接口进行密封，地震波检波器布设装置6记录的数据成为隧道掌子面前方岩体的地震信号。

基于检波器布设装置的钻爆法隧道超前预报系统的探测方法，包括：

步骤一：首先在各个钻头处安装钻孔先导传感器，在各个钻孔口处安装掌子面第二检波器，使用螺丝进行固定并确定安装问题，在凿岩台车的左右两侧和上方安装地震波检波器自动布设装置，并展开装置将第一检波器靠在隧道边墙，确定固定准确牢固；

步骤二：开始凿岩台车的钻进工作，按照工作要求，将钻杆靠近预计钻孔位置，开始进行钻进；

步骤三：收集各个掌子面第二检波器中的无线定位部件和位移检测部件的信息，无线定位部件可以得到掌子面所有第二检波器的所在位置，用于后续数据处理中的应用；位移检测部件可以得到钻杆的伸入长度，配合无线定位部件，可以确定各个钻进噪声即震源所在位置，用于后续对总震源信号的合成；同时对收集到的数据通过无线zigbee模块进行传输；

步骤四：收集第二检波器数据信号，包括各个钻杆先导传感器即第三检波器采集的钻进噪声即震源信号，通过线缆进行信号传输，隧道边墙上方和左右各方向第二检波器收集的反射波，通过线缆进行信号传输，各个掌子面第二检波器采集的掌子面处的地震反射波信号，通过无线zigbee模块进行传输。

步骤五：分析收集到各个掌子面第二检波器中的无线定位部件和位移检测部件的信息；得到先导传感器位置，并通过位置分析各个震源的加权因子，为合成总震源信号做准备；通过掌子面第二检波器的无线定位，得到第二检波器的位置；检波器布设装置在凿岩台车的固定位置，通过确定的相对位置，得到第一检波器位置，分析得到整个空间内的检波器位置信息。

步骤六：根据多个先导传感器的位置信息，将其得到的钻进噪声即震源的数据根据位置关系进行加权平均，得到总震源信号；将总震源信号分别和多个掌子面第二检波器、多个三侧第一检波器进行互相关处理，得到检波器信号；选取合适的时间段，对各个检波器信号根据时间段均进行分段叠加，得到每个检波器各自的地震信号；

步骤七：对各检波器上的地震信号进行数据处理，通过步骤六所得的位置关系，进行地质波速成像，并对结果进行分析，判断隧道掌子面前方的地质情况。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。