礦井延時震源同步采集裝置設(shè)計(jì)

崔偉雄

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

0 引言

在煤礦井下地震勘探中，通常使用發(fā)爆器產(chǎn)生高電壓來起爆預(yù)埋在淺孔中的電雷管及炸藥，從而產(chǎn)生人工震源，激發(fā)地震波進(jìn)行構(gòu)造探測。保證炸藥震源爆炸時間與開始數(shù)據(jù)采集的時間一致是地震數(shù)據(jù)采集中極為重要的工作之一[1-2]，兩者能否準(zhǔn)確同步，直接影響礦井地震勘探資料的后續(xù)處理效果和解釋精度，進(jìn)而對礦井地震勘探成果的準(zhǔn)確性造成影響[3-4]。

現(xiàn)有的炸藥震源同步觸發(fā)方式主要分為3種：① 常規(guī)地面地震勘探采用的觸發(fā)器方式，存在誤觸發(fā)、不觸發(fā)或不同步的現(xiàn)象，并且觸發(fā)器不是本質(zhì)安全型，無法在煤礦井下使用[5]。② 利用炸藥爆炸時炸斷觸發(fā)線纜的方式取得觸發(fā)信號，可能存在觸發(fā)線纜未炸斷或炸斷時因延時導(dǎo)致不觸發(fā)或不同步現(xiàn)象[6]。③ 通過電磁感應(yīng)、光電效應(yīng)等方式取得發(fā)爆器起爆同步感應(yīng)信號[7-8]，實(shí)現(xiàn)同步數(shù)據(jù)采集，對于地面地震勘探專用瞬發(fā)電雷管，其同步精度較高，但不適用于井下環(huán)境。

按照《煤礦安全規(guī)程》，在采掘工作面進(jìn)行爆破作業(yè)時，必須使用煤礦許用瞬發(fā)電雷管或煤礦許用毫秒延期電雷管[9-10]。在礦井條件下，電雷管從通電到起爆的延時長短不同。不同電雷管之間的延時時差將會直接影響礦井地震勘探數(shù)據(jù)采集時間的同步性和一致性。現(xiàn)有同步觸發(fā)方式只記錄或感應(yīng)發(fā)爆器起爆電雷管的時刻，未考慮不同電雷管從通電到起爆炸藥的延時時差，很難保證礦井地震勘探數(shù)據(jù)采集時刻與炸藥爆炸時刻的精準(zhǔn)同步，不能根本解決延時炸藥震源數(shù)據(jù)同步采集問題。因此，需要研究適用于延時炸藥震源的同步采集裝置或方法，為礦井地震連續(xù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的時間。

本文在感應(yīng)式同步觸發(fā)方式的基礎(chǔ)上，分析了現(xiàn)有裝置產(chǎn)生同步時差的原因，設(shè)計(jì)了礦井延時震源同步采集裝置。利用礦用節(jié)點(diǎn)式地震儀精準(zhǔn)的時間記錄能力[11]，在炮孔附近放置參考道，將近場震動拾震器引入同步采集裝置，實(shí)現(xiàn)發(fā)爆器脈沖電信號和炸藥起爆信號的準(zhǔn)確記錄，校正數(shù)據(jù)采集過程中單炮的延遲時間，提高了礦井地震勘探數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。

1 同步時差的產(chǎn)生

我國煤礦許用瞬發(fā)電雷管從通電到起爆的時間間隔一般為10 ms，但每個電雷管的具體延遲時間無法確定。一些特殊礦井(存在瓦斯或煤塵爆炸危險的采掘工作面)使用煤礦許用毫秒延期電雷管進(jìn)行爆破作業(yè)[12]，毫秒延期電雷管在通入足夠的電流后延遲若干毫秒爆炸。這種電雷管根據(jù)延時長短分5段，相鄰段時間間隔約為25 ms，見表1。若同段使用，最大延時時差為30 ms；若跨段使用，則最大延時時差為125 ms。跨段使用的延時時差越大，對礦井地震數(shù)據(jù)采集精度的影響也越大。

表1 毫秒延期電雷管參數(shù)

無論是使用礦用瞬發(fā)電雷管還是礦用毫秒延期電雷管，不同電雷管從通電到起爆炸藥的延時時差均不同，導(dǎo)致礦井地震勘探數(shù)據(jù)采集時刻與炸藥爆炸時刻不能精準(zhǔn)同步，產(chǎn)生同步時差。在實(shí)際地震數(shù)據(jù)中，同步時差不僅會使直達(dá)波相對雜亂，同相軸的時間截距更是無法歸零。通過數(shù)據(jù)處理雖然可在一定程度上減小誤差，但由于數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)上的先天不足，導(dǎo)致礦井地震勘探采集的原始數(shù)據(jù)不精確。

2 同步采集裝置原理及流程

2.1 裝置原理

同步采集裝置由整形電路、電流互感器和近場震動拾震器組成，如圖1所示。將爆破母線的任意一條導(dǎo)線穿過電流互感器磁環(huán)內(nèi)孔后引出同步采集裝置，爆破母線的一端連接起爆藥卷，另一端與發(fā)爆器相連形成起爆網(wǎng)路。為了記錄電雷管起爆炸藥的延遲時間，將同步采集裝置與1臺礦用節(jié)點(diǎn)式地震儀連接[13-14]。利用礦用節(jié)點(diǎn)式地震儀的數(shù)據(jù)連續(xù)采集功能和恒溫晶振的精準(zhǔn)守時功能，記錄電雷管觸發(fā)和炸藥延時爆炸的波形，進(jìn)而計(jì)算震源起爆的延遲時間。

圖1 同步采集裝置原理

2.2 同步流程

當(dāng)發(fā)爆器起爆時，發(fā)爆器起爆電雷管發(fā)出的高壓電流通過電流互感器作用產(chǎn)生感應(yīng)電流，再通過整形電路將感應(yīng)電流信號轉(zhuǎn)換成礦用節(jié)點(diǎn)式地震儀能夠識別的電壓脈沖信號，同時近場震動拾震器接收炸藥延時起爆產(chǎn)生的震動信號并傳輸給地震采集分站。地震采集分站以震動信號時間和脈沖信號時間作為地震數(shù)據(jù)同步時間的識別依據(jù)，單獨(dú)使用任一種信號，均會影響地震數(shù)據(jù)同步采集的可靠性和精度。

同步采集裝置流程如圖2所示。其中，t為時間變量,Δt為掃描步長，Δt可與單炮地震記錄的長度一致。

圖2 同步采集裝置流程

從地震采集分站中提取微秒級別的脈沖觸發(fā)時刻Ti(i=0,1,…,n,n為同步采集裝置記錄的總炮數(shù))，進(jìn)而得到Ti對應(yīng)的真實(shí)炸藥爆炸(數(shù)據(jù)開始采集)時刻T0i。利用T0i從礦井地震采集鏈中提取相應(yīng)的單炮記錄。將同步采集裝置應(yīng)用于分布式地震采集系統(tǒng)時，僅需計(jì)算電雷管延時ΔTi：

ΔTi=T0i-Ti

(1)

利用式(1)對原始單炮進(jìn)行延時校正就可以將實(shí)際采集的數(shù)據(jù)修正為精確無延時的地震記錄。

3 同步采集裝置設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

同步采集裝置需要放置在炮點(diǎn)附近使用，因此，要求外殼結(jié)實(shí)，安裝便捷。同步采集裝置主要包括錨桿連接孔、近場震動拾震器及固定腔體、整形電路板和同步信號電纜等，如圖3所示。

(a)俯視圖

錨桿連接孔截面為直徑27 mm的圓形，開孔深度為20 mm，用于將同步采集裝置固定在炮點(diǎn)附近的錨桿頭上，通過蝶形螺絲使開孔側(cè)與錨桿緊固耦接。這種安裝方式充分利用錨桿在巷道中均勻分布的特點(diǎn)，既能解決就近安裝的問題，又可方便、快捷、精準(zhǔn)地接收炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波信號。近場震動拾震器腔體緊鄰錨桿連接孔，用于接收近場爆破震動，其連接到整形電路后由RTV-133硫化硅橡膠膠封。近場震動拾震器內(nèi)置于同步采集裝置的堅(jiān)硬機(jī)殼，可降低炸藥震源附近爆破飛散物對近場震動拾震器的破壞，提高震動信號接收的可靠性和質(zhì)量。機(jī)殼的材料為尼龍，外表面采用防靜電噴漆工藝處理。機(jī)殼外壁上設(shè)置穿線孔，用于連通電流互感器磁環(huán)，使用時爆破母線穿過該孔形成脈沖電流互感器的一次繞組，分別連接發(fā)爆器和起爆藥卷。同步信號電纜一端與整形電路及近場震動拾震器連接，另一端通過連接插頭與礦用節(jié)點(diǎn)式地震儀連接。

3.2 整形電路設(shè)計(jì)

發(fā)爆器在爆破母線上產(chǎn)生高壓脈沖電流信號，其供電時間約為4 ms，最大輸出電流為5 A，脈沖電壓峰值為2 000～2 800 V，而礦用節(jié)點(diǎn)式地震儀只可采集-2.5～+2.5 V的低壓時變信號，不能直接接收發(fā)爆器產(chǎn)生的高壓信號，因此，同步采集裝置需要對高電壓進(jìn)行隔離并轉(zhuǎn)換成礦用地震儀能夠識別的低壓短時脈沖信號。

整形電路如圖4所示。為了適應(yīng)煤礦井下環(huán)境，同時規(guī)避安全隱患，采用穿心式電流互感技術(shù)隔離磁環(huán)線圈和放炮母線。爆破母線穿過電流互感器的內(nèi)環(huán)形成1匝的一次繞組，二次繞組采用多層平繞線形式內(nèi)置于環(huán)狀鐵氧體磁芯內(nèi)部。選擇高靈敏度的電流互感器以保證較好的電流傳變及限幅特性，整形電路中電流互感一端連接快速整流二極管D1，另一端并聯(lián)電阻R1和直插式電容C1，快速整流二極管D1、電阻R1、直插式電容C1的另一端通過電阻R2連接接線端子P1。

圖4 整形電路

爆破母線穿過電流互感器L1，當(dāng)爆破母線中有脈沖電流通過時，電流互感器的兩端會產(chǎn)生感應(yīng)電流；感應(yīng)電流通過電容C1和電阻R1后形成振蕩電流，通過接線端子P1就可以檢測到電阻R2上的電壓變化。為方便數(shù)據(jù)處理，爆破母線連接到同步采集裝置時不需要區(qū)分正負(fù)極?？焖僬鞫O管D1隔離了電流互感器L1感應(yīng)到C1上的電流，使C1和R1形成單獨(dú)的電流回路。電容C1通過電阻R1進(jìn)行放電，放電時間約為30 ms。放電期間，由電阻R2對P1端輸出的脈沖電壓信號進(jìn)行限流，使其電壓變化范圍保持在礦用節(jié)點(diǎn)式地震儀能夠識別的安全區(qū)間。

礦用節(jié)點(diǎn)式地震儀記錄的同步脈沖信號波形如圖5所示。從圖5可看出，電路產(chǎn)生的觸發(fā)信號幅度約為2.5 V，在礦用節(jié)點(diǎn)式地震儀的輸入電壓范圍(-2.5～2.5 V)內(nèi)。通過隔離高壓脈沖電流，提高了裝置的穩(wěn)定性和使用壽命。通過波形分析及儀器測定[15]得出，該同步采集裝置可在10 μs內(nèi)快速觸發(fā)，觸發(fā)持續(xù)時間約為30 ms，可滿足礦井地震勘探對同步采集設(shè)備的要求。

圖5 整形后的同步脈沖信號波形

4 性能測試

在煤礦井下槽波地震探測中測試同步采集裝置的精度及可靠性。使用第2段礦用毫秒延期電雷管制作起爆藥卷，將同步采集裝置安裝在炮孔附近的任意一根錨桿上，通過同步信號電纜與一臺礦用節(jié)點(diǎn)式地震儀連接。同步采集裝置向礦用節(jié)點(diǎn)式地震儀輸出發(fā)爆器起爆電雷管及炸藥爆炸的信號。通過對比礦井地震數(shù)據(jù)中接收到的這2個時間信號，評價同步采集裝置的時間同步效果。

地震采集分站實(shí)際記錄的2個延時炸藥震源爆炸后的波形如圖6所示，其中1、2道為激發(fā)點(diǎn)1的波形，3、4道為激發(fā)點(diǎn)2的波形。通過地震數(shù)據(jù)處理軟件將發(fā)爆器起爆電雷管的時刻對齊到10 ms，電雷管延時起爆炸藥的時間分別為45 ms和33.75 ms，電雷管間的延時差為11.25 ms。該時間為第2段毫秒延期電雷管的段內(nèi)延遲起爆誤差。用同步采集裝置獲取的震源延遲時間校正礦井地震單炮數(shù)據(jù)的采集時刻，可以消除毫秒延期電雷管的同步采集誤差，提高礦井地震勘探采集數(shù)據(jù)時間的精確性。

圖6 延時炸藥震源爆炸后的波形

5 結(jié)論

(1)分析了礦井地震勘探震源延遲引起的數(shù)據(jù)采集不同步的問題，將近場震動拾震器引入同步采集裝置，獲得了震源爆炸的精確延遲時間，提高了地震采集系統(tǒng)的同步精度。

(2)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，將同步采集裝置內(nèi)置于堅(jiān)固機(jī)殼，避免了炸藥震源附近爆破飛散物對近場震動拾震器的破壞，提高了近場震動拾震器的可靠性。采用穿心式電流互感技術(shù)實(shí)現(xiàn)了無源電路的設(shè)計(jì)，有效地解決了爆破母線與同步采集裝置連接問題，施工人員可在安全區(qū)域起爆炸藥震源。通過錨桿連接孔將同步采集裝置快速安裝固定于炮孔附近的錨桿上，充分利用了礦井巷道錨桿批量均勻分布的特點(diǎn)，既解決了同步采集裝置在炮孔附近就近安裝的問題，又可方便、快捷、精準(zhǔn)地接收近場地震沖擊波。

(3)同步采集裝置精度及可靠性測試結(jié)果表明，整形電路可在10 μs內(nèi)完成觸發(fā)，觸發(fā)信號幅度約為2.5 V，持續(xù)時間約為30 ms，性能指標(biāo)達(dá)到了地震波勘探同步采集設(shè)備的要求。