一种隧道微震传感器安装及运行质量检测方法及系统与流程

1.本发明涉及隧道微震监测技术领域，具体而言，尤其涉及一种隧道微震传感器安装及运行质量检测方法及系统。


背景技术：

2.随着隧洞(道)等工程逐渐向深部延伸，岩爆等动力灾害频发，微震监测技术逐渐应用于隧道的岩爆监测，在岩爆监测及预警领域发挥至关重要的作用。微震监测技术通过布置于掌子面后方的微震传感器(一般为两排至三排)捕捉岩体破裂信号，分析岩体破裂位置，计算岩体破裂尺度及能量大小，进一步达到预警岩爆的目的。在隧道中常用的传感器安装方法为孔内可回收式安装以及导波杆式安装。
3.目前有各种传感器安装与回收方法，发明“一种孔内及孔外双重固定可回收式微震传感器安装方法”，专利号201711406469.5；“一种微震传感器的可移动式安装装置及安装方法”，专利号202010948412.3；“一种适用于不同孔径的孔内微震传感器固定和回收装置”，专利号201811005295.6。这些发明主要解决了传感器安装与回收的问题。然而，传感器安装是否密实、牢固，运行是否良好，关系到能否完整捕捉岩体破裂信号，及微震源参数计算的正确性，对岩爆预警结果影响较大，具体表现为：传感器陈旧、损坏或安装不牢，导致传感器对微震信号的采集能力降低，波形振幅远小于邻近传感器，拟合的震源谱振幅小于实际谱振幅，得到的震源参数小于实际参数。现阶段，尚未有传感器安装与运行质量的评价与检测方法和设备，无法保证微震传感器安装与运行质量，难以保证微震监测质量。
4.可见现有的微震传感器安装还存在不足，需要建立一种传感器安装与运行质量的检测方法，用于检测传感器安装是否牢固、密实，运行是否良好，从而为完整捕捉岩体破裂信号打下基础，保证微震源参数计算的正确性。


技术实现要素：

5.根据上述背景技术中提到的技术问题，而提供一种隧道微震传感器安装及运行质量检测方法及系统。本发明用于检测传感器安装是否牢固、密实，运行是否良好，从而为完整捕捉岩体破裂信号打下基础，保证微震源参数计算的正确性。
6.本发明采用的技术手段如下：
7.一种微震传感器安装与运行质量的检测系统，包括：
8.虚拟脉冲发生器控制模块，用于控制虚拟脉冲发生的频率与振幅，通过虚拟脉冲震源测试传感器安装与运行质量；
9.信号分析模块，根据微震传感器采集到的虚拟脉冲震源事件波形，获取不同传感器微震波形拟合误差，进而根据现象自动分析误差原因，并提供解决办法；
10.数据显示模块，显示不同传感器微震波形拟合误差与解决办法；
11.所述虚拟脉冲发生器控制模块、所述信号分析模块以及所述数据显示模块设置在所述微震监测系统采集服务器；所述虚拟脉冲发生器控制模块发出的震源信号，由微震传
感器采集并传输给所述信号分析模块，所述信号分析模块得出的解决办法通过所述数据显示模块显示。
12.进一步地，本发明还包含一种微震传感器安装及运行质量的检测方法，包括以下步骤：
13.步骤1：微震传感器安装完成后，保持微震监测系统正常运行，操作服务器虚拟脉冲发生器控制模块发出虚拟脉冲，并保证微震监测系统记录下多个微震事件；
14.步骤2：应用信号分析模块对所述微震事件中每一个微震波形的s波进行傅里叶变换，获得每一个微震波形的位移谱；一次脉冲触发不同微震传感器，并被微震监测系统记录的事件为一个微震事件，包括多个微震波形；
15.步骤3：采用震源谱模型对位移谱进行拟合，获得震源拟合谱，震源位移谱模型为：
[0016][0017]
式中，fc为震源的拐角频率，ω0为震源的低频幅值；
[0018]
步骤4：对每一个传感器的波形震源拟合谱进行误差分析计算；
[0019]
步骤5：选取多个微震事件进行分析，若某个传感器微震波形拟合误差连续大于25％，即表示该传感器异常；
[0020]
步骤6：结合微震传感器波形判断传感器异常的原因。较现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0021]
本发明提供的一种传感器安装与运行质量的检测方法与系统。从采集的波形特征及震源谱拟合误差分析的角度出发，检测微震传感器的安装与运行质量，判断传感器异常原因，给出解决方案，从而完整捕捉隧道开挖过程中岩体破裂信号，保证微震源参数计算的正确性，为进一步的岩爆准确预警打下基础。
附图说明
[0022]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0023]
图1为本发明提供的一种微震传感器安装及运行质量的检测方法的流程图。
[0024]
图2为传感器陈旧或运行不良导致的微震波形及其震源位移谱。
[0025]
图3为某一微震事件误差统计。
[0026]
图4为952#传感器安装不牢时的微震波形。
具体实施方式
[0027]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0028]
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0029]
如图1所示，本发明提供了一种微震传感器安装与运行质量的检测系统，包括：虚拟脉冲发生器控制模块，用于控制虚拟脉冲发生的频率与振幅，通过虚拟脉冲测试传感器安装与运行质量；信号分析模块，根据微震传感器采集到的虚拟脉冲震源事件波形，获取不同传感器微震波形拟合误差，进而根据现象自动分析误差原因，并提供解决办法；数据显示模块，显示不同传感器微震波形拟合误差与解决办法。
[0030]
所述虚拟脉冲发生器控制模块、所述信号分析模块以及所述数据显示模块设置在所述微震监测系统采集服务器；所述虚拟脉冲发生器控制模块发出的震源信号，由微震传感器采集并传输给所述信号分析模块，所述信号分析模块得出的解决办法通过所述数据显示模块显示。
[0031]
作为一种优选的实施方式，在本实施方式中，还包含一种微震传感器安装及运行质量的检测方法，包括以下步骤：
[0032]
步骤1：微震传感器安装完成后，保持微震监测系统正常运行，操作服务器虚拟脉冲发生器控制模块发出虚拟脉冲，并保证微震监测系统记录下多个脉冲信号；选择尖锐的物体连续重击岩壁，以保证震动波可以触发每一个微震传感器。进一步地，操作虚拟脉冲发生器控制模块发出不同振幅与频率的震源，频率范围为7～1000hz，振幅范围为10-6
～10-2
m/s，一直不能触发的微震传感器则判断该传感器或传感器线路有故障，需要进行检修。
[0033]
步骤2：应用信号分析模块对所述微震事件中每一个微震波形的s波进行傅里叶变换，获得每一个微震波形的位移谱；一次脉冲触发不同微震传感器，并被微震监测系统记录的事件为一个微震事件，包括多个微震波形；不同类型微震传感器微震波形进行短时傅里叶变换后，得到的谱类型不同，速度型传感器的波形傅里叶变换后得到的是速度谱，加速度型传感器的波形傅里叶变换后得到的是加速度谱，都需要进行变换得到位移谱。
[0034]
步骤3：采用震源谱模型对位移谱进行拟合，获得震源拟合谱，震源位移谱模型为：
[0035][0036]
式中，fc为震源的拐角频率，ω0为震源的低频幅值；
[0037]
步骤4：对每一个传感器的波形震源拟合谱进行误差分析计算；所述误差计算公式为公式(2)：
[0038][0039]
式中，k表示布置的微震传感器个数，m表示微震事件触发的传感器个数，n表示波
形进行傅里叶变换后震源位移谱的频率点数，ωj表示j传感器的误差值，y
ij
表示j传感器震源位移谱i频率下的幅值，表示震源拟合谱i频率下的幅值。
[0040]
步骤5：选取多个微震事件进行分析，若某个传感器微震波形拟合误差连续大于25％，即表示该传感器异常；
[0041]
步骤6：结合微震传感器波形判断传感器异常的原因。若异常微震传感器波形呈现出震荡特征，表明传感器安装不牢，需要进行重新安装：若异常传感器波形与其他传感器波形特征基本一致，则表明传感器陈旧或运行不良，需要进行传感器维修或更换。
[0042]
实施例1
[0043]
某隧道开展了岩爆微震监测，在掌子面后方安装了两排传感器，每排四个，共8个微震传感器，为进行传感器安装质量的检测，操作服务器虚拟脉冲发生器控制模块发出多个虚拟脉冲。选取其中10个事件进行分析，此10个事件多触发6～8个传感器，表明该8个传感器的线路连接正常。以其中一个事件及其震源位移谱为例，如图2所示，每个传感器的误差如表1所示。由表1可知，337#传感器误差达到37.5％。统计10个微震事件的误差，如图3所示，337#传感器误差普遍大于25％。其波形无明显震荡特征，表明337#传感器陈旧或运行不良，需要进行更换。
[0044]
表1传感器波形拟合误差值
[0045]
传感器编号337338339340342343344ωj37.5％17.1％3.8％4.7％5.3％5.1％14.0％
[0046]
实施例2
[0047]
同样的隧道，后期进行安装及运行质量检测时，发现传感器拟合误差值如表2所示，由表2可知，952#传感器误差达到36.1％，统计结果同样显示952号传感器误差普遍大于25％。其波形如图4所示，952#传感器波形表现出明显震荡特征，表明952#传感器安装不牢，需要进行重新安装。
[0048]
表2传感器波形拟合误差值
[0049]
传感器编号945946947949950951952ωj7.4％10.5％7.9％5.1％14.8％5.8％36.1％
[0050]
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。
[0051]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种微震传感器安装与运行质量的检测系统，其特征在于，包括：虚拟脉冲发生器控制模块，用于控制虚拟脉冲发生的频率与振幅，通过虚拟脉冲震源测试传感器安装与运行质量；信号分析模块，根据微震传感器采集到的虚拟脉冲震源事件波形，获取不同传感器微震波形拟合误差，进而根据现象自动分析误差原因，并提供解决办法；数据显示模块，显示不同传感器微震波形拟合误差与解决办法；所述虚拟脉冲发生器控制模块、所述信号分析模块以及所述数据显示模块设置在所述微震监测系统采集服务器；所述虚拟脉冲发生器控制模块发出的震源信号，由微震传感器采集并传输给所述信号分析模块，所述信号分析模块得出的解决办法通过所述数据显示模块显示。2.一种微震传感器安装及运行质量的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：微震传感器安装完成后，保持微震监测系统正常运行，操作服务器虚拟脉冲发生器控制模块发出虚拟脉冲，并保证微震监测系统记录下多个脉冲信号；步骤2：应用信号分析模块对所述微震事件中每一个微震波形的s波进行傅里叶变换，获得每一个微震波形的位移谱；一次脉冲触发不同微震传感器，并被微震监测系统记录的事件为一个微震事件，包括多个微震波形；步骤3：采用震源谱模型对位移谱进行拟合，获得震源拟合谱，震源位移谱模型为：式中，f
c
为震源的拐角频率，ω0为震源的低频幅值；步骤4：对每一个传感器的波形震源拟合谱进行误差分析计算；步骤5：选取多个微震事件进行分析，若某个传感器微震波形拟合误差连续大于25％，即表示该传感器异常；步骤6：结合微震传感器波形判断传感器异常的原因。3.根据权利要求2所述的一种微震传感器安装及运行质量的检测方法，其特征在于，所述步骤1中，虚拟脉冲包括不同振幅与频率的震源，频率范围为7～1000hz，振幅范围为10-6
～10-2
m/s。4.根据权利要求2所述的一种微震传感器安装及运行质量的检测方法，其特征在于，不同类型微震传感器微震波形进行短时傅里叶变换后，得到的谱类型不同，速度型传感器的波形傅里叶变换后得到的是速度谱，加速度型传感器的波形傅里叶变换后得到的是加速度谱，都需要进行变换得到位移谱。5.根据权利要求2所述的一种微震传感器安装及运行质量的检测方法，其特征在于，所述误差计算公式为公式(2)：式中，k表示布置的微震传感器个数，m表示微震事件触发的传感器个数，n表示波形进
行傅里叶变换后震源位移谱的频率点数，ω
j
表示j传感器的误差值，y
ij
表示j传感器震源位移谱i频率下的幅值，表示震源拟合谱i频率下的幅值。6.根据权利要求2所述的一种微震传感器安装及运行质量的检测方法，其特征在于，所述传感器异常的原因中：若传感器一直不能触发，表明该传感器或传感器线路有故障，需要进行检修；若异常微震传感器波形呈现出震荡特征，表明传感器安装不牢，需要进行重新安装：若异常传感器波形与其他传感器波形特征基本一致，则表明传感器陈旧或运行不良，需要进行传感器维修或更换。

技术总结
本发明提供一种微震传感器安装与运行质量的检测系统，包括：虚拟脉冲发生器控制模块，用于控制虚拟脉冲发生的频率与振幅，通过虚拟脉冲测试传感器安装与运行质量；信号分析模块，根据微震传感器采集到的事件波形，获取不同传感器微震波形拟合误差，进而根据现象自动分析误差原因，并提供解决办法；数据显示模块，显示不同传感器微震波形拟合误差与解决办法。本发明提供的一种传感器安装与运行质量的检测方法与系统。从采集的虚拟脉冲震源波形特征及震源谱拟合误差分析的角度出发，检测微震传感器的安装与运行质量，判断传感器异常原因，给出解决方案，从而完整捕捉隧道开挖过程中岩体破裂信号，保证微震源参数计算的正确性，为进一步的岩爆准确预警打下基础。进一步的岩爆准确预警打下基础。进一步的岩爆准确预警打下基础。


技术研发人员：张伟 冯夏庭 张宇 姚志宾 胡磊 答治华 熊永润 付廉杰 马涛 张文灿
受保护的技术使用者：中国国家铁路集团有限公司
技术研发日：2023.03.01
技术公布日：2023/9/22