[发明专利]双线隧道微震监测系统及其定位精度评估方法

权利要求书

1.一种用于双线隧道的微震监测系统，所述双线隧道包括超前隧道(1)、滞后隧道(2)和横洞(6)，超前隧道和滞后隧道通过横洞连通，其特征在于所述微震监测系统包括超前微震监测阵列、滞后微震监测阵列、数据采集设备(4)和数据处理设备(5)；

在所述超前隧道(1)和滞后隧道(2)上距离各自掌子面40-50m处分别设有超前微震监测阵列和滞后微震监测阵列，所述超前微震监测阵列包括至少2排微震监测断面并沿隧道掌子面反方向延伸，且相邻微震监测断面间隔为30-40m，所述滞后微震监测阵列包括至少1排微震监测断面；

所述微震监测断面包括至少2个设置在隧道壁内的微震监测传感器(3)，并与数据采集设备(4)电连接，数据采集设备与数据处理设备(5)电连接。

2.根据权利要求1所述用于双线隧道的微震监测系统，其特征在于定义超前微震监测阵列靠近超前隧道掌子面的微震监测断面为第一超前微震监测断面(8)，其相邻微震监测断面为第二超前微震监测断面(9)，所述滞后隧道的掌子面在双线隧道轴向方向上位于第一超前微震监测断面与第二超前微震监测断面之间。

3.根据权利要求1或2所述用于双线隧道的微震监测系统，其特征在于所述微震监测断面包括3个分别设置在隧道两侧壁内和拱顶壁内的微震监测传感器(3)，且设置在隧道两侧壁内的微震监测传感器与设置在拱顶壁内的微震监测传感器在隧道轴向方向上间隔2-5m。

4.根据权利要求3所述用于双线隧道的微震监测系统，其特征在于所述微震监测传感器(3)是通过安装孔埋置从而设置在隧道壁内，安装孔深度为3-4m，且所述安装孔的口部设置有隔音棉。

5.根据权利要求1或2所述用于双线隧道的微震监测系统，其特征在于所述数据采集设备(4)设置在微震监测阵列远离掌子面一侧；所述数据处理设备(5)设置在横洞内。

6.一种用于双线隧道微震监测系统的定位精度评价方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将超前微震监测阵列和滞后微震监测阵列统一为微震监测阵列，采集微震监测阵列中第i个微震监测传感器的数据，得到隧道微震事件触发第i个微震监测传感器的观测到时t_i；

假设一处震源，通过公式t_ci＝R_i/v_i计算得到该震源触发第i个微震监测传感器的计算走时t_ci，其中R_i代表轴坐标上的震源位置(x₀,y₀,z₀)与第i个微震监测传感器(x_i,y_i,z_i)距离，v_i为微震传播路径上的微震波速；

然后通过下述公式计算得到残差γ：

式中，t_i和t_ci上标p或s代表来自P波或S波；

m＝1或2；以分别对应范数统计准则L1和L2；

t₀为微震事件震源的发震时刻；

(2)对于L1准则，发震时刻被定义为所有观测到时与计算走时差值的中位数mid，即t₀＝{(t_i–t_ci)}mid；代入式(a)后则采用L1准则计算的残差γ₁如下：

对于L2准则，发震时刻被定义为观测到时平均值与计算走时平均值的差值，即代入式(a)后则采用L2准则计算的残差γ₂如下：

(3)根据L2准则计算残差，即将公式(c)第i个传感器的残差γ_i分解为三部分：

γ_i＝A_i-[B_i-C_i] (d)

式中，A_i对应代表第i个传感器观测到时与微震监测阵列中微震监测传感器的观测到时平均值之差；

B_i为第i个传感器计算走时t_ci；

C_i为微震监测阵列中微震监测传感器的计算走时平均值

(4)假定微震监测空间内的波速均匀，每个计算震源的B_i–C_i可等效为计算震源到第i个传感器的距离T_i与到微震监测阵列中传感器中心位置T₀的距离差；通过公式(e)得到震源到两点(T_i和T₀)距离差的双曲线域，其中两点之间的距离为2c，双曲线上的每一点到两点的距离差相等，记为2a；从两点的中部上垂直平分线到两点的侧部延长线，距离差2a逐渐增加，从0增长为2c，从而构成了两点之间的双曲线域：

为评估微震监测阵列的定位精度，引入三维空间的双曲线域：

(5)定义某方位的双曲线密度d，即该方位上单位长度引起的距离差变化，从双曲线域上来看，则为某方位穿越的双曲线数量越多，则距离差变化越大；首先，获取在X、Y和Z方位轴上的双曲线密度：

(6)根据隧道方位与坐标轴的夹角，可获取该方位的双曲线密度：

式中，α、β和ξ分别为隧道方位与坐标方位轴X、Y和Z的夹角，将所得该隧道方位上的双曲线密度d_d汇总，并计算得到该隧道方位上的总体双曲线密度总体双曲线密度越大代表该隧道方位具有较大的残差变化率，即更合理的残差分布，更高的震源定位精度。