一种大直径调压井开挖微震实时监测传感器布置方法

摘要

本发明公开了一种大直径调压井开挖微震实时监测传感器布置方法，第一层开挖前，在已开挖洞室中向调压井四周布置两组共七只微震传感器，第一组包括拱顶微震传感器，布置在调压井中心轴线上的拱顶岩体中；根据当前开挖处揭露的围岩和结构面从拱肩往下依次布设各组微震传感器，每组包括六只传感器，相隔两组的布置方式一致。本发明微震传感器紧跟调压井开挖而动态增补,在已开挖和即将开挖的调压井围岩内均布置有微震传感器，微震传感器监测网络在空间上自上而下呈错开式布置，使得微震传感器尽可能捕捉更多有效微破裂源信号，并有利于微震源定位，提高了微震监测效果。

权利要求

1.一种大直径调压井开挖微震实时监测传感器布置方法，包括以下步骤：

步骤1、第一层开挖前，在已开挖洞室中向调压井(2)四周布置两组共七只微震传感器，第一组包括拱顶微震传感器(101)，布置在调压井(2)中心轴线上的拱顶岩体中，第二组包含六只微震传感器(102-107)，选定垂直于调压井(2)中心轴线的任意一个方向为0°角度方向，该组微震传感器的角度方向则为面向开挖面，以0°角度方向为起始角度方向并以调压井(2)的中心轴线为旋转轴顺时针旋转度数获取的角度方向，第二组的第一微震传感器(102)布置在调压井(2)拱肩所在断面0°角度方向，第二组的第二微震传感器(103)布置在调压井(2)拱肩位置向下A米所在断面的60°角度方向，第二组的第三微震传感器(104)布置在调压井(2)拱肩位置向下2A米所在断面的120°角度方向，第二组的第四微震传感器(105)布置在调压井(2)拱肩位置向下3A米所在断面的180°角度方向，第二组的第五微震传感器(106)布置在调压井(2)拱肩位置向下4A米所在断面的240°角度方向，第二组的第六微震传感器(107)布置在调压井(2)拱肩位置向下5A米所在断面的

300°角度方向，该组微震传感器布置后即可对调压井(2)开挖稳定性进行实时监测，步骤2、调压井(2)开挖面(3)开挖到拱肩所在断面时，增补布置第三组共六只微震传感器，该组微震传感器通过从已开挖的调压井(2)边墙向下打倾斜孔埋设，当前开挖处揭露的围岩为I类或II类围岩且当前开挖处无I～III级结构面时，该组的第七微震传感器(108)布置在第六微震传感器(107)所在断面向下30-40m处断面30°角度方向；

当前开挖处揭露的围岩为III～V类围岩或当前开挖处出现I～III级结构面时，该组第七微震传感器(108)布置在第六微震传感器(107)所在断面向下10-15m处断面30°角度方向；

第八微震传感器(109)布置在第七微震传感器(108)所在断面向下A米处断面90°角度方向，第九微震传感器(110)布置在距第七微震传感器(108)所在断面向下2A米处断面150°角度方向，第十微震传感器(111)布置在距第七微震传感器(108)所在断面向下

3A米处断面210°角度方向，第十一微震传感器(112)布置在距第七微震传感器(108)所在断面向下4A米处断面270°角度方向，第十二微震传感器(113)布置在距第七微震传感器(108)所在断面向下5A米处断面330°角度方向，步骤3、调压井(2)开挖面(3)开挖到位于上一组最下方微震传感器所在断面时，增补布置下一组共六只微震传感器，

当前开挖处揭露的围岩为I类或II类围岩且当前开挖处无I～III级结构面时，该组第一只微震传感器布置在距上一组最下方微震传感器所在断面向下30-40m处断面上，当前开挖处揭露的围岩为III～V类围岩或当前开挖处出现I～III级结构面时，该组第一只微震传感器布置在距上一组最下方微震传感器所在断面向下10-15m处断面上，该组的各个微震传感器的角度方向和相邻距离与上上组一致，埋设方式及埋深均保持不变，步骤4、随着调压井(2)的开挖，不断重复步骤3直至调压井开挖完成，微震监测结束。

2.根据权利要求1所述的一种大直径调压井开挖微震实时监测传感器布置方法，其特征在于，所有的微震传感器均通过钻孔埋入式安装于调压井内壁的岩体中，钻孔后放入微震传感器并向孔内注浆，使微震传感器与岩体固定耦合，微震传感器埋入位置应超出调压井开挖后的围岩松弛范围，钻孔深度超出微震传感器埋入的位置。

3.根据权利要求2所述的一种大直径调压井开挖微震实时监测传感器布置方法，其特征在于，所述的A的范围为0.5～2m。

说明书

一种大直径调压井开挖微震实时监测传感器布置方法

技术领域

[0001] 本发明涉及微震监测技术，更具体涉及一种大直径调压井开挖微震实时监测传感器布置方法，适用于水电站调压井开挖过程中微震监测。

背景技术

[0002] 调压井，也称压力井，一般指是从山体中开挖出来的井式结构，起到调节水压的作用。大直径调压井由于其直径大，在开挖过程中容易发生井壁大规模坍塌、掉块甚至岩爆等灾害，影响施工人员安全及施工进度。因此在大直径调压井开挖过程中有必要进行围岩稳定性实时监测，随时掌握围岩稳定性状态，预警存在的风险，保障施工人员及设备安全。调压井在自上而下一层一层不断开挖时，上层井壁围岩监测区域距离开挖面越来越高，造成监测人员难以定期开展变形、应力、位移等常规监测工作，进而影响对调压井围岩稳定性的判断。

[0003] 然而在调压井开挖过程中围岩失稳前的几乎都伴随着裂纹的产生、扩展、摩擦、能量积聚和以应力波的形式释放能量，从而产生微震事件。通过监测分析微震事件，可以推断岩体内部应力状态及破坏情况，进而对岩体稳定性进行分析预警。因此，监测调压井开挖过程中的微震活动，可随时掌握围岩的稳定性情况。与常规相比常规监测手段而言，微震监测手段是一种空间信息测量技术，只需要将微震传感器布置在关注对象附近即可，针对调压井分层开挖适应性较强。

[0004] 但是微震传感器的布置方式对调压井开挖过程中产生的微震事件的监测能力具有重要影响，合理的传感器布置方法不仅能够使传感器尽可能的捕捉到调压井开挖过程中产生的所有微震事件，而且能更准确的确定微震事件发生的时间、位置、震级大小及能量释放等信息。目前微震监测传感器布置方式主要集中于核废料存储地下洞硐室、矿山及高陡岩质边坡等工程，针对大直径调压井开挖微震传感器布置，未见相关报道。随着水电站越来越多，大直径调压井开挖过程中的稳定性问题也越来越严重，该问题亟待解决。

发明内容

[0005] 针对上述问题，本发明的目的在于提供一种大直径调压井开挖微震实时监测传感器布置方法，通过合理布置与动态增补微震传感器，使微震传感器尽可能的捕捉到调压井开挖产生的微震事件，实现对调压井全过程开挖稳定性进行实时监测，为井壁围岩的稳定性分析奠定基础。

[0006] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种大直径调压井开挖微震实时监测传感器布置方法，包括如下步骤：

[0007] 一种大直径调压井开挖微震实时监测传感器布置方法，包括以下步骤：

[0008] 步骤1、第一层开挖前，在已开挖洞室中向调压井四周布置两组共七只微震传感器，第一组包括拱顶微震传感器，布置在调压井中心轴线上的拱顶岩体中，第二组包含六只微震传感器，选定垂直于调压井中心轴线的任意一个方向为0°角度方向，该组微震传感器的角度方向则为面向开挖面，以0°角度方向为起始角度方向并以调压井的中心轴线为旋转轴顺时针旋转度数获取的角度方向，第二组的第一微震传感器布置在调压井拱肩所在断面0°角度方向，第二组的第二微震传感器布置在调压井拱肩位置向下A米所在断面的60°角度方向，第二组的第三微震传感器布置在调压井拱肩位置向下2A米所在断面的120°角度方向，第二组的第四微震传感器布置在调压井拱肩位置向下3A米所在断面的180°角度方向，第二组的第五微震传感器布置在调压井拱肩位置向下4A米所在断面的240°角度方向，第二组的第六微震传感器布置在调压井拱肩位置向下5A米所在断面的300°角度方向，该组微震传感器布置后即可对调压井开挖稳定性进行实时监测，其中A为除第一组之外的每组微震传感器中的各个微震传感器的纵向距离，

[0009] 步骤2、调压井开挖面开挖到拱肩所在断面时，增补布置第三组共六只微震传感器，该组微震传感器通过从已开挖的调压井边墙向下打倾斜孔埋设，

[0010] 当前开挖处揭露的围岩为I类或II类围岩且当前开挖处无I～III级结构面时，该组的第七微震传感器布置在第六微震传感器所在断面向下30-40m处断面30°角度方向；

[0011] 当前开挖处揭露的围岩为III～V类围岩或当前开挖处出现I～III级结构面时，该组第七微震传感器布置在第六微震传感器所在断面向下10-15m处断面30°角度方向；

[0012] 第八微震传感器布置在第七微震传感器所在断面向下A米处断面90°角度方向，第九微震传感器布置在距第七微震传感器所在断面向下2A米处断面150°角度方向，第十微震传感器布置在距第七微震传感器所在断面向下3A米处断面210°角度方向，第十一微震传感器布置在距第七微震传感器所在断面向下4A米处断面270°角度方向，第十二微震传感器布置在距第七微震传感器所在断面向下5A米处断面330°角度方向，[0013] 步骤3、调压井开挖面开挖到位于上一组最上方微震传感器所在断面时，增补布置下一组共六只微震传感器，

[0014] 当前开挖处揭露的围岩为I类或II类围岩且当前开挖处无I～III级结构面时，该组第一只微震传感器布置在距上一组最下方微震传感器所在断面向下30-40m处断面上，

[0015] 当前开挖处揭露的围岩为III～V类围岩或当前开挖处出现I～III级结构面时，该组第一只微震传感器布置在距上一组最下方微震传感器所在断面向下10-15m处断面上，

[0016] 该组的各个微震传感器的角度方向和相邻距离与上上组一致，埋设方式及埋深均保持不变，

[0017] 步骤4、随着调压井的开挖，不断重复步骤3直至调压井开挖完成，微震监测结束。

[0018] 如上所有的微震传感器均通过钻孔埋入式安装于调压井内壁的岩体中，钻孔后放入微震传感器并向孔内注浆，使微震传感器与岩体固定耦合，微震传感器埋入位置应超出调压井开挖后的围岩松弛范围，钻孔深度超出微震传感器埋入的位置。

[0019] 如上所述的A的范围为0.5～2m。

[0020] 调压井在自上而下一层一层不断开挖时，上层井壁围岩监测区域距离开挖面越来越高，造成监测人员难以定期开展变形、应力、位移等常规监测工作，进而影响对调压井围岩稳定性的判断。通过微震监测手段可断调压井开挖进行稳定性监测，但微震传感器的布置方式对调压井开挖过程中产生的微震事件的监测能力具有重要影响，合理的传感器布置方法不仅能够使传感器尽可能的捕捉到调压井开挖过程中产生的所有微震事件，而且能更准确的确定微震事件发生的时间、位置、震级大小及能量释放等信息。目前微震监测传感器布置方式主要集中于隧道、矿山及高陡岩质边坡等工程，针对大直径调压井开挖微震传感器布置，未见相关报道。

[0021] 本发明针对上述问题，结合大直径调压井的特点，提出了适宜大直径调压井的传感器布置方法，a）微震传感器紧跟调压井开挖而动态增补,在已开挖和即将开挖的调压井围岩内均布置有微震传感器，使已开挖以及即将开挖的调压井围岩始终包含在微震监测传感器阵列中；b）微震传感器监测网络在空间上自上而下呈错开式布置，使得微震传感器尽可能捕捉更多有效微破裂源信号，并有利于微震源定位，提高了微震监测效果；c）针对性的考虑了调压井围岩的性质，实现了对调压井全过程开挖稳定性实时监测，解决了因常规监测（比如变形、应力、位移监测等）难以操作而带来的调压井围岩稳定无法判断的问题，保障了施工及人员设备安全。

[0022] 本发明具有以下优点：

[0023] 1）微震传感器紧跟调压井开挖而动态增补,在已开挖和即将开挖的调压井围岩内均布置有微震传感器，使已开挖以及即将开挖的调压井围岩始终包含在微震监测传感器阵列中，同时，微震传感器监测网络在空间上自上而下呈错开式布置，使得微震传感器尽可能捕捉更多有效微破裂源信号，并有利于微震源定位，提高了微震监测效果。

[0024] 2）针对性的考虑了调压井围岩的性质，实现了对调压井全过程开挖稳定性实时监测，解决了因常规监测（比如变形、应力、位移监测等）难以操作而带来的调压井围岩稳定无法判断的问题，保障了施工及人员设备安全。

附图说明

[0025] 图1为第一组和第二组微震监测传感器布置后0°角度方向侧视图；

[0026] 图2为图1的俯视图；

[0027] 图3为第三组微震监测传感器布置后0°角度方向侧视图；

[0028] 图4为第三组微震监测传感器俯视图；

[0029] 图5为第四组微震监测传感器布置后0°角度方向侧视图；

[0030] 图6为第四组微震监测传感器俯视图；

[0031] 图7为第五组微震监测传感器布置后0°角度方向侧视图；

[0032] 图8为第五组微震监测传感器俯视图；

[0033] 图9为实施例测试结果图。

具体实施方式

[0034] 下面结合附图，对本发明一种大直径调压井开挖微震实时监测传感器布置方法作进一步详细描述。

[0035] 实施例1

[0036] 某大直径调压井直径41m，围岩松弛深度在3m范围内，对该调压井开挖稳定性进行微震监测，调压井微震监测传感器布置方式如下。

[0037] 1）大直径调压井2，直径为41m，深度为109.5m，第一层开挖前，在调压井2附近已开挖的探洞4和锚固洞5中向调压井2四周布置两组共七只微震传感器。第一组包括拱顶微震传感器101，布置在调压井2中心轴线上的拱顶岩体中。第二组包含六只微震传感器，以垂直于调压井2中心轴线的正北方向为0°角度方向。该组其余微震传感器的角度方向则为面向开挖面，以0°角度方向为起始角度方向并以调压井2的中心轴线为旋转轴顺时针旋转度数获取的角度方向，下同。第二组的第一微震传感器102布置在调压井2拱肩所在断面0°角度方向，第二组的第二微震传感器103布置在调压井2拱肩位置向下1m所在断面的60°角度方向，第二组的第三微震传感器104布置在调压井2拱肩位置向下2m所在断面的120°角度方向，第二组的第四微震传感器105布置在调压井2拱肩位置向下3m所在断面的180°角度方向，第二组的第五微震传感器106布置在调压井2拱肩位置向下4m所在断面的240°角度方向，第二组的第六微震传感器107布置在调压井2拱肩位置向下5m所在断面的300°角度方向。同组微震传感器在调压井轴向方向上下错开1m，避免布置在同一平面上而影响微震源定位。微震传感器均通过钻孔埋入式安装于调压井内壁的岩体中，钻孔后放入微震传感器并向孔内注浆，使微震传感器与岩体固定耦合。微震传感器埋入位置为调压井2围岩表面向内5m，超出围岩松弛范围2m，避免微震传感器埋设在松动圈内而影响其接收岩石破裂震动信号。钻孔深度超出微震传感器埋入的位置20cm。该组微震传感器布置后即可对调压井2开挖稳定性进行实时监测。

[0038] 2）调压井2开挖面3开挖到拱肩所在断面时，增补布置第三组共六只微震传感器。该组微震传感器通过从已开挖的调压井2边墙向下打倾斜孔埋设，钻孔后放入微震传感器并向孔内注浆，使微震传感器与岩体固定耦合。微震传感器埋入位置为调压井围岩表面向内5m，超过围岩松弛范围2m，避免微震传感器埋设在松动圈内而影响其接收岩石破裂震动信号。钻孔深度超出微震传感器埋入的位置20cm，防止孔内掉渣堆在钻孔底部堵塞微震传感器安装的空间。

[0039] 当前开挖处揭露的围岩根据国标《工程岩体分级标准》GB50218-94划分为II类围岩且当前开挖处无I～III级结构面，该组的第七微震传感器108布置在距上组的第六微震传感器107所在断面向下35m处断面30°角度方向；

[0040] 第八微震传感器109布置在第七微震传感器108所在断面向下1m处断面90°角度方向，第九微震传感器110布置在距第七微震传感器108所在断面向下2m处断面150°角度方向，第十微震传感器111布置在距第七微震传感器108所在断面向下3m处断面210°角度方向，第十一微震传感器112布置在距第七微震传感器108所在断面向下4m处断面270°角度方向，第十二微震传感器113布置在距第七微震传感器108所在断面向下
5m处断面330°角度方向。该组六个微震传感器所在方位均落在上一组六个微震传感器所在方位正中间位置，使微震传感器在空间上呈错开式布置，有利于微震定位。继续对调压井
2开挖稳定性进行实时监测。

[0041] 3）调压井2开挖面3开挖到第三组第七微震传感器108所在断面时，增补布置第四组共六只微震传感器。

[0042] 当前开挖处揭露的围岩出现一条III级结构面，该组第一只微震传感器114布置在距第三组第十二微震传感器113所在断面向下15m处断面上。

[0043] 该组的各个微震传感器的角度方向和相邻距离与上上组一致，埋设方式及埋深均保持不变，如图5和图6中第十三微震传感器114、第十四微震传感器115、第十五微震传感器116、第十六微震传感器117、第十七微震传感器118和第十八微震传感器119所示。继续对调压井2开挖稳定性进行实时监测。

[0044] 4）调压井2开挖面3开挖到第四组第十三微震传感器114所在断面时，增补布置第五组共六只微震传感器。

[0045] 当前开挖处揭露的围岩根据国标《工程岩体分级标准》GB50218-94划分为II类围岩且当前开挖处无I～III级结构面，该组的第十九微震传感器120布置在距上组的第十八微震传感器119所在断面向下35m处断面30°角度方向；

[0046] 该组的各个微震传感器的角度方向和相邻距离与上上组一致，埋设方式及埋深均保持不变，如图7和图8中第十九微震传感器120、第二十微震传感器121、第二十一微震传感器122、第二十二微震传感器123、第二十三微震传感器124和第二十四微震传感器125所示。继续对调压井2开挖稳定性进行实时监测。

[0047] 5）调压井2继续开挖，在未到第五组第十九微震传感器120所在断面时已经开挖完成，微震监测结束。

[0048] 监测期间采集到一系列监测数据，对测试结果及时进行分析处理，测试结果如图9所示。图9为累积监测到的微震信号6空间分布图，该阶段已布置前三组微震监测传感器。图9中球体代表微震信号6，球体大小代表微破裂释放的能量，球体越大，能量越大。由图9可知，上述传感器监测网络在已开挖以及即将开挖的调压井2围岩附近均采集到大量微震信号6，其中在270°方向拱肩附近微震信号6较多且集中，开挖面附近其其他区域微震信号6较少，监测结果表明目前270°方向存在较高岩体失稳风险，开挖面附近及其他区域风险较低。随着开挖面的开挖，现场在调压井270°方向微震信号集中区域发生强烈岩爆，而开挖面附近及其他区域围岩稳定，与监测结果吻合，表明本技术方案的有效性与准确性。

[0049] 采取如上所述技术方案对调压井2进行稳定性监测期间，全部成功捕捉到调压井2开挖期间出现的9次局部失稳前兆微震信号，准确的预警了调压井2开挖存在的风险，实施本发明技术方案后调压井2开挖未造成施工人员伤亡，确保了施工安全。

[0050] 本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。