防爆无缆遥测地震仪在煤矿槽波勘探中的应用_吴海.pdf

第42卷第4期 2014年8月 煤田地质与勘探 COALGEOLρGY mine seismograph; intrinsically safe; channel wave detection 煤矿井下＇－作国内部构造探测的物探方法可以分 为电磁ilt探测方法和弹性波探测方法（如槽波探测）两 类。电磁波探视1J方法的典型代表是坑道无线电波透视 （简称坑透）。该方法以介质对电磁波吸收能力的差异为 基础．探视IJT.1乍面内部的断层、陷落柱等构造。但是， 该方法受井下电磁干扰环境复杂、高频电磁波穿透能 力弱等因素的限制，其探测距离偏小。弹性波探测方 法的典型代表是槽波地震技术。从探测效果而言，槽 波透视在解决大型T.作面的构造探视。上，是一种极为 有效的方法。大量实践证明，在煤层中人工激发的地 震波中，槽波能量最强，穿透距离远，且对工作面内 的断层、陷落柱、煤层厚度变化等异常很敏感［1-9］。 20世纪80年代，中煤科丁－集团西安研究院有 限公司在引进、消化、吸收的基础上，研制出了国 内第一台防爆槽波勘探仪器，并在国内70～80个工 收稿日期2013－门－26 作面探测中得到应用。受制于当时的技术水平.i亥仪 器体积庞大，影响了该技术在煤矿的大规模推广［1-91。 目前，德罔DM T公司生产的防爆槽波地震仪 Summit II Ex ，单站2道，需要防爆主机及大线，设 备仍然不够轻便。 为了满足煤矿井下槽波勘探的需要，中煤科t 集团西安研究院有限公司向主研制了一套矿用无缆 遥测地震仪，无需主机和大线，仪器便携，施t简单， 并在多个槽波探视1］项目中取得了较好的地质效果。 1 槽波探测技术 槽波是在煤层中激发、在煤层中接收、Ji顶煤层 传播的导波。槽波探视1］就是利用这一导波特性，以 探查煤层内断层、陷落柱、煤厚变薄区、岩浆岩侵 入范围等地质异常的一种地球物理探视。方法[11罔l）。 基金项目国家科技重大专项课题（20门ZX05040-002）国家科技支撑计划课题（2012BAK04804）；科技部科｛ijf院所专 项基金项目（2013EG 122200 f乍者简介吴海（1979），男，陕西扶风人．硕士，｜；程师，从事地球物理勘探技术与装备研究， ChaoXing 海防爆无缆遥测地震仪在煤矿槽波勘探中的应用第4期 87 透射槽i皮探测 槽波透射法是槽波地震法中最基本、最常用的 方法。槽波透射法所用的有效波是从震源通过煤层 传至接收点的槽波信号。罔2中‘炮点与检波点（接 收点）布置在采区周围不同巷道内，根据惜波的有 无、强弱等，可以判断在相应的透射区内有无构造 异常；同时，通过对透射槽波的分析．也可为反射 法槽波数据处理及解释提供参数｛1.5.7-8] 0 1.1 llH板 层板 媒底 __-/ 图l槽波探视lj示意图 Schematic channel wave detection 震源 激发 Fig. I ;.;.;I.且．品 爆炸线 B Coll -6-......＿川Ill－一 你揣负载遥控单兀断后，tm占γ 大线 爆炸机础，．．、枪液点 目国 iu且.发单兀 巾央单兀 图2槽波透射法勘探示意罔 Schematic channel wave transmission exploration 因此，可以根据透射槽披的有无、强弱判断断 层、陷落柱等构造的形态。 1.3 槽波探测方法的优势 槽波地震勘探可以探查小断层、陷落柱、煤层 分叉与变薄带、充水采空区及废弃巷道等地质异常． 具有探测距离大、精度高、抗干扰能力强、波形特 征易于识别以及最终成果直观等优点，尤其在探视lj 精度和距离上优于其他煤矿井下勘探方法。透射槽 波探测范围可达煤厚的300倍；反射槽波探测距离 约为煤厚的150倍，因此槽波地震探测技术是目前 超大工作面内构造探测的最有效方法［1-10］。 槽波探测仪器需求 由于井下施工条件恶劣、设备的运输、布置和 回收．难度相对地面施工要大得多，所以，槽波探 测仪器除了具有地面地震仪的采集性能外，还应当 足够轻便，能够实现以最少的人员投入、最低的劳 动强度、最短的施工时间完成井下槽波施工。根据 煤矿生产特点，最好能够在一个检修班（即8 h）内完 成井下槽波数据采集工作。 Fig.2 1.2 槽波地震成像技术 槽波在传播过程中遇到断层、陷落柱、采空区等 异常地质构造时，槽波能量会发生改变。对断层而言， 若断层落差大于煤层厚度（图3a），煤层被完全断开， 则槽波无法穿透过去，造成槽波能量的迅速衰减；当 断层落差小于煤厚但大于1/2煤厚时（图3b），仅有高 频部分的槽披能透过断层，而低频部分的槽波则被断 层遮挡住，因此过断层前后槽波的总体能量降低，能 量衰减的越多，则断层的落差越大；而当断层落差小 于1/2煤厚时（图3c），大部分槽波能够穿透断层，能 量衰减较小，从其中不易观察到断层的形态［1 ,5 ,7-8]0 1.4 快怜补讼苓法法夜守剖二二辽 （b 快补边汉志异中追击毛守补沁刊ω 图3槽波透射与断层落差的关系 Fig.3 Relation between channel wave盯ansmissionand fault throw ChaoXing 88 煤田地质与勘探第42卷 2 矿用地震仪的设计 为了开发出一套能适应井下特殊环境的防爆、轻 便、带道能力大的地震记录仪器．采用了“分布式采集、 单站3道独立存储、集中回收、无需电缆”的设计理念， 实现了煤矿井下地震信号的采集、存储与回收等功能； 采用32位嵌入式技术、结合24位AID、海量存储等 技术实现了地震仪的各项技术指标；仪器支持“连续定 时采集”模式，以满足煤矿井下地震勘探的需求；采用 独立采集、集中处理和时间同步的方法，无需地震主 机与传输电缆，实现了煤矿井下地震勘探仪器的微型 画二「1 3C2440仪心板 .....一一一 数字3.3V/5V 7.2V锦氢山，1也吃il/4.5Ah 化、集成化，并满足防爆设备的要求。 2.1 系统原理 仪器按照矿用本质安全型设备要求设计，其系 统工作原理如图4所示。 仪器供电使用镶氢电池组成7.2V电池组，采 用双重化保护电路，并浇封成一整体。镰氢电池符 合GB/T22084.2-2008含碱性或其他非酸性电解 质的蓄电池和蓄电池组一一便携式密封单体蓄电池 第2部分金属氢化物镰电池的要求，充电需在 地面进行。电源、电路本安参数见表l。 祖’以A；网接11 模拟信号输入接lI | 模拟系统I 图4矿用地震仪原理图 Fig.4 Mine seismograph schematics 表1电源本安参数 Table I Intrinsic safe parameters of power i也源名称最大输出电流IA 最高输出电压IV SV-D 运1.2 5.25 3.3Y-D 运1.63主三3.4 3.3Y-D-Alive 1.63 主三3.4 3.3V-A 运1.20三三3.4 2.5Y-A 三三0.95 2.6 - 2.5Y-A 主三0.50 二主－2.6 2.2 系主充设i十 矿用地震仪由数据采集与控制两大部分组成。 其中包括ARM9主控部分、矿井本安电源部分、采 集部分、网络传输部分以及时钟同步部分等。 地震 仪 原理框图如图4所示。其中ARM S3C2440）核心板组成系统主控部分，实现对整个系 统的时序控制、采集控制、数据存储、对时以及数 据传输等；本安电源、模块为系统提供数字和模拟电 源。3个采集通道可实现3路独立采集和三分量震 动传感器的信号采集。采集通道分别对震动信号进 行放大、AID转换、滤波处理。控制部分实现对系 统各个工作模式的管理，将采集数据实时存入板载 存储设备中，同时可以实现数据的网络化传输。 2.3 电气性能 根据多次现场试验情况，选择了合适容量的电 池，既确保仪器续航能力，又使其重量足够轻便。 研发的YTZ3矿用地震仪样机如图5所示，其 主要技术指标如下。 图5矿用地震仪样机 Fig.5 Mine seismograph prototype 工作时间不小于10h（连续采集情况下）； 存储能力连续记录不小于48h的数据（采样率 4ksps; 采样间隔1/4ms, 1/2 ms, I ms, 2 ms, 4 ms; 本底噪声不大于IVRMS l ms; ChaoXing 第4期吴海防爆无缆遥测地震仪在煤矿槽波勘探中的应用 89 动态范围不小于120dB（采样率Iksps; 防爆型式矿用本质安全型； 防爆标志“ExiblMb” ; 仪器重量2.7kg/3通道。 3 应用实例 3.1概况 山西某煤矿3204工作面位于井田中部，总体为 一简单背斜构造，煤层底板起伏较大，整体为东高 西低。根据地质资料显示，该工作面有可能存在有 多个陷落柱。为了确定陷落柱的位置和边界，需进 一步开展探测，查明工作面内陷落柱的分布情况。 3.2 槽波施工 沿该工作面分别在运输巷与回风巷内布置测 桩，间距为10m，共75个，测线长度750m，两巷 测桩相对位置完全一致。工程共完成透射槽波地震 数据采集26炮，每炮75道接收；分别在两条巷道 放炮，炮间距为20～30m，炮孔深度2m ，药量200g, 炮点位于煤壁中央。施工方式为运输巷激发、回风 巷接收和回风巷激发、运输巷接收。 图6为第20炮数据，显示典型的3组波，最先到 达的是来自围岩的折射纵波，经计算速度为3500 mis; 后面是来自围岩的折射横波，速度2000 mis；最后 到达的是能量最强的槽波，速度l100 mis。 1096 1106 三三500 图6第20炮槽波数据 Fig.6 Channel wave data of 20h shot 3.3资料处理与解释 槽波是沿煤层传播的一种导波，因此如果煤层 中的局部区域与其他区域之间存在物性差异，就会 导致经过这一区域的槽波在能量衰减系数上发生差 异。槽波振幅衰减系数CT成像技术正是利用这一 原理，对煤层进行成像，成像结果如图7所示。 如图7所示，槽波勘探结果圈定的陷落柱与打 钻验证的陷落柱基本一致；槽波高衰减区域与钻探 图7槽波振幅衰减系数CT成像图 Fig. 7 CT image of amplitude attem』ationcoefficient of channel wave 推测的陷落柱吻合较好。 4结语 新型矿用地震仪采用无缆遥测的设计理念，采 用先进的32位嵌入式处理器，降低了系统的功耗， 减轻了仪器的重量，便于井下槽波勘探。 该新型矿用地震仪的研制成功，改变了煤矿井 下槽波地震探测的工作模式，具有现场施工简单、 所需工作人员少、施工周期短等特点，对于走向长 度2000 m的工作面可在4～6h完成。 目前，利用该仪器在国内9个工作面完成了槽 波探测施工，取得了很好的地质效果，显示出其市 场推广应用前景。 参考文献 [I］刘天放槽波地震勘探［M］，北京．中国矿业大学出版社． 1994 100-102 [2］程建远煤矿井下地震勘探技术应用现状与发展展望［J.助 探地球物理进展，2009,322 96 l 00 [3］吴海基于ARM技术的矿井自记式地震仪[J］煤田地质与防 探，2013,414 81- 84 [4］程建远地震勘探技术的新进展与前景展望［J.煤阳地质勺 勘探，2009.372 55- 59. 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