新型矿井多波多分量地震反射法观测系统关键技术研究.pdf

第 4期 2 0 1 1年 4月 工矿 自 动化 I n dus t r y a n d M i ne Au t oma t i on NO ． 4 Ap r ．2 0 1 1 ‘ ’ ’’‘ 。 i 科研成果 ． ⋯ ． ． ⋯．H’ 文章编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 1 0 4 0 0 0 1 0 5 DO I C NKI 3 2 1 6 2 7 ／ TP ． 2 0 1 1 0 3 2 9 ． 0 8 5 1 ． 0 0 2 新型矿井多波多分量地震反射法 观测系统关键技术研究 李云 波 。 1 ． 中南大学地球科学与信息物理学院， 湖南 长沙4 1 0 0 8 3 ； 2 ． 中煤科工集团重庆研究院， 重庆4 0 0 0 3 7 摘要 针对 DT C一1 5 0防爆地质超前探测仪在工程应用 中存在 的解释成果误差较 大的 问题 ， 提 出了研 制一种新型矿 井多波多分量地震反射法观测 系统的必要性； 分析 了煤岩有效地震波频率特性 ， 提 出新型矿 井 多波 多分量地震反射法观测 系统的有效布设方式为震源置于掘进面远端 ， 采用一炮多收制； 介绍 了该系统中 高速 高精 度 多通道 数据 采 集模 块 的 电路 设计 ； 给 出 了该 系统 为 消 除掘进 面绕射 回波 干扰 和放 炮 形 成 的巷 道 声波干扰的处理方法。该系统 已研制成功 ， 实验结果表明， 其本底噪声小， 且具有较 高的可靠性和稳定性。 关键词 矿 井物探 ；超前探测；地震反射法；多波多分量；一炮多收制；绕射 回收干扰 ；声波干扰 中图分类号 TD 1 6 6 文献标识码 B 网络出版时间 2 0 1 1 0 3 2 9 O 8 5 1 网络出版地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 1 0 3 2 9 ． 0 8 5 1 ． 0 0 2 ． h t ml Re s e a r c h o f Ke y Te c hn o l o g i e s o f a No v e l M u l t i wa v e a n d M ul t i - c o mp o n e n t Exp l o r a t i o n S y s t e m wi t h Se i s mi c Re fle c t i o n M e t ho d o f M i n e LI Yun _ b o ， 0 1 ． S c h o o l o f Ge o s c i e n c e s a n d I n f o p h y s i c s o f Ce n t r a l S o u t h Un i v e r s i t y ， Ch a ng s h a 4 1 0 0 83，Ch i na．2． Ch on gq i n g Re s e a r c h I ns t i t u t e o f Chi na Co a l Te c hn ol o gy a nd En g i n e e r i n g Gr o u p Co r p o r a t i o n ，Ch o n g q i n g 4 0 0 0 3 7 ，Ch i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o s o l v e t h e p r o b l e m o f b i g g i s h e r r o r e x i s t e d i n i n t e r p r e t i n g r e s u l t o f e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n o f DTC- 1 5 0 e x p l o s i o n - p r o o f a d v a n c e d g e o l o g y d e t e c t o r ， t h e p a p e r p u t f o r wa r d n e c e s s i t y o f d e v e l o p i n g a n o v e l mu l t i - wa v e a n d mu l t i - c o mp o n e n t e x p l o r a t i o n s y s t e m wi t h s e i s mi c r e f l e c t i o n me t h o d o f mi n e ．I t a n a l y z e d c h a r a c t e r i s t i c s o f f r e q u e n c y o f e f f e c t i v e s e i s mi c wa v e i n c o a l r o c k，a n d p u t f o r wa r d t h a t e f f e c t i v e di s t r i bu t i n g wa y o f t he s ys t e m i s l a y i ng s e i s mi c s o u r c e i n d i s t a l a r e a of he a d i ng f a c e a nd a d op t i n g o nc e s t i m ul a t e m u l t i c h a nn e l r e c e i v i ng me t h od． I t a l s o i n t r o du c e d c i r c ui t d e s i gn of mul t i c ha n ne l d a t a a c q u i s i t i o n mo d u l e wi t h h i g h s p e e d a n d h i g h p r e c i s i o n o f t h e s y s t e m， a n d g a v e t r e a t i n g me t h o d s f o r e l i mi na t i ng i n t e r f e r e nc e s of d i f f r a c t i on wa ve o f he a di n g f a c e a n d s o und wa v e i n t u nn e l c a us e d b y bl a s t i n g． The s ys t e m h a s b e e n d e v e l o pe d．The e x pe r i m e n t r e s u l t s ho we d t ha t t h e s y s t e m h a s a l i t t l e b a c k gr o un d n oi s e a nd h i gh r e l i a b i l i t y a nd s t a b i l i t y． Ke y wo r d s mi n e g e o l o g i c e x p l o r a t i o n，a d v a n c e d d e t e c t i o n，s e i s mi c r e f l e c t i o n me t h o d ，mu l t i wa v e a n d m u l t i c o mpo ne n t ， o nc e s t i mul a t e m u l t i c h a nne l r e c e i v i ng m e t ho d， i n t e r f e r e nc e o f d i f f r a c t i o n wa ve ， i n t e r f e r e nc a 0f s ou nd wa ve 收稿 日期 2 0 1 1 一O 1 1 2 基 金项 目 “ 十一五” 国家科技支撑计划项 目 2 0 0 6 B AK 0 3 B 0 1 作者简介 李 云波 1 9 8 2 一 ， 男 ， 四川 I 广安 人， 博士研 究生 ， 现 主 要从事矿山物 探 及 其仪 器 的设 计 与 研发 工 作 。联系 电话 0 2 3 6 5 2 3 9 3 6 1 ； E - ma i l l y b 0 1 1 2 1 6 3 ． c o m 0引言 目前井 下物探 的超前探 测方法主要有探地 雷 达、 电法超前 、 地震反射法等。其 中地震反射法能够 解决井下长距离的超前预测预报问题 ， 得到 了广泛 2 工矿 自动化 2 0 1 1年 4月 的应 用。地 震反 射法 主 要有 T VS P法 、 HS P法、 T S P法 、 TR T法 、 T S T 法 、 陆 地 声 纳 法 、 T GP法[ 】 ] 。 中煤科工集 团重庆研 究 院针 对煤 矿特殊 环境 ， 于 2 0 0 7年研制出了 D TC 一1 5 0防爆地质超前探测仪， 成功解决 了不少煤矿地质超前预测预报问题。但是 在近几年的工程应用过程 中发现该探测仪的一些问 题 1 煤 岩 有效 地震 波 信 号 的频 率 范 围不 清 ； 2 多炮单收存在安全隐患及无法校准采样触发时 差 ； 3 数据采集系统本底噪声较大 ； 4 采集数据 中存在干扰波等。这些问题导致解释成果存在较大 的误差 ， 从 而影 响 了它 的井下 大 面 积 推 广应 用 。因 此 ， 有必要研制新型矿井多波多分量地震反射法观 测 系统 。 1 煤 岩有 效地震 波信 号频 率特性 新型矿井多波多分量地震反射法观测系统将采 集到的人工激发小药量震源产生的地震纵波和横波 的三分量数据作为计算煤岩力学参数 的依据， 根据 不良地 质体 与 围岩 的物性 差 异 定位 出其具 体 位 置_ 2 ] 。但是 由于小药量震源的复杂性及煤岩的各异 a 原始数据 3 ．o o O 2 ．0 0 0 1 ．0 0 0 向性 ， 使得地震波信号具有随时间作随机变化的特 性[ 3 ； 又 因为对煤岩有效地震波信号频率范围没有 清醒的认识 ， 在后期利用带通滤波器进行数据处理 时无法有效抑制噪声信号， 导致解释成果存在一定 的误 差 。 煤岩有效地震波信号分为直达波和掘进面前方 的反射波， 通过对 D C T一1 5 0防爆地质超前探测仪 大量预报资料 基本包含 了沉积岩、 岩浆岩 、 变质岩 及第三系岩体 的岩性 的分析可知， 在震源距离不 同 的情况下， 震源越近 ， 有效波含有 的高频成分越多， 反之则高频成分少； 在炸药量不同的情况下 ， 地震波 的振幅与炸药量成正比， 主频与炸药量成反 比； 在介 质不 同的情 况下 ， 土层 中地震 波 的主频 为 1 0 0～ 3 0 0 Hz ， 松软煤岩 中地震波的主频为 2 0 0 8 0 0 Hz ， 破碎硬岩中地震波 的主频为 7 0 0 ～1 1 0 0 Hz ， 完整 坚固的硬岩 中地震波的主频为 1 0 0 0 1 6 0 0 Hz 。 图 1为霍州煤 电集 团干河矿粉砂岩夹煤层 的 纵、 横波主频， 其中纵波主频为 7 8 0 Hz ， 横波主频为 2 4 7 H z 。 ／ 、 ， ． | 。 。} ‘{ { J} 、 一 一 4 } | ． ／ 、 0 4 0 0 8 0 0 l 2 0 0 1 6 0 0 2 0 0 0 4 0 0 8 0 0 1 2 0 0 f ／ H z| I H z b 纵波主频频谱 c 横渡主频频谱 图 1 霍州煤电集 团干河矿粉砂岩夹煤层 的纵 、 横 波主频 2新型 多波 多分量 地震 反射 法观测 系统 布设方 式 由于掘进面前方的地质体性质体现在反射波信 号中， 但是在接收到的信号 中不但包含掘进面前方 的反射波， 还包含直达波、 掘进面后方和侧壁的反射 波以及其它噪声信号； 另外 ， D T C一1 5 0防爆地质超 前探测仪采用多炮单收体制， 采用 电脉 冲触发 方式 采集地震数据， 由于瞬发雷管存在不同延迟， 所以无 法校准采样时差 ， 而且根据 煤炭安全规程 规定， 瓦 斯矿井中的爆破作业必须遵循“ 一炮三检制” ， 故采 用 D TC一1 5 0防爆地质超前探测仪探测 一个工 作 面不仅时间较长， 且存在安全隐患。因此 ， 必须设计 一 种能够将有效反射信号从混有其它干扰信号的波 场 中分离 出来 ， 且能够大幅减少放炮次数 和校准采 样时差的系统或仪器[ 4 ] 。 新型多 波 多分 量地 震 反 射法 观 测 系统 采 用 一 炮多收制 ， 采集 一 个工 作 面的 地震 数据 只需 要 两炮 ， 大幅减少了放炮次数和工作量 ， 降低了安全隐 患； 同时其采用炸断回路触发方式 ， 使采样时差能够 得到校 准 。 2 0 1 1 年第 4期 李云波 新型矿井多波多分量地震反射法观测 系统关键技术研究 ．3． 一 般地 震反 射波 勘探 布设 方式 可分 为两 种 1 震源置于掘进面近端 ， 采 用一炮多收制 ， 如图 2 所示 ； 2 震源置于掘进面远端 ， 采用一炮多收制 ， 如 图 3所 示 一 。 图 2 震源置于掘进面近端 的布设方式 图 3震源置于掘进 面远端的布设方式 这两种布设方式的对比如表 1 所示。从表 1 可 看出， 有效的布设方式是方式 2 ， 这是因为方式 2中 掘进面前方 的反射 波性 质与其它干扰 波的性质不 同。所以新型多波多分量地震反射法观测系统的布 设方式采用方式 2 E 引。 表 1 两种震 源布设方式 的对比 通过对新型多波多分量地震反射法观测系统的 优化设计 ， 大幅减少 了放炮次数 ， 降低 了安全 隐患 ， 减少 了工作量 。 3 高速高精度多通道数据采集模块的设计 由于要分辨的地质体性质完全体现在反射波信 号中， 在震源较弱的情况下， 有用的反射波信号幅度 较小 ， 而且信号的带 宽较宽 ， 需要 同时采集 1 2个传 感器的数据。因此 ， 要求对地震信号进行高速高精 度采集 。 根据矿井巷道的实际工作环境和新型多波多分 量地震反射法勘探的需求 ， 设计 了高速高精度多通 道数据采集模块 ， 其电路如图 4所示。 从图 4可看出， 该数据采集模块 由 C P U主控模 串口通信接口模块 c P U 主控模块 以太网接口模块 C O M 3 T x D C 0 M 3 T X D E T H l 1 ．D P 一 E T H T D P C O M 3 RX D C O M 3 R X D E TH l T D N 嚣 T D N C 0 M 4 TX D C O M 4 TX D ET H l R D N R D N C O M 4 RX D C O M 4 R X D ET H I R D P R D P COM l TXD COM l T XD ET Hl L 】 NKl 0 0 COM l RTS COM l R TS E1 ．H1 L I NK1 0 COM 1 DT R COM l DTR E 1 H l ACK C o M1 R X D C o Ml R X D 传感器控制模块 COM 1 CTS COM l CTS C OM l DS R COM 1 DS R MM C CD MM ’CD C 0M l DCD C0M 1 DCD S P ARE2 0 E 2 0 C O Ml R l N C 0 Ml R IN G P IOf 0 ．．3 1 【 O．3 】 US B 0VC USB OVC S P RE1 0 一MS P MA [ E 1 0 U S B l P B U S B 3 S P U S B 3 S P M M C W P W P US Bl NB US B3 S N US B3S N US Bl P U S B 接口 模块 V- U S B l N 复位模块 US B1 NB USBl P l U S B 2 P R S 1 IN n I R S T IN n U S B 1P B U S B l N 一 US B3 P B US B3 NB US B2 P B US B2 NB 液晶模块 总线缓存模块 L C D R 0 ．． 5 L C I _ R [ 0 ． ．5 】L CD T L C D T L B D【 0 ．． 1 5 】 L B D10． 1 5 】L C D - G 0 ．． 5 L C D ．． 】 _G [ 0 5 L C D V I D L C D V D D LB B D [ 0 ． ． 1 5 】L B _ A 】 _[ 0Z ．2 5 L B A【0 ．．2 5 】L C D - B 0 ．． 5 L CD _ n [ o ． ．5 】 _c R T B C R T B L B B A [ 0 2 5 1 GP C S n I GP C S n I L C D - D E M L CD DE M CR TG C R1 、 G 一 LB _R D_W R n 卜 _ _ L B R D _ w R n L C D S C K L C D S C K C R T R C R T R C O R E T S M Y L C D L P L C D L P CR TV CRTV F P G A高速数据采集模块 1 ／ O 缓存模块 C OR E T S MX L cD _ F R M L CD F R M C R T H C R T H L CD VDDE N L B _B A[ 0 2 5 】 n CS F P G A n C S F P G A G P I O14 ．． 1 9 1 L B _ ．．1 u‘O [ 4 9 R E S _ O U T L B _B D[ 0 ． ．1 5 】 S Y N CA D S YN C A D L B R D n L B R D 11 nWE F PGA n W E FP GA GP CSn l TRI GGER S HI FT D0lNE S HI FT D0NE LB I DE W R n LB l DE WRn FP GA W ABLE F PGA W ABLE I I oE F PGA n OE F PGA US B2 NB USB 2P B LB I ORDY US B3 NB US B3 PB S SI DOUT B oX PoW ER 0N B OX POW ER EN AUDC oU1 R AUDC oUT L 放炮控制检测模块 P C I A D[ 0 ． ．3 l 】 S n眦 B ⋯ OX ⋯ P O W E R EN 『 CL K oUT 0THER 图 4 高速高精度多通道数据采集模块电路 4 工矿 自动化 2 0 1 1年 4月 块 、 F P G A高速数据采集模块 包含高精度信号调理 及 AD模块 、 液晶模块等组成。 通过选用超低噪声 的 AD元件、 电源芯片和更 加精确的电路设计， 高速高精度多通道数据采集模 块的本底噪声指标小于 1 V， 与 DT C--1 5 0防爆地 质超前探测仪 1 mV 的本底噪声相 比， 该数据采集 模块的信噪比得到了极大提高 。 4地震 勘探 中干扰 波分 析及 处理 采集到的地震波数据 中存在的干扰波严重影响 数据质量， 最终造成成果解释困难。在地震反射法 勘探中， 除直达波和掘进面前方的反射波是有效波 之外 ， 折射波、 面波等都是 干扰 波。通过对 DT C一 1 5 0防爆地质超前探测仪工程实例的大量数据分析 可知 ， 在采集到的地震波数据 中对后期成果解释影 响 较 大 的 是 掘 进 面 绕 射 回波 和 放 炮 形 成 的声 波 引。 4 ． 1 掘进 面绕射 回波 干扰 在如图 5所示 的多炮单收地震反射法勘探 中， 存在掘进面绕射 回波与另外两种波的重叠 1 掘 进面绕射回波 和直达波在一定 时间范 围内存在重 叠 ； 2 掘进 面绕射 回波和其前方的反射波在一定 时间范围内存在重叠_ 1 引。 ． 1 6m ． 3 4 m ． m． 接收孔 炮孔2 4 号 ⋯⋯ 3 号2 号1 号 掘进面 图 5 多炮单收地震反射波勘探 在多炮单收反射法地震勘探 中， 假设纵波波速 为 ， 横波波速为 ， ／ 一1 ． 7 3 ， 第一炮与接收传 感器的距离为 5 0 m。要使绕射 回波与直达波不重 叠 ， 第一炮与掘进面的距离 X必须满足式 1 [ n l o 一 [ n 一 I ≈ 1 8 1 D 根据 D TC一1 5 0防爆地质超前探测仪 的现场 工艺 ， 第一 炮与 掘 进 面 的距 离 为 3 m。 图 6为 塔 山 矿某掘进面绕射 回波在地震波记录中的形态及其偏 移。从 图 6可 看 出绕射 回波较 大， 所 以应 当增 大 第一炮与掘进面的距离。 由于新型 多波 多分 量地震 反射 法观测 系统 采用 如图 3 所示的一炮多收制 ， 有效避免 了掘进面绕射 回波与直达波的重叠。而对于掘进面绕射 回波与前 方反射波的重叠 ， 目前的技术还不能将二者分离， 由 此形成的解释盲 区一般 在掘进 面前方 2 0 m 范 围 内 。 从图6 可看 出， 该绕射回波 同相轴清晰， 说明该 a 绕射回波形态 b 绕射 回波偏移 图 6 塔山矿某 掘进 面绕射 回波的形态及其偏移 掘进面绕射 回波较强。 针对掘进面绕 射回波的干扰 ， 新型多波多分量 地震反射法观测系统采取的处 理措施 根据上次预 报成果确定下 一次预报 的测量 布置 ， 将上 一次后 2 O m的预报成果 与本次前 2 0 m 的预报成果作 对 比， 以克服掘进面回波造成的解释盲区。 4 ． 2 放炮形成的声波干扰 由于地震波勘探采用小药量炸药作为震源 ， 炮 孑 L 释放到巷道 中的声波被检波器接收， 形成 了预报 记录中的巷道声波干扰 ， 地震记 录中巷道声 波被 当 作 有 效 波参 与数 据 处 理， 形 成 预 报 成果 中 的假 象_ 1 。假设巷道声波到达检波器 的时间为 t ， 接 收检波器与炮孔的距离为 X 。 ， 则有 t一 一．T O 2 0 式 中 为声波的视速度 ， 其值约为 3 4 0 m／ s 。 以现在常用 的最小炮检距 1 5 ～2 0 m 计算 ， 巷 道声 波到达 的最 小时 间为 4 4 ～6 0 ms ， 也就 是 说 ， 在 该 时 间 以后 的 有 效 反 射 波 都 会 受 到 巷 道 声 波 的 干扰 。 假设有效记 录长度为 4 4 ～6 0 ms ， 围岩的纵波 波速为 5 0 0 0 m／ s ， 横波波速为 3 0 0 0 m／ s 。此时不 同地震波有效记录长度预报距离如表 2所示 。 表 2 不 同地震波有效记录长度预报距离 从 表 2可看 出 ， 增 大 最 小炮 检 距 可 以增 加 地 震 波有效记录长度 ， 从而提高双参数预报距离。 图 7为淮北矿业集团青东矿巷道声波形态及其 偏移， 其 中图 7 a 为该工作面巷道声波在地震记录 中的形态， 图 7 b 为未剔除巷道声波干扰 的偏移， 图 7 c 为剔除巷道声波干扰的偏移 。 从 图7 可看出 ， 巷道声波的同相轴在地震记 录 2 0 1 1年第 4期 李云波 新型矿 井多波 多分量地震反射法观测 系统关键技术研 究 5 a 巷道声波形 态 b 未剔 除声波干扰时 的偏移 c 剔除声波干扰 时的偏移 图 7 淮北矿业集团青东矿巷道声波形态及其偏移 上呈直线和曲线分布 ， 直线是炮孔沿巷道壁传到检 波器形成的， 而曲线 是炮孔声波射到对面侧壁后产 生的反射声波被检波器接收形成 的， 炮孔声波 的传 播路线长度与接收点 和炮 孔的距离及 隧道洞径有 关 ， 所以呈 曲线形态。剔 除和未剔除巷道声波 的偏 移成果具有明显差别 ， 剔 除巷道声波影响以后 的偏 移图像在近掘进面段得到加强， 图像清晰度得 到改 善， 有益于地质构造面的判释 ； 而远离掘进面无偏移 图像 ， 说 明无地质构造面存在 。 针对巷道声波干扰 ， 新型多波多分量地震反射 法观 测系 统采 取 的处理 措施 1 对 于激 发环 节 ， 在 每个炮孔中加入锚固剂 ， 并使炮孑 L 充水 ， 尽量减少炮 孔释放到巷道的声波； 2 对于接收环节 ， 用高吸声 材料堵住接收管后端 ， 以减少反射声波传入检波器 ； 3 适当增大最小炮检距 ， 以提 高有效数据记 录长 度； 4 在数据处理软件中加入剔除巷道声波程序 。 5 结语 针对 D TC一1 5 0防爆地质超前探测 仪在工程 应用过程 中存在的问题 ， 提出了研究新型地震反射 法观测系统的必要性 。通过对大量工程数据的分析 及 4个关键技术的研究 ， 成功研制 了新型矿井 多波 多分量地震反射法观测系统 。该系统 目前 已通过实 验测试 ， 结果表明， 其本底噪声小 ， 具有较高的可靠 性 和稳定 性 。 参考文献 [1 ] 姚姚． 地震波场与地震勘探E MJ ． 北京 地质出版社， 2 00 6 1 9 ． [ 2] [ 3] [ 4] [ 5] [ 6] [ 8] [ 9] E l o 3 [ 1 1 ] E 1 2 ] [ 1 3 ] E 1 4 J [ 1 5 J 徐伯勋 ， 自旭滨 ， 于常青． 地震勘探信 息技 术 提取、 分 析 和预测 E MJ ． 北京 地质 出版社 ， 2 0 0 1 2 9 3 1 ． 滕 吉文。 2 1世纪地球物 理学 的机遇 与挑战 [ J ] ． 地球 物理学进展 ， 2 0 0 4 ， 1 9 2 2 0 8 2 1 5 ． 芦 俊 ， 王赞 ， 赵伟 ． 应用三分量地震数据反演煤系地层 孔 隙含水 量 [ J ] ． 地 球 物 理学 报 ， 2 0 1 0 ， 5 3 7 1 7 3 4 1 7 40 ． 王齐仁． 地下地质灾害地球物理探测研究进 展[ J ] ． 地 球 物理 学进展 ， 2 0 0 4 ， 1 9 3 4 9 7 - 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