新型煤礦井下單分量無纜地震儀研制

李 淵

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

槽波地震勘探是利用在煤層中激發(fā)和傳播的導(dǎo)波，探查煤層內(nèi)的小斷層、陷落柱、煤層分叉與變薄帶、矸石層分布、采空區(qū)及廢棄巷道等地質(zhì)異常的一種地球物理探測方法[1-4]。其在探測精度、距離、抗干擾性以及后期構(gòu)造異常的識別上具有顯著優(yōu)勢，是目前煤礦井下最為有效的小構(gòu)造探測方法。近年來，越來越多的科研工作者投身到煤礦井下槽波地震勘探的相關(guān)研究，中煤科工集團(tuán)西安研究有限公司技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊[5-7]利用透射和反射槽波探測煤礦采空區(qū)，使得槽波探測技術(shù)得以快速推廣。但由于煤礦井下工況環(huán)境復(fù)雜，施工作業(yè)環(huán)境受限，地面成熟的地震勘探類儀器設(shè)備無法直接應(yīng)用到井下，煤礦井下的槽波地震勘探類儀器的發(fā)展相對滯后。2013 年中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司自主研制出YTZ3 礦用地震儀，該儀器主要由地震檢波器、采集分站、GPS 授時裝置、震源同步觸發(fā)裝置等構(gòu)成，并取得了煤安防爆認(rèn)證，目前已在近400個工作面成功應(yīng)用[8-12]。

在YTZ3 礦用地震儀大面積推廣應(yīng)用過程中，發(fā)現(xiàn)其存在如下幾點不足：①YTZ3 礦用地震儀與檢波器之間通過線纜連接，不僅噪聲干擾易通過電纜引入采集分站，而且在多道數(shù)地震數(shù)據(jù)采集的情況下，仍需要布設(shè)大量線纜，費時費力施工效率不高，另外，線纜的定期檢修也需投入大量的人力物力，使用成本偏高。② 以走向1 000 m 的工作面槽波透射探測為例，按照10 m 道距布設(shè)100 道，YTZ3礦用地震儀采集系統(tǒng)雖沒有中央控制站、中繼站等，但整體質(zhì)量仍達(dá)190 kg，運輸成本高昂。③YTZ3礦用地震儀采用三通道設(shè)計以滿足三分量采集的需求，但查閱大量相關(guān)文獻(xiàn)表明，單通道已能完全滿足現(xiàn)階段煤礦井下槽波探測的要求[13-15]。

鑒于上述原因，研制一款滿足本安防爆的要求，具有一體化、單站單道、獨立工作、連續(xù)采集記錄、無線纜的束縛、輕巧便攜的礦用單分量無纜地震儀，以滿足現(xiàn)階段煤礦井下高精度槽波地震探測技術(shù)的發(fā)展要求。

1 礦用單分量無纜地震儀設(shè)計

1.1 系統(tǒng)目標(biāo)

為了滿足煤礦井下高精度槽波地震探測技術(shù)的施工要求，所設(shè)計的礦用單分量無纜地震儀應(yīng)從以下2 個主要方面考慮。

①本安防爆 儀器電源部分須采用本質(zhì)安全型電路設(shè)計，滿足GB 3836.1—2010《爆炸性環(huán)境第1 部分：設(shè)備 通用要求》和 GB 3836.4—2010《爆炸性環(huán)境第 4 部分：由本質(zhì)安全型“i”保護(hù)的設(shè)備》的相關(guān)規(guī)定。

② 性能優(yōu)越 煤礦井下工況環(huán)境復(fù)雜，儀器必須具有較高的抗電磁干擾能力，高分辨率，大動態(tài)范圍，高穩(wěn)定性，高可靠性和具有較長工作時間的特點，設(shè)計主要技術(shù)參數(shù)見表1。

1.2 系統(tǒng)整體設(shè)計

按照地震儀的功能需求，礦用單分量無纜地震儀主要由地震儀采集分站與手持式授時終端兩部分組成，如圖1 所示。

圖1 礦用單分量無纜地震儀硬件系統(tǒng)框圖Fig.1 Hardware system diagram of the single-component non-cable seismograph

手持式授時終端首先在地面對各采集分站進(jìn)行授時，建立時間同步基準(zhǔn)，實現(xiàn)各采集分站與基準(zhǔn)時鐘的精確同步，并根據(jù)槽波施工的具體要求，對各采集分站進(jìn)行統(tǒng)一的參數(shù)配置，實現(xiàn)采樣速率、增益、采樣開始時間、采樣持續(xù)時間的集中設(shè)置。各采集分站根據(jù)預(yù)設(shè)的采集時間開始工作，并根據(jù)先前設(shè)定的參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行地震波數(shù)據(jù)的連續(xù)采集與實時存儲，到達(dá)預(yù)設(shè)的采樣結(jié)束時間后，停止工作。采集完成后，手持式授時終端可實現(xiàn)對采集分站的單臺數(shù)據(jù)回傳也可建立局域網(wǎng)實現(xiàn)各采集分站數(shù)據(jù)的統(tǒng)一回傳[16-18]。

按照預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)，所設(shè)計的礦用單分量無纜地震儀將動圈檢波器與采集電路、授時控制電路以及電源電路一同集成在一個完整的腔體中，殼體可直接固定在錨桿上，徹底擺脫線纜束縛，大幅降低整機(jī)質(zhì)量，施工作業(yè)人員數(shù)量及運輸成本顯著下降，施工效率得到提高。

2 硬件設(shè)計

2.1 本安電源部分

電源電路的設(shè)計必須符合GB 3836.1—2010《爆炸性環(huán)境 第 1 部分：設(shè)備 通用要求》和GB 3836.4—2010《爆炸性環(huán)境 第 4 部分：由本質(zhì)安全型“i”保護(hù)的設(shè)備》的相關(guān)規(guī)定要求，滿足系統(tǒng)目標(biāo)需求。即通過兩級電源管理芯片MAX14571 對輸出電流進(jìn)行限制，并經(jīng)過兩級限壓限流保護(hù)，輸出本安電壓、電流驅(qū)動后級負(fù)載。這種組合方式具有保護(hù)電路簡單、功耗小、限壓限流值可精確控制的特點[19-20]。電源部分的兩級保護(hù)電路原理圖如圖2 所示。6.5 V 電壓作為保護(hù)電路的輸入Uin，第一級保護(hù)電路限壓值為7 V，欠壓值為6 V，限流值為300 mA，第二級限壓值為5.5 V，欠壓值為4 V，限流值為200 mA。主控芯片外接電阻R2、R6、R4、R9 確定過壓保護(hù)值，R3、R7、R5、R10 確定欠壓保護(hù)值，R8、R11 確定限流保護(hù)值，即一旦電流值大于電流閾值，芯片則會在20.7 ms 后關(guān)斷，保護(hù)機(jī)制啟動。EN 端和RIEN 端兩個使能端均接至3.3 V高電平，喚醒芯片使其器件工作正常。另外，C1、C2、C3、C4 為旁路電容，限制發(fā)生瞬間短路時的輸入電壓的跌落，以維持器件的穩(wěn)定工作。

圖2 兩級保護(hù)電路原理Fig.2 Two-stage protection circuit

礦用單分量無纜地震儀采用電池供電，經(jīng)測試整機(jī)功耗不足2 W，為使儀器續(xù)航時間可達(dá)預(yù)期設(shè)計的10 h 以上，因此，系統(tǒng)選用3.2 V/3.8 A·h 兩串一并的26650 磷酸鐵鋰電池供電。

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

單分量無纜地震儀的采集系統(tǒng)，采用模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)完全隔離的設(shè)計，以避免電磁干擾對于測量結(jié)果的影響。采集部分由低通濾波電路、程控放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路以及數(shù)字濾波電路組成。模擬信號輸入通過低通濾波電路，濾除高頻噪聲完成對信號的初步調(diào)理，再通過程控放大器對有效信號進(jìn)行放大，經(jīng)濾波后的地震信號最終由A/D 完成采樣，送入中央控制單元。

地震儀中央控制部分采用STM32F103 系列芯片，該芯片內(nèi)核基于高性能的ARM CorteX-M4 型的32 位RISC 核,其最高運行頻率72 MHz，內(nèi)置512 kB Flash 和64 kB SRAM，并擁有豐富的I/O端口，支持 SPI、IIC、UART、USB、CAN 等多種通信接口，具有2 個通用16 位定時器、3 個通用同步/異步收發(fā)器等多種功能，可穩(wěn)定工作于–40～105℃的工業(yè)溫度范圍，系統(tǒng)功耗較低，完全滿足煤礦井下復(fù)雜工況下槽波探測的需要。

采集部分采用 32 位 Δ-Σ 型模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1282，其電路連接如圖3 所示。Δ-Σ 型轉(zhuǎn)換器是一種通過采樣技術(shù)和噪聲整形技術(shù)相結(jié)合的A/D，將量化噪聲分配到更高的帶寬之中，使原始帶寬內(nèi)的量化噪聲降低，降低信號的失真度，從而保證地震數(shù)據(jù)采集的高精度[21-23]。另外ADS1282 還具有PGA 可調(diào)，可編程放大器的特點；并且分辨率較高，250 Hz 時可達(dá)到130 dB，輸入信號可以達(dá)到納伏級；功耗極低，工作時最低為17 mW，非工作模式僅為0.09 mW，完全可以保證地震數(shù)據(jù)采集的高精度。數(shù)字化后的信號通過A/D 內(nèi)部SINC、FIR 和IIR 濾波器完成對數(shù)據(jù)的整形抽樣得到最終的信號，并通過SPI 接口送入CorteX-M4 型STM32 處理器。

圖3 ADS1282 電路連接Fig.3 ADS1282 circuit diagram

2.3 授時同步系統(tǒng)

地震采集系統(tǒng)對各個采集單元間的時間同步性要求較高，只有實現(xiàn)同步采集才能保證地震數(shù)據(jù)的可用性。本次研制時考慮到時間同步的精準(zhǔn)性、造價成本以及后續(xù)工作方式等因素，采用較為常見的GPS(Global Positioning System)同步授時技術(shù)，并設(shè)計了手持式授時終端[24-26]。授時采集終端內(nèi)部的時統(tǒng)電路采用基于瑞士U-BLOX 的授時芯片LEA-5T 為核心的電路設(shè)計，其電路連接如圖4 所示。授時系統(tǒng)將GPS 接收機(jī)和授時系統(tǒng)融為一個整體，系統(tǒng)集成度高，具有很強(qiáng)的信號接收捕獲能力，最低可探測–160 dBm 的信號，首次定位時間為1 s(熱啟動)，授時精度補(bǔ)償后可達(dá)到15 ns。系統(tǒng)具有信號敏感、授時快、精度高的特點，并可在惡劣氣候下實現(xiàn)單衛(wèi)星授時。授時儀利用GPS 高精度時鐘作為同步信號，把GPS 模塊輸出的秒脈沖和時間信息推送到各個采集單元，采集分站內(nèi)置的GPS 模塊完成對GPS 信號的接收，通過解析GPS數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的時間信息，將時間信息附到每一個數(shù)據(jù)文件頭部，即數(shù)據(jù)采集的起始時間對應(yīng)GPS 秒脈沖信號(PPS)的信號上升沿，間隔整秒出現(xiàn)一次秒脈沖信號的上升沿，此后的時鐘精度靠各自時鐘電路維持至數(shù)據(jù)采集結(jié)束。系統(tǒng)采用頻率為50 MHz，頻差為±25×10–6Hz 數(shù)字溫度補(bǔ)償晶振OX3241 完成，晶振經(jīng)過其分頻處理輸出時鐘模塊需要的頻率，并為ARM 內(nèi)核提供基準(zhǔn)頻率信號，穩(wěn)定度高，完全滿足礦井地震儀同步要求。

現(xiàn)在，生活條件好了，只要是下雨天，農(nóng)民們穿著色彩各異的塑料雨衣在田間地頭穿梭，像一朵朵移動的小花。農(nóng)村再也見不到蓑衣的蹤影。

圖4 LEA-5T 電路連接Fig.4 LEA-5T circuit diagram

3 軟件設(shè)計

3.1 授時終端專用軟件

地震儀手持式終端采用Android 操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)是基于 Linux 平臺的、開源的、智能手機(jī)操作系統(tǒng)，其具有優(yōu)秀的人機(jī)交互界面、豐富可利用的開發(fā)資源[27-28]。地震儀手持式授時終端專用軟件APP 使用專業(yè)Android 軟件開發(fā)工具Android Studio 進(jìn)行設(shè)計，軟件的界面簡潔美觀，可實現(xiàn)GPS 授時、曲線數(shù)據(jù)查看、設(shè)備參數(shù)配置以及數(shù)據(jù)上傳4 個功能。

3.2 地震儀下位機(jī)軟件

圖5 是地震儀采集系統(tǒng)下位機(jī)的軟件流程圖。系統(tǒng)開機(jī)后首先對各個功能端口進(jìn)行初始化自檢，完成GPS 數(shù)據(jù)的命令、配置等接收信息解析，并預(yù)先設(shè)定采集開始時間，當(dāng)系統(tǒng)到達(dá)采樣時間，系統(tǒng)進(jìn)入采樣工作環(huán)節(jié)，實現(xiàn)連續(xù)采樣與實時存儲，當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)設(shè)的采樣結(jié)束時間后，則系統(tǒng)停止采樣。

圖5 系統(tǒng)流程圖Fig.5 System flowchart

4 系統(tǒng)測試

經(jīng)過系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計以及整體系統(tǒng)安裝調(diào)試，得到單站單道地震儀的原型樣機(jī)如圖6所示，尺寸大小103 mm×90 mm，質(zhì)量約為580 g，滿足1.1 節(jié)中的設(shè)計目標(biāo)。對于礦用單分量無纜地震儀的采集性能，在實驗室分別對本底噪聲、信號一致性、動態(tài)范圍等參數(shù)進(jìn)行了逐一測試，其各項指標(biāo)達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)[29]。

圖6 地震儀整機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.6 The structure of the seismograph

4.1 本底噪聲測試

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的本底噪聲測試時，將該地震儀輸出端短接，進(jìn)行采集。儀器采用默認(rèn)參數(shù)：采樣間隔為0.25 ms，放大倍數(shù)為10，采集時間為1 min。采集到的最大值即為地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的本底噪聲，并取任意2 048 個點作圖，測量的均方差為1.12 μV，符合設(shè)計要求。其波形如圖7 所示。

圖7 本底噪聲測試Fig.7 Background noise test

4.2 信號一致性測試

隨機(jī)抽取1 號、3 號2 臺單分量無纜地震儀，儀器IP 號分別為192.168.1.6 和192.168.1.8。設(shè)置儀器的采樣間隔1 ms，放大倍數(shù)×1，采集時間1 min。同時接入同一臺信號源，信號源信號頻率為20 Hz，幅值為1 V(峰峰值)的正弦信號，進(jìn)行模擬采集試驗，二者接收波形如圖8 所示?？v軸為樣點數(shù)(共4 000 點)，橫軸為電壓，單位為V。

圖8 信號一致性測試Fig.8 Signal consistency test

經(jīng)測算振幅一致性不高于0.5%，且波形無失真、無畸變，沒有引入噪聲，由此說明儀器性能符合設(shè)計要求。

4.3 動態(tài)范圍

根據(jù)動態(tài)范圍定義，按照下式進(jìn)行計算。

測試系統(tǒng)選用Agilent 公司生產(chǎn)的33120A 數(shù)字式函數(shù)信號發(fā)生器，其在10 Hz～10 kHz 時其失真度指標(biāo)為0.000 1%，函數(shù)發(fā)生器連接地震儀采集端，設(shè)置地震儀采樣間隔設(shè)置為1 ms(采樣率1 kHz)，放大倍數(shù)×1，采集時間1 min，在地震儀接收端輸入頻率 20 Hz，幅度為2.5 V 的正弦信號，進(jìn)行模擬采集試驗，測得主機(jī)接收電壓幅值為2.496 V，能識別的最小電壓幅值為1.12 μV，最終測得出儀器的動態(tài)范圍為127 dB，符合設(shè)計指標(biāo)的要求。

4.4 現(xiàn)場試驗

在野外將1 臺礦用單分量無纜地震儀和3 臺YTZ3 礦用地震儀進(jìn)行采集性能對比試驗，2 種不同地震儀布置于半徑為3 m 的圓上，以錘擊點為圓心,保證耦合良好，儀器布置如圖9a 所示。試驗采用錘擊方式激發(fā)，儀器采樣率均設(shè)置為4 000 Hz，采集時間和采集時長保持一致，錘擊3 次進(jìn)行一致性對比試驗，對比試驗的疊加記錄如圖9b 所示。由圖9b 可知，礦用單分量無纜地震儀在波形的初至?xí)r間、起跳方向、振幅響應(yīng)和YTZ3 礦用地震儀一致，結(jié)果說明，儀器性能滿足實際生產(chǎn)要求。

圖9 對比試驗Fig.9 The comparison test

5 結(jié)論

a.研制的礦用單分量無纜地震儀，將動圈檢波器與采集控制電路、時間精度保持電路以及電源電路一同集成在一個完整的腔體中，實現(xiàn)了采集分站與檢波器高度集成化，觀測系統(tǒng)設(shè)計與布置更加靈活輕便，擺脫了施工線纜的束縛。

b.采集系統(tǒng)將電路部分與檢波器集成在同一殼體中，可直接固定在錨桿上，尺寸為103 mm×90 mm，質(zhì)量約580 g。系統(tǒng)徹底擺脫線纜束縛，大幅降低整機(jī)重量，極大地降低了施工成本，提高了施工作業(yè)效率。

c.手持式授時終端可實現(xiàn)對地面多臺地震儀的同步授時，建立時間同步基準(zhǔn)，實現(xiàn)各采集分站與基準(zhǔn)時鐘的精確同步，并且根據(jù)井下施工要求，對地震儀配置采集參數(shù)，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)文件查看等數(shù)據(jù)管理功能。

d.本文研制的新型煤礦井下單分量無纜地震儀，以其高精度、高集成度化、輕量化的特點改變了煤礦井下槽波地震探測的工作模式，可廣泛應(yīng)用于煤礦井下復(fù)雜工況環(huán)境下的大道數(shù)、高密度、寬方位的地震勘探工程中。

致謝：中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司趙朋朋、樊依林參與了文中的部分工作，在此一并致謝！