基于多维波达DOA技术的异常地质构造超前预报系统.doc

PAGE 16 - 项目的意义和必要性 项目背景： 在各种煤炭开采、隧道施工、岩洞矿体作业过程中，经常会遇到衬砌开裂、地质侧移滑动、突泥塌方涌水、泥石流等各种灾害，影响到工程和矿山生产的安全、质量、进度和经济效益等重要问题。对矿山的地质构造异常物探来说，地质的构造特性、完整程度、破碎状态等主要表现在力学性质的差异上，而含水性则主要表现在电阻率的差异上。任何一种单一类型的物探方法都不可能同时涵盖力学和电学这种物性的变化。 我国矿山水文地质条件较为复杂，煤矿突水、透水事故成为煤矿安全生产的主要威胁之一。瓦斯爆炸是另一个危害煤矿生产安全的问题。煤矿平安生产也已成为社会各界共同关注的问题。如何通过高效的技术装备对煤矿透水、瓦斯突出等灾害进行可靠预报和预警显得尤为迫切。煤矿雷达是通过雷达探测技术对矿井进行扫查，?发现可能存在地质断层和透水带，达到预报和预警的作用，减少和预防煤矿生产事故的发生。 煤矿超前预报系统可以发现井下掌子面前方存在的含水带，瓦斯蕴藏区和断层等灾害地质环境。增强煤矿开采的计划性和对事故隐患的预见性，可以大幅度减少煤矿挖掘中的意外险情。 煤矿超前预报技术是实现三维波场识别与分离的超前预报技术。在矿井中的狭小空间内复杂的波场条件下使用，能有效消除各种反射波的干扰，保证成像的真实性；煤矿超前预报技术具有如下优点：实现围岩波速精确分析的超前预报技术。保证了地质构造定位的精确性；建立在逆散射成像原理基础上的超前预报技术，与传统的反射地震技术相比具有更高的分辨率。同时运用了地震波的运动学和动力学信息，不但可精确确定地质构造的位置，同时还可以获得围岩力学性状的空间变化； 结合地质信息可以找到含水带和瓦斯蕴藏区。采用独特的观测方式，保证观测数据同时满足围岩波速分析、三维波场分离和方向滤波的需要。 本项目研究基于弹性波阵列接收的多维波达方向（Direction of Arrival）DOA估计的地质构造异常预报系统，接收到的地震回波是三维的，在强噪声背景下传感器接收的信息带有复杂的成份，要分析其不同的方向、波速、反射面位置、反射面性质。同时，要识别面波、纵波、横波及转换波，比表面观测的震相复杂的多。传统的数据处理方法是进行简单的统计平均和频谱分析处理，很难保证分辨率、检测精度和信号处理信噪比要求，如何可靠地识别隧道横向的回波并将其剔除，保留前方回波，是隧道矿山的地质构造异常超前预报的关键技术难题之一。 图1地质构造异常预报 基于弹性波阵列接收的多维波达方向的地质构造异常预报系统是通过可视化微波反射成像技术预报掌子面前方的地质情况，可预报煤层断裂带、煤层分布构造、地质破碎带、透水带分布、岩溶发育带以及岩体工程类别变化等地质对象的位置、规模和性质。该方法数据采集用多道微波发射接收装置，它充分运用反射波的运动学和动力学特征，具有岩体波速扫描、地质构造方向扫描、速度偏移成像、吸收系数成像、走时反演成像等多种功能，从岩体的力学性质、岩体完整性等多方面对地质情况进行综合预报。利用高频电磁波以宽频带短脉冲的形式，由掌子面通过发射天线向前发射，当遇到异常地质体或介质分界面时发生反射并返回，被接收天线接收，并由主机记录下来，形成雷达剖面图。根据接收到的电磁波特征，基波的旅行时间、幅度、频率和波形等，可确定掌子面前方界面或目标体的空间位置或结构特征。 通过弹性波阵列接收的多维波达方向的地质构造异常预报系统，查明掌子面前方的地质构造、围岩性状、结构面发育特征，特别是溶洞、断层、各类破碎带以及岩体含水情况，以便及时、合理地提前安排施工进度，修正施工方案，采取有效的对策和施工方法，极大地避免塌方、涌(突)水(泥)、岩爆等灾害，确保施工安全，加快施工进度，保证工程质量，降低建设成本，提高经济效益。 弹性波阵列接收的多维波达方向的地质构造异常预报系统的阵元采用非线性混沌系统作为接收，混沌系统对弱信号检测方法比传统的方法有较大的估计精度，特别是应用在强噪声背景下微弱雷达信号的参数估计方法具有很好的应用前景。本课题组在信号参数估计方面做了大量的前期探索性的理论研究工作，但还需将该技术在工程物探信号检测与处理结合方面进行深入的研究工作。本项目是一项创新的工作，其立项具有重要的理论意义和实际应用价值，本项目的研究成果必将为我国自主研发先进的物探技术和仪器方面提供理论与技术支持。 煤炭生产是依据生产设计图进行巷道的布置和煤的采掘。但是这些图纸所依据的地质资料是通过地表物探和钻探的手段获得，由于技术的限制，这些地质资料很难把一些较细的地质情况反映出来，远不能满足实际生产的需要，特别是那些小构造断层所造成的煤层缺失，当用一般方法如层位对比、规律类推、作图分析和断层及其影响带构造分析等不能奏效时，而不得不采用井下钻探或巷探，巷探如果是煤巷还可以，如果开挖岩巷而没达到预期的