YTZ3(B)礦用地震儀研制

吳 海，張慶慶，燕 斌，徐 晶，王 季

(中煤科工集團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和傳播的導波，來探查煤層不連續性的一種物探方法[1-4]，它是井下地震勘探的主要方式之一，能夠查明工作面內的地質異常體，對煤礦安全生產具有重要作用[5-6]。近年來，國內外科研院所和高校開展了基于煤礦井下槽波技術的研究和推廣，取得了較好的效果[7-11]。適用于煤礦井下地震勘探的多通道、便攜式地震儀較少，煤礦井下地震儀器成為制約煤礦井下地震勘探技術發展的瓶頸之一[3-4]。因此，急需開展對煤礦井下地震勘探技術與裝備的研究。

目前能用于煤礦井下地震勘探的防爆地震儀有Summit Ex，由于該儀器設備笨重，仍然采用大線進行采集站之間的聯網，因此在煤礦井下進行地震勘探施工還是相當費力、費時。

20世紀80年代，煤炭科學研究總院西安研究院就開展了井下槽波地震儀的研發工作，因為設備不夠輕便而沒有得到廣泛推廣；隨后開發的YTR(D)瑞利波探測儀，采用6道壓電加速度檢波器，專門用于井下巷道超前探測；近年來，煤炭科學研究總院重慶院推出了DTC-150型遙控地震儀，帶道能力為12道。以上這幾種儀器均采用集中采集的方式，因帶道能力的局限，要想獲得井下大排列的地震記錄仍然力不從心。中煤科工集團西安研究院有限公司于2014年推出了YTZ3礦用地震儀，該儀器采用節點式設計理念，擺脫了大線的困擾，減小了裝備質量，使得井下施工更為便捷，為煤礦井下地震勘探技術提供了裝備支撐[1-7]。但是該儀器充電和數據傳輸仍然存在諸多不便，為此研制了YTZ3(B)礦用地震儀，進一步提升了儀器性能、穩定性，減小了儀器質量，采用充電傳輸一體機柜提高了儀器的操作性。

1 總體設計

針對煤礦井下槽波探測施工的特點，采用節點式地震儀設計思路，實現各臺儀器之間分布式采集、獨立存儲、地面數據統一回傳。節點式地震儀擺脫了大線的困擾，減小了儀器的質量，實現了采集通道的任意擴展，提高了槽波探測的精度。節點式地震儀各臺設備獨立工作，儀器之間采用高精度恒溫晶振和GPS同步技術實現時鐘的精確同步。地面利用GPS技術為各臺儀器進行授時，煤礦井下利用各臺儀器內部的高精度恒溫晶振來確保時鐘的精確授時。為了提高儀器的智能化程度、實現儀器的低功耗管理，采用雙處理器模式提高儀器性能。整個設計采用模塊化設計思路，將儀器按功能劃分為：電源板、采集板、控制板。為了提高儀器的可靠性、穩定性，采用基于嵌入式Linux系統的配置和數據管理機制。YTZ3(B)礦用地震儀研制分為硬件、軟件和結構部分。其中，硬件完成儀器的電路原理圖設計、PCB設計；軟件在硬件基礎上實現嵌入式采集控制、時序控制、存儲控制，移植嵌入式Linux系統，開發基于嵌入式Linux系統的智能控制管理軟件；結構部分進行儀器的外殼設計，選擇合適的接插件、開關、LED燈等，滿足煤礦井下防爆設計的要求。按照儀器功能，儀器總體框圖如圖1所示。

圖1 礦用本安型地震儀總體框圖

2 硬件設計

研制的YTZ3(B)礦用地震儀主要技術指標如下：帶道能力為單站3道；采集分辨率24位AD；采樣率250、500、1000、2 000、4 000、8 000、16 000 sps可選；最大輸入信號6 V(峰峰值)；本底噪聲不大于1 μV(1 000 sps)；振幅一致性不大于0.5%；相位一致性不大于0.10；動態范圍不小于120 dB；工作時間不小于15 h(電池供電)，支持定時開關機；防爆類型為本質安全型，防爆標志Ex ib I Mb。

2.1 功能模塊

儀器設計采用外接三通道檢波器或者一個三分量檢波器，將檢波器輸出的模擬信號進行放大、數字化、濾波處理，利用智能控制部分實行AD按要求采樣、時序控制以及可靠存儲和智能數據傳輸。按照各部分功能，將儀器劃分為以下功能模塊。

(1)電源管理模塊。電源管理模塊為儀器各部分提供需要的各路電源。將鋰電池輸出的6.4 V電壓轉換成3.3V_Alive、+5V、-5V、+5V_ADC、+5 V_STM、+5 V_ARM 六路不同的電壓，以滿足AD、時鐘、控制部分的電源需要。為了實現儀器的低功耗設計，電源部分根據儀器工作狀態需要，實現儀器的智能供電。電源板上采用隔離DC-DC和各種不同的LDO，配合可編程限流器件來實現對本安參數的控制。整個電源模塊設計嚴格按照礦用本安儀器的設計要求來完成。

(2)采集模塊。采用國內外常用的地震采集通道解決方案，實現檢波器輸出的模擬信號的放大、AD轉換和濾波等功能。為了提高儀器的采集性能，采用3個獨立通道實現各個通道的獨立采集和AD化，采用差分信號提高儀器的采樣精度。三通道設計可以兼顧一臺設備連接3個檢波器或者1個三分量檢波器的需要。

(3)時序管理模塊。采用cpld和實時時鐘芯片進行時鐘和時序管理。將高精度恒溫晶振輸出的頻率采用cpld進行分頻處理，給儀器各部分提供需要的時序。利用實時時鐘芯片進行授時和走時管理。該模塊配合處理器為儀器各部分提供精準的時鐘信息。同時，采用GPS授時技術和高精度恒溫晶振，低功耗智能管理技術實現了儀器的高精度同步走時控制。

(4)控制模塊。采用嵌入式控制器實現儀器的智能控制。為了實現儀器的智能化控制，提高儀器的性能，采用雙控制器實現儀器各部分的智能控制。采用嵌入式低功耗STM32控制芯片實現儀器的智能采集和存儲，采用嵌入式ARM9處理器實現儀器的數據傳輸控制。嵌入式ARM控制芯片的復雜度和封裝形式決定了它的外圍電路比較復雜，電路布板的密度高。如果完全自行設計并布板，其穩定性和可靠性風險增大，選擇了成熟的OEM產品，其成本更低且穩定性和可靠性更高。

(5)存儲模塊。該模塊實現槽波地震儀連續采集數據的實時、可靠存儲。采用工業級存儲芯片結合高可靠性存儲算法，實現連續長時間大數據的實時存儲。

(6)人機交互模塊。在機殼表面設計若干個按鍵和LED指示燈，實現儀器工作狀態的控制和顯示功能，實現人機交互功能。按鍵和LED指示燈設計要符合人體工學原理，便于在煤礦井下進行按鍵和顯示。

2.2 器件選型

根據儀器設計要求，考慮礦用本安儀器的設計要求，提高儀器性能的同時兼顧低功耗設計。按照這種思路，對儀器的核心器件進行了選型。

(1)嵌入式控制器選擇。根據儀器設計要求，為了提高儀器的性能，同時兼顧低功耗設計要求，選擇性能優越且功耗低的嵌入式控制器作為中央控制單元。考慮到儀器工作模式的需要，采用雙嵌入式控制器來實現。為此，選擇嵌入式STM32控制芯片和嵌入式ARM9處理器作為儀器的核心控制器件。為了提高儀器的穩定度，所選控制器芯片均采用工業級芯片。

(2)高精度晶振選擇。根據儀器設計要求，儀器采用節點式地震儀設計思路。各臺儀器獨立工作，如何確保各臺儀器之間的精確時鐘同步是儀器設計的關鍵所在。儀器內部采用高精度晶振來實現時間的精準授時，確保各臺儀器之間走時的一致性。目前，國內外頻率穩定度能滿足儀器設計要求的就是恒溫晶振。但是，恒溫晶振功耗一般都比較大，不太滿足礦用本安型地震儀的設計需求。為此，多次調研、測試了國內外多種恒溫晶振，并在電路設計上采用智能電源管理，降低儀器功耗。最終選擇了一種既能滿足儀器精度需求、又能滿足儀器功耗的高精度恒溫晶振。

(3)AD選擇。根據槽波特性，需要選擇高精度的AD轉換芯片以及數字濾波器，提高儀器的采樣精度。為了滿足煤礦井下槽波地震勘探的需要，選擇地震專用放大、AD和濾波專用套片提高儀器的采集性能。選擇的地震專用AD套片，利用可編程技術實現放大倍數控制、采樣率設置、濾波器選擇，提高了儀器的智能化水平。

(4)DC-DC選擇。電源部分負責給整個儀器提供需要的各路電壓，并確保各路的輸出能力滿足儀器的功率要求。由于礦用槽波探測儀是礦用本安型儀器，在電源設計中既要滿足儀器功率需求，又要兼顧防爆要求，這就要求在設計中嚴格按照本安電路設計進行。選擇低功率、低紋波、高效率、隔離DC-DC進行各路電壓的輸出轉換。

(5)其他器件選擇。槽波探測儀設計中，為了提高儀器的穩定性、可靠性，關鍵器件均選擇工業級芯片。所有器件均滿足本安型電路的設計要求。

2.3 電路設計

整個電路設計采用Altium Designer 16.0進行設計，按照功能模塊劃分，分別進行電源電路設計、采集電路設計和控制電路設計。

(1)電源電路。將鋰電池輸出的電壓轉換成儀器需要的各路電壓，并滿足各路功率需要。。

(2)采集電路。該部分電路實現將檢波器輸出的模擬信號，進行放大、AD轉換及濾波，輸出到控制單元。

(3)控制電路。該部分是整個儀器的核心，實現儀器各個模塊的控制和協調。該部分分為STM32控制和ARM控制，其中STM32實現AD、存儲、人機交互控制，ARM實現存儲、數據傳輸控制，也包括系統需要的各種時序的實現。

3 軟件設計

YTZ3(B)礦用地震儀是基于嵌入式STM32處理器和嵌入式ARM處理器平臺開發的智能儀器，軟件部分分為基于嵌入式平臺的采集控制程序開發、GPS授時程序開發和基于嵌入式Linux的智能管理平臺開發。

3.1 采集控制軟件

采集控制軟件是基于嵌入式STM32處理器開發的，采用嵌入式C語言實現模擬數據的智能化、高精度、連續采集。

(1)軟件架構。整個嵌入式采集控制軟件分為采集控制、SD卡讀寫控制以及人機交互控制。這些功能模塊分別由底層的各種硬件驅動程序來支撐完成。包括時鐘驅動、按鍵驅動、LED驅動、SD卡驅動、文件系統、AD驅動和看門狗驅動等。軟件功能劃分如圖2所示。

圖2 嵌入式采集控制軟件架構

(2)軟件流程。軟件采用模塊化設計思想，完成各個功能器件的驅動程序，最后在頂層實現數據的智能采集和數據可靠存儲以及人機交互功能。

(3)采樣控制。當儀器達到采樣條件(采樣時間到達或者按鍵觸發采樣)時，系統自動切換到采樣程序，進行連續采樣，儀器采樣流程如圖3所示。

圖3 嵌入式采集控制軟件流程

(4)數據存儲。當儀器在采樣過程中，采樣數據達到4 096 Byte時，軟件調用SD卡讀寫程序，將采樣臨時數據寫入到SD卡中，并進行數據備份和CRC校驗處理。SD卡中按照特定的數據存儲格式進行采集數據的寫入操作。采樣信息是儀器在記錄模式下采樣得到的數據，每一秒采樣的數據對應一組采樣信息。采樣率不同，每組的數據大小也不同。

3.2 GPS授時軟件

該部分通過串口連接GPS授時器，讀取GPS時間信息，并將其寫入儀器中的實時芯片，實現從GPS給儀器精確授時。

YTZ3(B)礦用地震儀進入授時程序后，當同步信號GPS秒脈沖上升沿到來時，會引發中斷，中斷服務程序會接收GPS接收機的串口信息，將GPRMC子語句提取并存儲在中央控制單元的數據接收緩沖區，最后提取GPRMC子語句中的時間信息轉換成十進制形式，再把UTC時間轉換為北京時間，存入顯示緩沖區，顯示授時時刻。

如果摔倒后骨折了，切不可亂揉亂動。尤其是腰部，千萬不要隨意活動，因為腰椎骨折后隨意活動很可能會造成關節脫位，嚴重的可導致下肢癱瘓，尤其是后仰倒地的人更要注意，以免造成頸椎或者腰椎等部位關節的二次損傷。

3.3 基于嵌入式Linux的智能管理平臺軟件

(1)軟件流程。本軟件是基于YTZ3(B)礦用地震儀平臺開發的基于嵌入式Linux系統的智能管理控制軟件。軟件在Linux系統下開發完成，軟件實現局域網內槽波探測儀的參數配置、IP設置、數據下載等功能。將編譯好的軟件下載到地震儀的ARM芯片中，通過按鍵進入Linux系統，實現Web方式控制地震儀的數據管理和參數配置。軟件采用模塊化設計思想，通過Web界面的功能選擇，實現網絡設置、時間設置、采樣參數配置及數據下載等功能。

(2)功能模塊。根據儀器的功能要求，將該軟件劃分為5個功能模塊，分別為設備狀態查詢、記錄狀態查詢、記錄設置、網絡設置以及其他設置。設備狀態查詢實現設備基本信息的查詢，記錄狀態查詢實現設備的采樣信息查詢，記錄設置實現設備的采樣率、增益設置以及采樣時間設置，網絡設置實現設備的IP地址設置，其他設置實現設備的時間信息配置。

4 結構設計

隨著煤礦開采工藝和設備的快速發展，超長超寬工作面越來越多。對于超長超寬工作面，完成一次槽波工作面成像，往往需要幾百道地震儀同時采集數據。槽波探測儀在煤礦井下開展數據采集工作時，會需要上百臺甚至幾百臺同時工作，這時設備的質量就顯得尤為重要，減輕每臺設備的質量就非常關鍵。

煤礦井下槽波探測技術一直以來得不到大力推廣的根本原因就是缺少井下便攜式、輕便的裝備支持。研制的第一代YTZ3礦用地震儀外殼采用的是尼龍外殼，組裝起來單臺儀器質量達到2.7 kg，減輕了儀器的質量，對于煤礦井下槽波施工起到了很好的推動作用。研制的YTZ3(B)礦用本安型地震儀，在結構設計過程中，滿足礦用產品防爆要求的同時，精簡儀器結構，采用ABS材料，減輕儀器質量，組裝后的儀器質量只有1.5 kg。

在儀器結構設計過程中，多次組織技術人員、現場施工人員等討論儀器結構，形成了多套儀器設計方案，最終優化設計方案，形成了最終產品。儀器樣機如圖4所示，儀器機架如圖5所示。

圖4 YTZ3(B)礦用地震儀

圖5 YTZ3(B)礦用地震儀機架

5 性能測試

在實驗室對研制的YTZ3(B)礦用地震儀的各項指標進行了測試，均達到或者超過設計要求。

(2)輸入信號測試。在實驗室，利用信號源給儀器輸入指定頻率，指定幅值的正弦信號，檢測儀器采集的信號，通過對比分析，判斷儀器的采集性能。從測試結果看，儀器具有優秀的信號采集能力，滿足儀器的設計要求。

6 現場應用

某煤礦I040204工作面所采煤層為2煤。地面三維地震探測出此工作面內存在一條斷層DF34，落差為7 m，傾角為73°，該斷層將會對I040204工作面運輸巷的布置造成重大影響，需要查明。采用反射槽波探測I040204工作面內DF34斷層的發育情況，探測測線總長為780 m，設計道距為10 m，炮距為20 m，布置檢波點79個，炮點為38個。

針對巷道內部揭露情況和煤層的變化趨勢，在實際施工中檢波器對接到巷道錨桿露頭上，與錨桿耦合良好；炮孔深3 m，方向垂直于煤壁，藥量0.3 kg。每個激發點放炮，所有的接收點均接收。數據采集采用本文研制的YTZ3(B)礦用地震儀，采樣間隔0.25 ms，其中S15炮采集數據如圖6所示。

圖6 S15炮槽波波場數據

從圖6中可以清晰分辨出直達槽波、反射槽波。此次探測所采集數據的原始數據質量較高，所得數據全部合格。

7 結語

采用無纜遙測的設計理念，選用恒溫晶振來提高儀器的走時精度，采用了雙嵌入式處理器的工作模式，提高儀器的智能化程度。另外，在整個儀器設計中采用功耗控制模式，降低了儀器的系統功耗。研制的YTZ3(B)礦用地震儀，采用充電傳輸一體機柜，提高了儀器的操作性。該套裝備為煤礦井下地質構造探測提供了裝備支撐。

近年來，利用該套裝備在國內20多個工作面完成了槽波探測，取得了較好的地質效果。