一种地下洞室爆破地震波监测方法及装置与流程

1.本发明涉及一种地震波监测方法，具体涉及一种地下洞室爆破地震波监测方法及装置，属于爆破爆炸技术领域。


背景技术：

2.目前，常用的爆破振动测试仪都是将传感器固定在保护目标上，通过电缆连接至主机。传感器根据情况可以一直固定在保护目标上或者每次监测完毕后拆下，下次监测时再安装。主机通过电池提供电源，需要定期充电（持续工作1天左右），同时需要每次监测完毕后连接至电脑处理监测数据。
3.在地下洞室开挖作业中，有时需要监测洞室顶部的振动大小，由于离地高度较大（4~10m），测振仪安装在洞室顶部，每次充电或处理数据都要把主机取下来，很不方便。若通过延长电缆把传感器固定在洞室顶部，主机放在方便接近的地方，则会导致测试信号衰减，影响测试结果的准确性。
4.市场上已有的远程测振仪是把测振仪固定在保护目标处（可以在不方便接近的地方），数据通过网络读取。但是地下洞室中通常没有网络，同时也存在充电问题。
5.因此，有必要提供一种新的适用于地下洞室爆破的地震波监测方法。


技术实现要素：

6.为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种地下洞室爆破地震波监测方法。
7.为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：一种地下洞室爆破地震波监测方法，包括对地下洞室的室顶沿水平方向和/或沿纵向的振动速度的测量，方法为：于室顶悬置角反射镜，于室底向角反射镜发射并接收回射激光，获取震前和震后的回射激光的光偏位移
△
s、光程差
△
l及时间间隔
△
t；利用速度公式：根据光偏位移
△
s获得沿水平方向的振动速度vs，根据光程差
△
l获得沿纵向的振动速度v
l
。
8.上述角反射镜为直角反射镜；则，沿水平方向的振动速度vs=
△
s/2
△
t
ꢀꢀꢀꢀꢀ
（1），沿纵向的振动速度v
l
=
△
l/2
△
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（2）。
9.以角反射镜的直角与室顶的连接点为圆点，以水平的任一方向为x轴方向，建立x-y水平坐标系；所述水平方向的振动速度包括沿x轴方向的振动速度v
x
和沿y轴方向的振动速度vy，其中，v
x
=
△sx
/2
△
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（3）
vy=
△
sy/2
△
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（4）式中，
△sx
为沿水平x轴的激光的光偏位移，
△
sy为沿水平y轴的激光的光偏位移。
10.利用分光镜反射回射激光，再利用坐标测量装置获取经分光镜反射的第一光束的坐标；基于坐标获取震前和震后的回射激光的光偏位移
△
s。
11.进一步的，上述分光镜相对回射激光的倾角为45
°
。
12.进一步的，上述回射激光透过分光镜的第二光束，经凸透镜汇聚，由激光测距仪接收后测得震前和震后的回射激光的光程差
△
l。
13.一种地下洞室爆破地震波监测装置，包括激光发射装置、角反射镜、分光镜、坐标测量装置、凸透镜、激光测距仪；所述角反射镜悬设于室顶，所述激光发射装置设于室底，激光发射角度为沿纵向正对角反射镜；所述分光镜设于回射激光的光路；所述坐标测量装置，用于接收并测量经分光镜反射的回射激光的第一光束的坐标；所述凸透镜用于汇聚透过分光镜的回射激光的第二光束；所述激光测距仪，用于接收第二光速并基于第二光束测量光程。
14.进一步的，上述坐标测量装置以一定的频率对第一光束进行采样；v
x
=
△sx
/2
△
t =（x
i+1-xi）/2（t
i+1-ti）
ꢀꢀꢀ
（5）vy=
△
sy/2
△
t=（y
i+1
‑ꢀ
yi）/2（t
i+1-ti）
ꢀꢀꢀ
（6）式中，x
i+1
、xi为采样序列中相邻两个坐标的x分量；y
i+1
、yi为采样序列中相邻两个坐标的y分量，t
i+1
、ti为采样序列中相邻两个采样时间。
15.再进一步的，上述激光测距仪以和坐标测量装置相同的频率对第二光束进行采样；v
l
=
△
l/2
△
ti= （l
i+1
‑ꢀ
li）/2（t
i+1-ti）
ꢀꢀꢀ
（7）式中，l
i+1
、 li为采样序列中相邻采样的l分量。
16.本发明的有益之处在于：本发明的一种地下洞室爆破地震波监测方法及装置，利用直角反射镜反射回射向室顶的激光，利用激光在反射过程中随直角反射镜的位移而产生的光程差、光偏位移，间接测量固定直角反射镜的保护目标（室顶）的波动速度；利用分光镜的折射和反射形成两路光路，以分别进行光程差、光偏位移的测量；通过凸透镜解决综合测量时因光偏位移而导致的测量光程差时光束偏移。
17.本发明的一种地下洞室爆破地震波监测方法及装置，其结构简单，拆装维护及变更位置便捷，易于操作，使用方便，测量准确度高，具有很强的实用性和广泛的适用性。
附图说明
18.图1为测量沿水平方向的振动速度vs的光路原理图；图2为测量沿纵向方向的振动速度v
l
的光路原理图；图3为同时测量沿水平和沿纵向的振动速度的光路原理图。
19.图4为测试1中x轴方向振动速度v
x-t图。
20.图5为测试1中y轴方向振动速度v
y-t图。
21.图6为测试1中沿纵向的振动速度v
l-t图。
22.图7为测试2中x轴方向振动速度v
x-t图。
23.图8为测试2中y轴方向振动速度的v
y-t图。
24.图9为测试2中沿纵向振动速度的v
l-t图。
25.附图中标记的含义如下：1、激光发射装置，2、直角反射镜，3、坐标测量装置，4、分光镜，5、凸透镜，6、激光测距仪。
具体实施方式
26.以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
27.一种地下洞室爆破地震波监测方法，包括对地下洞室的室顶进行沿水平方向的振动速度的测量vs、沿纵向的振动速度的测量v
l
。
28.方法为：在室顶悬置直角反射镜，直角反射镜的反射镜面正对室底。
29.在室底设置激光发射装置，激光发射角度为沿纵向向上，激光经直角反射镜的二次反射后，回射激光再沿纵向向下。
30.a、通过坐标测量装置分别测量爆破震前和震后的回射激光的坐标，以获得震前和震后的回射激光的光偏位移
△
s，结合时间间隔
△
t，基于速度公式vs=
△
s/2
△
t（1），计算得出地震波沿水平方向的振动速度vs，即，如图1所示光路原理，当直角反射镜随保护目标（室顶）水平移动一段距离s1时，反射回来的激光点在坐标测量装置上移动2s1的距离，而激光从发射器出来到坐标测量装置走过的距离相同。
31.为了便于同时测量沿纵向的振动速度，沿回射激光的光路，设置相对回射激光为45
°
倾角的分光镜，使得分光镜反射出部分回射激光为第一光束，第一光束再由坐标测量装置接收。
32.其中，坐标的建立：以角反射镜的直角与室顶的连接点为圆点，以水平的任一方向为x轴方向，建立x-y水平坐标系；优选的，x轴指向爆破方向；经分光镜反射后，可同时将x-y水平坐标系折向为坐标测量装置的沿纵向的x
’‑
y’坐标系，即坐标测量装置的检测的坐标。
33.基于坐标，水平方向的振动速度可分为沿x轴方向的振动速度v
x
和沿y轴方向的振动速度vy，其中，v
x
=
△sx
/2
△
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（3）vy=
△
sy/2
△
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（4）式中，
△sx
为沿水平x轴的激光的光偏位移，
△
sy为沿水平y轴的激光的光偏位移。
34.实际测量时，可以一定的频率对第一光束进行采样，获得一系列采样数据，进而：v
x
=
△sx
/2
△
t =（x
i+1-xi）/2（t
i+1-ti）
ꢀꢀꢀ
（5）vy=
△
sy/2
△
t=（y
i+1
‑ꢀ
yi）/2（t
i+1-ti）
ꢀꢀꢀ
（6）式中，x
i+1
、xi为采样序列中相邻两个坐标的x分量；y
i+1
、yi为采样序列中相邻两个坐标的y分量，t
i+1
、ti为采样序列中相邻两个采样时间。
35.b、沿回射激光的光路，在分光镜之后设置凸透镜，由凸透镜汇聚回射激光经分光
镜折射出的第二光束，第二光束由激光测距仪接收并测量光程l，进而获得震前和震后的光程差
△
l。
36.即，如图2所示光路原理，当直角反射镜随保护目标（室顶）一起垂直移动一段距离s2，反射回来的激光点在坐标测量装置上的位置不动，而激光从发射器出来到坐标测量装置走过的距离增加2s2。
37.同理，基于速度公式v
l
=
△
l/2
△
t（2），获得纵向的振动速度v
l
。
38.同上，激光测距仪可以一定的频率对第二光束进行采样，优选的，该采样频率与坐标测量装置的采样频率相同并同步，获得一系列采样数据，进而：v
l
=
△
l/2
△
ti= （l
i+1
‑ꢀ
li）/2（t
i+1-ti）
ꢀꢀꢀ
（7）式中，l
i+1
、 li为采样序列中相邻采样的l分量。
39.c、如图3所示，当直角反射镜随保护目标（室顶）分别进行水平、纵向移动时：即，当直角反射镜随保护目标一起水平移动距离s1时，激光经45
°
放置的分光镜照射到坐标测量装置上，且光点移动2s1的距离。
40.当直角反射镜随保护目标一起垂直移动距离s2时，激光经分光镜照射到激光测距仪上。激光从激光发射装置出来经直角反射镜、分光镜、凸透镜到达激光测距仪走过的路程增加2s2。
41.凸透镜的作用是当直角反射镜水平移动时，径角反射回来的激光会左右移动，但经过凸透镜后会会聚，便于接收。
42.相应的，适用的地下洞室爆破地震波监测装置，由激光发射装置、角反射镜、分光镜、坐标测量装置、凸透镜、激光测距仪组成。
43.其中，角反射镜悬设于室顶；激光发射装置设于室底，激光发射角度为沿纵向正对角反射镜；分光镜设于回射激光的光路；坐标测量装置接收并测量经分光镜反射的回射激光的第一光束的坐标；凸透镜汇聚分光镜折射的回射激光的第二光束；激光测距仪接收第二光速并基于第二光束测量光程。
实施例
44.激光测距仪选用雷测科技生产的lh3000双频激光干涉仪，参数如下：量程：40m；采样：100khz；精度：16微米。
45.激光发射装置利用激光测距仪的激光，不再另设激光发射装置。
46.坐标测量装置aunion生产的cb019mg-lx-x8g3 cmos 传感器，参数如下：量程：15mm；采样率：2000hz；精度：10微米。
47.以某抽水蓄能电站涵洞为例（位于江苏省句容市），设备洞内高12米，与邻洞间隔墙厚20m。邻洞爆破开挖时，在设备洞内同时布设传统爆破振动测试仪（成都泰测blast型爆破测试仪，布置在洞室顶部）和本专利设备，为方便数据对比，采样频率统一取1khz，测试结果测试1如图4-6所示，测试2如图7-9所示，其中x轴均指向爆破位置。
48.通过数据比对，可见，本发明测得的结果与传统测量方法得到的结果比较吻合，证明本专利可以用于实际爆破振动测试。
49.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的
技术方案，均落在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种地下洞室爆破地震波监测方法，其特征在于，包括对地下洞室的室顶沿水平方向和/或沿纵向的振动速度的测量，方法为：于室顶悬置角反射镜，于室底向角反射镜发射并接收回射激光，获取震前和震后的回射激光的光偏位移
△
s、光程差
△
l及时间间隔
△
t；利用速度公式：根据光偏位移
△
s获得沿水平方向的振动速度v
s
，根据光程差
△
l获得沿纵向的振动速度v
l
。2.根据权利要求1所述的一种地下洞室爆破地震波监测方法，其特征在于，所述角反射镜为直角反射镜；则，沿水平方向的振动速度v
s
=
△
s/2
△
t
ꢀꢀꢀꢀꢀ
（1），沿纵向的振动速度v
l
=
△
l/2
△
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（2）。3.根据权利要求2所述的一种地下洞室爆破地震波监测方法，其特征在于，以角反射镜的直角与室顶的连接点为圆点，以水平的任一方向为x轴方向，建立x-y水平坐标系；所述水平方向的振动速度包括沿x轴方向的振动速度v
x
和沿y轴方向的振动速度v
y
，其中，v
x
=
△
s
x
/2
△
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（3）v
y
=
△
s
y
/2
△
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（4）式中，
△
s
x
为沿水平x轴的激光的光偏位移，
△
s
y
为沿水平y轴的激光的光偏位移。4.根据权利要求1所述的一种地下洞室爆破地震波监测方法，其特征在于，利用分光镜反射回射激光，再利用坐标测量装置获取经分光镜反射的第一光束的坐标；基于坐标获取震前和震后的回射激光的光偏位移
△
s。5.根据权利要求4所述的一种地下洞室爆破地震波监测方法，其特征在于，所述分光镜相对回射激光的倾角为45
°
。6.根据权利要求4所述的一种地下洞室爆破地震波监测方法，其特征在于，所述回射激光透过分光镜的第二光束，经凸透镜汇聚，由激光测距仪接收后测得震前和震后的回射激光的光程差
△
l。7.一种地下洞室爆破地震波监测装置，其特征在于，适用于权利要求1所述的检测方法，包括激光发射装置、角反射镜、分光镜、坐标测量装置、凸透镜、激光测距仪；所述角反射镜悬设于室顶，所述激光发射装置设于室底，激光发射角度为沿纵向正对角反射镜；所述分光镜沿回射激光的光路设置；所述坐标测量装置，用于接收并测量经分光镜反射的回射激光的第一光束的坐标；所述凸透镜用于汇聚透过分光镜的回射激光的第二光束；所述激光测距仪，用于接收第二光速并基于第二光束测量光程。8.根据权利要求7所述的一种地下洞室爆破地震波监测装置，其特征在于，所述坐标测量装置以一定的频率对第一光束进行采样；v
x
=
△
s
x
/2
△
t =（x
i+1-x
i
）/2（t
i+1-t
i
）
ꢀꢀꢀ
（5）v
y
=
△
s
y
/2
△
t=（y
i+1
‑ꢀ
y
i
）/2（t
i+1-t
i
）
ꢀꢀꢀ
（6）式中，x
i+1
、x
i
为采样序列中相邻两个坐标的x分量；y
i+1
、y
i
为采样序列中相邻两个坐标的y分量，t
i+1
、t
i
为采样序列中相邻两个采样时间。
9.根据权利要求8所述的一种地下洞室爆破地震波监测装置，其特征在于，所述激光测距仪以和坐标测量装置相同的频率对第二光束进行采样；v
l
=
△
l/2
△
t
i
= （l
i+1
‑ꢀ
l
i
）/2（t
i+1-t
i
）
ꢀꢀꢀ
（7）式中，l
i+1
、 l
i
为采样序列中相邻采样的l分量。

技术总结
本发明的地下洞室爆破地震波监测方法和装置，包括对地下洞室的室顶沿水平方向和/或沿纵向的振动速度的测量；于室顶悬置角反射镜，于室底向角反射镜发射并接收回射激光，获取震前和震后的回射激光的光偏位移、光程差及时间间隔；利用速度公式获得沿水平方向的振动速度和沿纵向的振动速度。其利用直角反射镜反射回射向室顶的激光，利用激光在反射过程中随直角反射镜的位移而产生的光程差、光偏位移，间接测量固定直角反射镜的室顶的波动速度；利用分光镜的折射和反射形成两路光路，以分别进行光程差、光偏位移的测量；通过凸透镜解决综合测量时因光偏位移而导致的测量光程差时光束偏移。结构简单，易于操作，具有很强的实用性和广泛的适用性。和广泛的适用性。和广泛的适用性。


技术研发人员：刘迪 陈顺禄 程建辉 顾云 王海涛 王静 徐静 周宇峰 吴红晓 张赛 刘勤杰 孙飞 宋朋
受保护的技术使用者：南京君缘科爆工程技术有限公司
技术研发日：2023.03.21
技术公布日：2023/7/7