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1、(10)申请公布号 CN 103760595 A (43)申请公布日 2014.04.30 CN 103760595 A (21)申请号 201410014078.9 (22)申请日 2014.01.13 G01V 1/20(2006.01) (71)申请人 中国科学院武汉岩土力学研究所 地址 430000 湖北省武汉市武昌区水果湖街 小洪山 2 号 (72)发明人 冯夏庭 丰光亮 赵周能 肖亚勋 江权 刘国锋 (74)专利代理机构 武汉宇晨专利事务所 42001 代理人 李鹏 王敏锋 (54) 发明名称 一种大直径调压井开挖微震实时监测传感器 布置方法 (57) 摘要 本发明公开了一种大直径。
2、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。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 。
3、说明书 5 页 附图 5 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书5页 附图5页 (10)申请公布号 CN 103760595 A CN 103760595 A 1/2 页 2 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，。
4、 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。
5、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。
6、-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 。
7、（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， 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。
8、 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 权 利 要 求 书 CN 103760595 A 2 2/2 页 3 井。
9、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。 权 利 要 求 书 CN 103760595 A 3 1/5 页 4 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。
10、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。
11、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。
12、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。
13、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 说 明 书 CN 103760595 A 4 2/5 页 5 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。
14、 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。
15、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IIIV类围岩或当前开挖处出现IIII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。
16、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。
17、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。 00。
18、19 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 说 明 书 CN 103760595 A 5 3/5 页 6 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。
19、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。
20、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。
21、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。
22、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。 说 明 书 CN 103760595 A 6 4/5 页 7 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。
23、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 。
24、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。
25、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。
26、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 2。
27、10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。
28、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 说 明 书 CN 103760595 A 7 5/5 页 8 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。
29、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 。
30、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。
31、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。
32、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。 说 明 书 CN 103760595 A 8 1/5 页 9 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103760595 A 9 2/5 页 10 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103760595 A 10 3/5 页 11 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 103760595 A 11 4/5 页 12 图 7 图 8 说 明 书 附 图 CN 103760595 A 12 5/5 页 13 图 9 说 明 书 附 图 CN 103760595 A 13 。