礦井延時震源同步采集裝置設計

崔偉雄

(中煤科工集團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，通常使用發爆器產生高電壓來起爆預埋在淺孔中的電雷管及炸藥，從而產生人工震源，激發地震波進行構造探測。保證炸藥震源爆炸時間與開始數據采集的時間一致是地震數據采集中極為重要的工作之一[1-2]，兩者能否準確同步，直接影響礦井地震勘探資料的后續處理效果和解釋精度，進而對礦井地震勘探成果的準確性造成影響[3-4]。

現有的炸藥震源同步觸發方式主要分為3種：① 常規地面地震勘探采用的觸發器方式，存在誤觸發、不觸發或不同步的現象，并且觸發器不是本質安全型，無法在煤礦井下使用[5]。② 利用炸藥爆炸時炸斷觸發線纜的方式取得觸發信號，可能存在觸發線纜未炸斷或炸斷時因延時導致不觸發或不同步現象[6]。③ 通過電磁感應、光電效應等方式取得發爆器起爆同步感應信號[7-8]，實現同步數據采集，對于地面地震勘探專用瞬發電雷管，其同步精度較高，但不適用于井下環境。

按照《煤礦安全規程》，在采掘工作面進行爆破作業時，必須使用煤礦許用瞬發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據采集時間的同步性和一致性。現有同步觸發方式只記錄或感應發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據采集時刻與炸藥爆炸時刻的精準同步，不能根本解決延時炸藥震源數據同步采集問題。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，為礦井地震連續數據采集系統提供準確的時間。

本文在感應式同步觸發方式的基礎上，分析了現有裝置產生同步時差的原因，設計了礦井延時震源同步采集裝置。利用礦用節點式地震儀精準的時間記錄能力[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，實現發爆器脈沖電信號和炸藥起爆信號的準確記錄，校正數據采集過程中單炮的延遲時間，提高了礦井地震勘探數據采集的準確性。

1 同步時差的產生

我國煤礦許用瞬發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行爆破作業[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，對礦井地震數據采集精度的影響也越大。

表1 毫秒延期電雷管參數

無論是使用礦用瞬發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，導致礦井地震勘探數據采集時刻與炸藥爆炸時刻不能精準同步，產生同步時差。在實際地震數據中，同步時差不僅會使直達波相對雜亂，同相軸的時間截距更是無法歸零。通過數據處理雖然可在一定程度上減小誤差，但由于數據采集設計上的先天不足，導致礦井地震勘探采集的原始數據不精確。

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線穿過電流互感器磁環內孔后引出同步采集裝置，爆破母線的一端連接起爆藥卷，另一端與發爆器相連形成起爆網路。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臺礦用節點式地震儀連接[13-14]。利用礦用節點式地震儀的數據連續采集功能和恒溫晶振的精準守時功能，記錄電雷管觸發和炸藥延時爆炸的波形，進而計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

當發爆器起爆時，發爆器起爆電雷管發出的高壓電流通過電流互感器作用產生感應電流，再通過整形電路將感應電流信號轉換成礦用節點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據同步時間的識別依據，單獨使用任一種信號，均會影響地震數據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時刻Ti(i=0,1,…,n,n為同步采集裝置記錄的總炮數)，進而得到Ti對應的真實炸藥爆炸(數據開始采集)時刻T0i。利用T0i從礦井地震采集鏈中提取相應的單炮記錄。將同步采集裝置應用于分布式地震采集系統時，僅需計算電雷管延時ΔTi：

ΔTi=T0i-Ti

(1)

利用式(1)對原始單炮進行延時校正就可以將實際采集的數據修正為精確無延時的地震記錄。

3 同步采集裝置設計

3.1 結構設計

同步采集裝置需要放置在炮點附近使用，因此，要求外殼結實，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附近的錨桿頭上，通過蝶形螺絲使開孔側與錨桿緊固耦接。這種安裝方式充分利用錨桿在巷道中均勻分布的特點，既能解決就近安裝的問題，又可方便、快捷、精準地接收炸藥爆炸產生的沖擊波信號。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。近場震動拾震器內置于同步采集裝置的堅硬機殼，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量。機殼的材料為尼龍，外表面采用防靜電噴漆工藝處理。機殼外壁上設置穿線孔，用于連通電流互感器磁環，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點式地震儀連接。

3.2 整形電路設計

發爆器在爆破母線上產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，而礦用節點式地震儀只可采集-2.5～+2.5 V的低壓時變信號，不能直接接收發爆器產生的高壓信號，因此，同步采集裝置需要對高電壓進行隔離并轉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。為了適應煤礦井下環境，同時規避安全隱患，采用穿心式電流互感技術隔離磁環線圈和放炮母線。爆破母線穿過電流互感器的內環形成1匝的一次繞組，二次繞組采用多層平繞線形式內置于環狀鐵氧體磁芯內部。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，當爆破母線中有脈沖電流通過時，電流互感器的兩端會產生感應電流；感應電流通過電容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。為方便數據處理，爆破母線連接到同步采集裝置時不需要區分正負極?？焖僬鞫O管D1隔離了電流互感器L1感應到C1上的電流，使C1和R1形成單獨的電流回路。電容C1通過電阻R1進行放電，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行限流，使其電壓變化范圍保持在礦用節點式地震儀能夠識別的安全區間。

礦用節點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，電路產生的觸發信號幅度約為2.5 V，在礦用節點式地震儀的輸入電壓范圍(-2.5～2.5 V)內。通過隔離高壓脈沖電流，提高了裝置的穩定性和使用壽命。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內快速觸發，觸發持續時間約為30 ms，可滿足礦井地震勘探對同步采集設備的要求。

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點式地震儀連接。同步采集裝置向礦用節點式地震儀輸出發爆器起爆電雷管及炸藥爆炸的信號。通過對比礦井地震數據中接收到的這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道為激發點1的波形，3、4道為激發點2的波形。通過地震數據處理軟件將發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據的采集時刻，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據時間的精確性。

圖6 延時炸藥震源爆炸后的波形

5 結論

(1)分析了礦井地震勘探震源延遲引起的數據采集不同步的問題，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的同步精度。

(2)結構設計方面，將同步采集裝置內置于堅固機殼，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實現了無源電路的設計，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，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果表明，整形電路可在10 μs內完成觸發，觸發信號幅度約為2.5 V，持續時間約為30 ms，性能指標達到了地震波勘探同步采集設備的要求。