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(cè)方法[1-4]。其在探測(cè)精度、距離、抗干擾性以及后期構(gòu)造異常的識(shí)別上具有顯著優(yōu)勢(shì)，是目前煤礦井下最為有效的小構(gòu)造探測(cè)方法。近年來(lái)，越來(lái)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(duì)[5-7]利用透射和反射槽波探測(cè)煤礦采空區(qū)，使得槽波探測(cè)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(wú)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(duì)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(shí)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(gè)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(diǎn)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(fèi)時(shí)費(fèi)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(cè)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(yùn)輸成本高昂。③YTZ3礦用地震儀采用三通道設(shè)計(jì)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(cè)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(dú)立工作、連續(xù)采集記錄、無(wú)線纜的束縛、輕巧便攜的礦用單分量無(wú)纜地震儀，以滿足現(xiàn)階段煤礦井下高精度槽波地震探測(cè)技術(shù)的發(fā)展要求。

1 礦用單分量無(wú)纜地震儀設(shè)計(jì)

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(cè)技術(shù)的施工要求，所設(shè)計(jì)的礦用單分量無(wú)纜地震儀應(yīng)從以下2 個(gè)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(jì)，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(dòng)態(tài)范圍，高穩(wěn)定性，高可靠性和具有較長(zhǎng)工作時(shí)間的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

1.2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

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

圖1 礦用單分量無(wú)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(shí)終端首先在地面對(duì)各采集分站進(jìn)行授時(shí)，建立時(shí)間同步基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)各采集分站與基準(zhǔn)時(shí)鐘的精確同步，并根據(jù)槽波施工的具體要求，對(duì)各采集分站進(jìn)行統(tǒng)一的參數(shù)配置，實(shí)現(xiàn)采樣速率、增益、采樣開始時(shí)間、采樣持續(xù)時(shí)間的集中設(shè)置。各采集分站根據(jù)預(yù)設(shè)的采集時(shí)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(shí)時(shí)存儲(chǔ)，到達(dá)預(yù)設(shè)的采樣結(jié)束時(shí)間后，停止工作。采集完成后，手持式授時(shí)終端可實(shí)現(xiàn)對(duì)采集分站的單臺(tái)數(shù)據(jù)回傳也可建立局域網(wǎng)實(shí)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(jì)目標(biāo)，所設(shè)計(jì)的礦用單分量無(wú)纜地震儀將動(dòng)圈檢波器與采集電路、授時(shí)控制電路以及電源電路一同集成在一個(gè)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(yùn)輸成本顯著下降，施工效率得到提高。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 本安電源部分

電源電路的設(shè)計(jì)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(jí)電源管理芯片MAX14571 對(duì)輸出電流進(jìn)行限制，并經(jīng)過兩級(jí)限壓限流保護(hù)，輸出本安電壓、電流驅(qū)動(dòng)后級(jí)負(fù)載。這種組合方式具有保護(hù)電路簡(jiǎn)單、功耗小、限壓限流值可精確控制的特點(diǎn)[19-20]。電源部分的兩級(jí)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U(xiǎn)in，第一級(jí)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(jí)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(huì)在20.7 ms 后關(guān)斷，保護(hù)機(jī)制啟動(dòng)。EN 端和RIEN 端兩個(gè)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(shí)的輸入電壓的跌落，以維持器件的穩(wěn)定工作。

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

礦用單分量無(wú)纜地震儀采用電池供電，經(jīng)測(cè)試整機(jī)功耗不足2 W，為使儀器續(xù)航時(shí)間可達(dá)預(yù)期設(shè)計(jì)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(wú)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(jì)，以避免電磁干擾對(duì)于測(cè)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(hào)輸入通過低通濾波電路，濾除高頻噪聲完成對(duì)信號(hào)的初步調(diào)理，再通過程控放大器對(duì)有效信號(hào)進(jìn)行放大，經(jīng)濾波后的地震信號(hào)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(yùn)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(gè)通用16 位定時(shí)器、3 個(gè)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(cè)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(hào)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(diǎn)；并且分辨率較高，250 Hz 時(shí)可達(dá)到130 dB，輸入信號(hào)可以達(dá)到納伏級(jí)；功耗極低，工作時(shí)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(hào)通過A/D 內(nèi)部SINC、FIR 和IIR 濾波器完成對(duì)數(shù)據(jù)的整形抽樣得到最終的信號(hào)，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(shí)同步系統(tǒng)

地震采集系統(tǒng)對(duì)各個(gè)采集單元間的時(shí)間同步性要求較高，只有實(shí)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(shí)考慮到時(shí)間同步的精準(zhǔn)性、造價(jià)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(shí)技術(shù)，并設(shè)計(jì)了手持式授時(shí)終端[24-26]。授時(shí)采集終端內(nèi)部的時(shí)統(tǒng)電路采用基于瑞士U-BLOX 的授時(shí)芯片LEA-5T 為核心的電路設(shè)計(jì)，其電路連接如圖4 所示。授時(shí)系統(tǒng)將GPS 接收機(jī)和授時(shí)系統(tǒng)融為一個(gè)整體，系統(tǒng)集成度高，具有很強(qiáng)的信號(hào)接收捕獲能力，最低可探測(cè)–160 dBm 的信號(hào)，首次定位時(shí)間為1 s(熱啟動(dòng))，授時(shí)精度補(bǔ)償后可達(dá)到15 ns。系統(tǒng)具有信號(hào)敏感、授時(shí)快、精度高的特點(diǎn)，并可在惡劣氣候下實(shí)現(xiàn)單衛(wèi)星授時(shí)。授時(shí)儀利用GPS 高精度時(shí)鐘作為同步信號(hào)，把GPS 模塊輸出的秒脈沖和時(shí)間信息推送到各個(gè)采集單元，采集分站內(nèi)置的GPS 模塊完成對(duì)GPS 信號(hào)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(shí)間信息，將時(shí)間信息附到每一個(gè)數(shù)據(jù)文件頭部，即數(shù)據(jù)采集的起始時(shí)間對(duì)應(yīng)GPS 秒脈沖信號(hào)(PPS)的信號(hào)上升沿，間隔整秒出現(xiàn)一次秒脈沖信號(hào)的上升沿，此后的時(shí)鐘精度靠各自時(shí)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(shí)鐘模塊需要的頻率，并為ARM 內(nèi)核提供基準(zhǔn)頻率信號(hào)，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(dòng)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(jì)

3.1 授時(shí)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(tái)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(shí)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(jì)，軟件的界面簡(jiǎn)潔美觀，可實(shí)現(xiàn)GPS 授時(shí)、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(gè)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(duì)各個(gè)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(shí)間，當(dāng)系統(tǒng)到達(dá)采樣時(shí)間，系統(tǒng)進(jìn)入采樣工作環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)采樣與實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)設(shè)的采樣結(jié)束時(shí)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(cè)試

經(jīng)過系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)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(jì)目標(biāo)。對(duì)于礦用單分量無(wú)纜地震儀的采集性能，在實(shí)驗(yàn)室分別對(duì)本底噪聲、信號(hào)一致性、動(dòng)態(tài)范圍等參數(shù)進(jìn)行了逐一測(cè)試，其各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)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(cè)試

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的本底噪聲測(cè)試時(shí)，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(shí)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(gè)點(diǎn)作圖，測(cè)量的均方差為1.12 μV，符合設(shè)計(jì)要求。其波形如圖7 所示。

圖7 本底噪聲測(cè)試Fig.7 Background noise test

4.2 信號(hào)一致性測(cè)試

隨機(jī)抽取1 號(hào)、3 號(hào)2 臺(tái)單分量無(wú)纜地震儀，儀器IP 號(hào)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(shí)間1 min。同時(shí)接入同一臺(tái)信號(hào)源，信號(hào)源信號(hào)頻率為20 Hz，幅值為1 V(峰峰值)的正弦信號(hào)，進(jìn)行模擬采集試驗(yàn)，二者接收波形如圖8 所示。縱軸為樣點(diǎn)數(shù)(共4 000 點(diǎn))，橫軸為電壓，單位為V。

圖8 信號(hào)一致性測(cè)試Fig.8 Signal consistency test

經(jīng)測(cè)算振幅一致性不高于0.5%，且波形無(wú)失真、無(wú)畸變，沒有引入噪聲，由此說明儀器性能符合設(shè)計(jì)要求。

4.3 動(dòng)態(tài)范圍

根據(jù)動(dòng)態(tài)范圍定義，按照下式進(jìn)行計(jì)算。

測(cè)試系統(tǒng)選用Agilent 公司生產(chǎn)的33120A 數(shù)字式函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，其在10 Hz～10 kHz 時(shí)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(shí)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(hào)，進(jìn)行模擬采集試驗(yàn)，測(cè)得主機(jī)接收電壓幅值為2.496 V，能識(shí)別的最小電壓幅值為1.12 μV，最終測(cè)得出儀器的動(dòng)態(tài)范圍為127 dB，符合設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。

4.4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

在野外將1 臺(tái)礦用單分量無(wú)纜地震儀和3 臺(tái)YTZ3 礦用地震儀進(jìn)行采集性能對(duì)比試驗(yàn)，2 種不同地震儀布置于半徑為3 m 的圓上，以錘擊點(diǎn)為圓心,保證耦合良好，儀器布置如圖9a 所示。試驗(yàn)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(shí)間和采集時(shí)長(zhǎng)保持一致，錘擊3 次進(jìn)行一致性對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)比試驗(yàn)的疊加記錄如圖9b 所示。由圖9b 可知，礦用單分量無(wú)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(shí)際生產(chǎn)要求。

圖9 對(duì)比試驗(yàn)Fig.9 The comparison test

5 結(jié)論

a.研制的礦用單分量無(wú)纜地震儀，將動(dòng)圈檢波器與采集控制電路、時(shí)間精度保持電路以及電源電路一同集成在一個(gè)完整的腔體中，實(shí)現(xiàn)了采集分站與檢波器高度集成化，觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)終端可實(shí)現(xiàn)對(duì)地面多臺(tái)地震儀的同步授時(shí)，建立時(shí)間同步基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)各采集分站與基準(zhǔn)時(shí)鐘的精確同步，并且根據(jù)井下施工要求，對(duì)地震儀配置采集參數(shù)，并實(shí)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(wú)纜地震儀，以其高精度、高集成度化、輕量化的特點(diǎn)改變了煤礦井下槽波地震探測(cè)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！