CN109444952B - 快捷安装回收高耦合性的孔中地震波接收装置及探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快捷安装回收高耦合性的孔中地震波接收装置，包括储气瓶，储气瓶进出气口端连接充放气嘴，储气瓶的外侧设置有储气瓶保护橡胶筒，储气瓶保护橡胶筒的两端分别固定有顶塞和连接塞，连接塞与检波器气囊膨胀橡胶筒一端连接；膨胀橡胶筒内置地震波传感器，外侧对应设置振动传导金属片，并通过固定螺丝将地震波传感器和振动传导金属片密封固定在膨胀橡胶筒上；膨胀橡胶筒另一端连接底端密封塞；底端密封塞、膨胀橡胶筒和连接塞构成密闭的检波器气囊；储气瓶和检波器气囊之间通过导气管连通，顶塞上设置导气按钮孔、数据传输接口孔和装置提手，地震波传感器通过数据传输线与数据传输接口孔中的数据传输接口相连。同时还公开了探测方法。

Description

快捷安装回收高耦合性的孔中地震波接收装置及探测方法

技术领域

本发明涉及一种孔中地震波接收装置及探测方法，尤其是在巷道、隧道等地震探测中需要提高接收传感器与煤层、岩层的耦合性，保证接收质量的孔中接收地震波的接收装置及探测方法。

背景技术

地震探测方法是煤矿工作面内构造探测、矿井巷道超前探测和隧道掘进超前探测的重要方法。为了保证接收地震数据质量，提高检波器和岩壁、煤壁的耦合性，要求接收传感器与煤壁、岩壁紧密接触。

目前煤矿巷道和隧道地震探测检波器与煤壁的耦合方式主要采用尾椎插入法、岩壁粘贴法、锚杆传导法、孔内胶结法和现场孔内充气法等方法进行地震波接收。这些方法都存在不同的缺陷和不足。

尾椎插入法是将传统的地面检波器尾椎插入煤壁中，存在检波器尾椎长度不足，煤壁坚硬时插入困难的施工缺点，难以保证检波器与煤壁紧密耦合接触。

岩壁粘贴法用强力胶将检波器粘贴在矿井巷道或隧道岩壁上，当岩壁不光滑洁净时，这种方法存在粘贴不牢不能有效保证紧密接触的缺点，同时该方法存在需要等待粘贴胶固结施工周期长，容易对检波器造成损坏，检波器回收难，施工成本较高，泥岩、煤层等软岩由于岩石表面粉末影响不能施工的缺陷。

锚杆传导法将检波器固定在巷道壁或隧道壁的锚杆上，利用锚杆将地震波传导到接收传感器中。由于地震波在地层、岩体、煤层中的传播机理和响应特征与在锚杆中的传播机理和响应特征不同，锚杆传导法存在不能直接接收待探测煤层或岩层中的地震波的缺点，此外锚杆与煤层和岩层的胶结质量严重影响地震波的接收质量。

孔内胶结法是将检波器置于巷道壁或隧道壁的接收孔中，为了保证耦合性采用水泥或强力胶将检波器固结在接收孔内，该方法同样存在等待粘贴胶凝固施工周期长，容易对检波器造成损坏，检波器回收难，施工成本较高，泥岩、煤层等软岩由于岩石表面粉末影响不能施工的缺陷。

现场孔内充气法同样是将检波器置于接收孔内，采用向密闭的检波器内充气使检波器的外层橡胶筒膨胀的方法保证传感器与接收孔壁紧密接触，探测施工完成后，放掉检波器内的气，检波器外层膨胀橡胶筒收缩，在接收孔内取出检波器。现场孔内充气法具有传感器与孔壁偶和检波器回收方便的优点。但在空间有限的隧道和巷道空间给每个检波器现场充气存在时间长、充气空间不足的缺点。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种免现场充气的快捷安装回收，同时保证接收器与孔壁耦合性的孔中地震波接收装置及探测方法，该装置采用充气膨胀方式提高传感器与孔壁的耦合性，具有不用在施工时现场充气，孔中布置回收便捷快速的优点。解决了当前孔中接受地震波装置的耦合性差、充气工具现场充气空间不足、难以回收、布置和回收时间长的问题。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种快捷安装回收高耦合性的孔中地震波接收装置，包括储气瓶，储气瓶进出气口端连接充放气嘴，储气瓶的外侧设置有储气瓶保护橡胶筒，与储气瓶进出气口端对应的储气瓶保护橡胶筒一端通过橡胶筒密封固定环固定有顶塞，储气瓶保护橡胶筒另一端通过橡胶筒密封固定环与连接塞一端连接，连接塞的另一端通过橡胶筒密封固定环与检波器气囊的膨胀橡胶筒一端连接；膨胀橡胶筒内置地震波传感器，外侧对应设置振动传导金属片，并通过固定螺丝将膨胀橡胶筒内的地震波传感器和膨胀橡胶筒外侧的振动传导金属片密封固定在膨胀橡胶筒上；膨胀橡胶筒的另一端通过橡胶筒密封固定环连接底端密封塞；底端密封塞、膨胀橡胶筒和连接塞构成密闭的检波器气囊；

储气瓶和检波器气囊之间通过导气管连通，顶塞上设置导气按钮孔、数据传输接口孔和装置提手，地震波传感器通过数据传输线与数据传输接口孔中的数据传输接口相连；导气管上设置有位于导气按钮孔中用于给检波器气囊充气和放气的导气按钮。

所述提手的两个固定端上分别通过细钢丝绳连接用于密封数据传输接口和导气按钮孔的孔塞。

所述连接塞上设置有供导气管穿过的第一导气管孔和供数据传输线穿过的第一数据传输线孔，导气管末端穿过第一导气管孔伸入到检波器气囊中，数据传输线一端穿过第一数据传输线孔与地震波传感器相连。

所述导气管和数据传输线穿过多个内固定环固定在储气瓶外侧面上。

所述内固定环上设置有供导气管穿过的第二导气管孔和供数据传输线穿过的第二数据传输线孔，内固定环中心为能够套在储气瓶的上储气瓶孔。

所述导气管和数据传输线处于储气瓶保护橡胶筒和储气瓶之间。

所述充放气嘴延伸至顶塞外部。

所述储气瓶呈长筒状结构。

所述底部密封塞的末端为半球形结构。

所述储气瓶储气体积与检波器气囊储气体积比为4：1。

一种利用紧密接触孔壁免现场充气的快捷安装回收孔中地震波接收装置的探测方法，步骤如下：

1）在进入施工现场前，在导气按钮上弹的状态下，通过充气嘴给储气瓶充入气体，使储气瓶内气压增大到当储气瓶与检波器气囊连通后可以使膨胀橡胶筒与接收孔壁紧密接触，气压值为3.5标准大气压；

2）到达施工现场后，将整个装置置于检波孔中，通过提手旋转整个装置调整传感器的接收位置；

3）拔出导气按钮孔塞，下压导气按钮，使储气瓶中的高压气体经导气管进入检波器气囊，在气压的作用下检波器膨胀橡胶膨胀，使振动传导金属片与检波器孔内壁紧密接触，使导气按钮弹起，终止导气管输气，将孔塞塞回导气按钮孔；

4）拔出数据传输接口孔塞，连接外部地震信号采集设备，采集地震信号；

5）地震信号采集结束后，拔掉外部地震信号采集设备，将孔塞塞回数据传输接口孔；

6）拔出导气按钮孔塞，下压导气按钮，同时打开充气嘴，放掉储气瓶和检波器气囊中的空气，检波器膨胀橡胶收缩回充气前的尺寸，使导气按钮弹起，将孔塞塞回导气按钮孔；

7）手持提手将该装置从检波孔中抽出。

由于具有施工便捷和检波器安装和回收方便快速的特点，当前煤矿巷道地震探测最常用的检波器耦合方式为锚杆传导法和孔内充气法。两者相比孔内充气法耦合效果远好于锚杆传导法，锚杆传导法地震波从煤层传导到检波器要经过锚杆与煤层耦合和检波器与锚杆耦合两次耦合，任何一次耦合都会降低探测精度。如图9为锚杆传导法现场实测的地震记录，图10为孔内充气法实测的地震记录，图9中锚杆传导法地震记录中存在耦合不好产生的地震波形中的尾波现象，并且由于耦合不好使原始地震波形中产生了固定频率的包络现象。

根据多自由度振动耦合理论，在煤层的弹性限度内传感器向煤壁的推靠力越大越要，这要求检波器气囊内的气压越大越好。但是考虑到储气瓶和橡胶气囊的承压能力，装置中充气、储气、导气各环节的密封效果，以储气瓶在储气状态下搬运和装卸过程中的安全因素，储气瓶的气压不能无限大。根据实验和现场测试效果分析，检波器气囊采用5mm厚的弹性橡胶当检波器气囊内气压达到3个标准大气压时，检波器与孔壁达到较好的耦合如图10。

在温度不变的情况下，根据理想气体方程为：

公式中，

P1为储气瓶和检波器气囊连通前储气瓶的气压；

P2为储气瓶和检波器气囊连通前检波器气囊的气压；

P3为储气瓶和检波器气囊连通后储气瓶和检波器气囊的气压；

V1为储气瓶的储气体积；

V2为检波器气囊的储气体积；

储气瓶和检波器气囊连通前为了能顺利将装置置于孔中，检波器气囊不能膨胀，其中的气压为1个标准大气压，即P2为1个标准大气压。为了保证检波器与孔壁的耦合效果，储气瓶与检波器气囊连通后两者气压必须达到3个标准大气压。由于储气瓶和检波器气囊的体积比是4：1，根据理想气体方程可以计算出储气瓶和检波器气囊连同前的储气气压为3.5个大气压。

本发明中，充放气嘴用于在施工前给储气瓶充气和施工后排掉检波器气囊和储气瓶中的高压气；导气按钮孔内设置导气按钮用于给检波器气囊充气和放气；数据传输接口孔内设置数据传输接口用于连接外部数据接收设备，将地震波传感器接收到的数据传输给外部数据接收设备；孔塞用于保护导气按钮孔、数据传输接口孔免于浸水和被煤粉、污泥等异物堵塞。

装置提手用于搬运整个装置；储气瓶保护橡胶筒设置在储气瓶外层，并将导气管、数据传输线裹在内、用于保护储气瓶免遭挤压、撞击等损伤；导气按钮位于导气管上，在导气按钮下压状态下储气瓶与检波器气囊联通；内固定环用于在储气瓶保护橡胶筒内固定储气瓶、导气管和数据传输线。

该装置采用储气瓶预先储存高压空气，在地震探测现场将该接收装置置于接收孔内后，下压导气按钮，使储气瓶与检波器气囊联通，向检波器气囊内充气。在高压空气压力作用下检波器气囊的外层膨胀橡胶筒膨胀。当检波器气囊内气压达到一定程度后，膨胀橡胶筒外侧的振动传导金属片与接收孔内壁紧密接触，从而保证接收器与接收孔壁的耦合性，达到提高接收地震波质量的目的。当地震波接收完成后，下压导气按钮同时打开充放气嘴，排出检波器气囊内的高压气体，膨胀橡胶筒收缩到原来的尺寸，从接收孔中抽出该装置。该装置具有不用在施工时现场用充气工具充气，孔中布置回收便捷快速的优点。该装置可以有效解决煤矿巷道和隧道地震探测中目前常用的检波器于煤壁耦合方法的尾椎插入法、岩壁粘贴法、锚杆传导法、孔内胶结法和现场孔内充气法等地震波接收装置的耦合性差、充气工具现场充气空间不足、难以回收、布置和回收时间长的问题。

附图说明

图1 为本发明实施例的整体结构示意图；

图2 为本本发明实施例的顶部平面图；

图3 为本发明实施例的顶塞组件侧面图；

图4 为本发明实施例的内固定环平面图；

图5 为本发明实施例的连接塞侧面图；

图6 为本发明实施例的连接塞平面图；

图7 为本发明实施例的底端密封塞的侧面图；

图8 为本发明实施例的振动传导金属片平面图；

图9为锚杆传导法现场实测的地震记录图；

图10为孔内充气法实测的地震记录图；

1、顶塞；2、储气瓶；3、连接塞；4、地震波传感器；5、底端密封塞；6、内固定环；7、储气瓶保护橡胶筒；8、导气管；9、数据传输线；10、橡胶筒密封固定环；11、振动传导金属片；12、充放气嘴；13、数据传输接口；14、导气按钮孔；15、提手；16、孔塞；17、第一导气管孔；18、储气瓶孔；19、第一数据传输线孔；20、第二导气管孔、21、第二数据传输线孔；22、固定螺丝；23、膨胀橡胶筒。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1-图10所示，快捷安装回收高耦合性的孔中地震波接收装置，包括储气瓶2，储气瓶2进出气口端连接充放气嘴12，储气瓶2呈长筒状结构，充放气嘴12延伸至顶塞1外部，储气瓶2可由充放气嘴12进行充放气。储气瓶2的外侧设置有储气瓶保护橡胶筒7，与储气瓶2进出气口端对应的储气瓶保护橡胶筒7一端通过橡胶筒密封固定环10固定有顶塞1，储气瓶保护橡胶筒7另一端通过橡胶筒密封固定环10与连接塞3一端连接，连接塞3另一端通过橡胶筒密封固定环10与检波器气囊的膨胀橡胶筒23一端连接；膨胀橡胶筒23内置地震波传感器4，外侧对应设置振动传导金属片11，并通过固定螺丝22将膨胀橡胶筒23内的地震波传感器4和膨胀橡胶筒23外侧的振动传导金属片11密封固定在膨胀橡胶筒23上；膨胀橡胶筒23的另一端通过橡胶筒密封固定环10连接底端密封塞5；底端密封塞5、膨胀橡胶筒23和连接塞3构成密闭的检波器气囊。

储气瓶2和检波器气囊之间通过导气管8连通，顶塞1上设置导气按钮孔14、数据传输接口孔和装置提手15，地震波传感器4通过数据传输线9与数据传输接口孔中的数据传输接口13相连；导气管8上设置有位于导气按钮孔14中用于给检波器气囊充气和放气的导气按钮。

连接塞3上设置有供导气管8穿过的第一导气管孔17和供数据传输线9穿过的第一数据传输线孔19；导气管8末端穿过第一导气管孔17伸入到检波器气囊中，数据传输线9一端穿过第一数据传输孔19与地震波传感器4相连，另一端与顶塞1中的数据传输接口13相连，外部设备可连接数据传输接口13接收、存储传感器接收的地震信号；顶塞1中还设有用于控制导气管8通断的导气按钮，下压导气按钮可将储气瓶2中的高压气体通过导气管8释放到检波器气囊中。

导气管8和数据传输线9通过多个内固定环6固定，内固定环6套在储气瓶2上，且位于储气瓶保护橡胶筒7内侧，内固定环6上设置有供导气管8穿过的第二导气管孔20和供数据传输线9穿过的第二数据传输线孔21，内固定环6中心为能够套在储气瓶2的上储气瓶孔18。

储气瓶保护橡胶筒7通过套在其外部的橡胶筒密封固定环10固定于储气瓶2、顶塞1和连接塞3一端上，防止储气瓶保护橡胶筒7与储气瓶2、顶塞1和连接塞3一端脱落。检波器膨胀橡胶筒23也通过套在其外部的橡胶筒密封固定环10固定于连接塞3和底端密封塞5上，防止检波器膨胀橡胶筒23脱落和检波器胶囊漏气。

顶塞1上设置有提手15、数据传输接口13和导气按钮孔14，提手15由于移动、搬运、携带整个装置；导气按钮设置于导气按钮孔14中，提手15的两个固定端上分别通过细钢丝绳连接用于密封数据传输接口13和导气按钮孔14的孔塞16。孔塞16用于保护导气按钮孔14和数据传输接口13，防止导气按钮孔14和数据传输接口13被水浸或泥土堵塞，并用于保护防止在整个装置没有放入检波孔内时，误下压导气按钮的操作。

底端密封塞5的末端为半球形结构。储气瓶储气体积与检波器气囊储气体积比为4：1。

由于具有施工便捷和检波器安装和回收方便快速的特点，当前煤矿巷道地震探测最常用的检波器耦合方式为锚杆传导法和孔内充气法。两者相比孔内充气法耦合效果远好于锚杆传导法，锚杆传导法地震波从煤层传导到检波器要经过锚杆与煤层耦合和检波器与锚杆耦合两次耦合，任何一次耦合都会降低探测精度。如图9为锚杆传导法现场实测的地震记录，图10为孔内充气法实测的地震记录，图9中锚杆传导法地震记录中存在耦合不好产生的地震波形中的尾波现象，并且由于耦合不好使原始地震波形中产生了固定频率的包络现象。

根据多自由度振动耦合理论，在煤层的弹性限度内传感器向煤壁的推靠力越大越要，这要求检波器气囊内的气压越大越好。但是考虑到储气瓶和橡胶气囊的承压能力，装置中充气、储气、导气各环节的密封效果，以储气瓶在储气状态下搬运和装卸过程中的安全因素，储气瓶的气压不能无限大。根据实验和现场测试效果分析，检波器气囊采用5mm厚的弹性橡胶当检波器气囊内气压达到3个标准大气压时，检波器与孔壁达到较好的耦合如图10。

在温度不变的情况下，根据理想气体方程为：

公式中，

P1为储气瓶和检波器气囊连通前储气瓶的气压；

P2为储气瓶和检波器气囊连通前检波器气囊的气压；

P3为储气瓶和检波器气囊连通后储气瓶和检波器气囊的气压；

V1为储气瓶的储气体积；

V2为检波器气囊的储气体积；

储气瓶和检波器气囊连通前为了能顺利将装置置于孔中，检波器气囊不能膨胀，其中的气压为1个标准大气压，即P2为1个标准大气压。为了保证检波器与孔壁的耦合效果，储气瓶与检波器气囊连通后两者气压必须达到3个标准大气压。由于储气瓶和检波器气囊的体积比是4：1，根据理想气体方程可以计算出储气瓶和检波器气囊连同前的储气气压为3.5个大气压。

一种利用紧密接触孔壁免现场充气的快捷安装回收孔中地震波接收装置的探测方法，步骤如下：

1）在进入施工现场前，在导气按钮上弹的状态下，通过充放气嘴12给储气瓶2充入气体，使储气瓶2内气压增大到当储气瓶与检波器气囊连通后可以使膨胀橡胶筒与接收孔壁紧密接触，气压值为3.5标准大气压；

2）到达施工现场后，将整个装置置于检波孔中，通过提手15旋转整个装置调整传感器的接收位置；

3）拔出导气按钮孔塞16，下压导气按钮，使储气瓶2中的高压气体经导气管8进入检波器气囊，在气压的作用下检波器膨胀橡胶筒23膨胀，使振动传导金属片11与检波器孔内壁紧密接触，使导气按钮弹起，终止导气管8输气，将孔塞16塞回导气按钮孔14；

4）拔出数据传输接口孔塞16，连接外部地震信号采集设备，采集地震信号；

5）地震信号采集结束后，拔掉外部地震信号采集设备，将孔塞塞回数据传输接口孔13；

6）拔出导气按钮孔塞，下压导气按钮，同时打开充放气嘴12，放掉储气瓶2和检波器气囊中的空气，检波器膨胀橡胶筒23收缩回充气前的尺寸，使导气按钮弹起，将孔塞塞回导气按钮孔；

7）手持提手15将该装置从检波孔中抽出。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.快捷安装回收高耦合性的孔中地震波接收装置，其特征是，包括储气瓶，储气瓶进出气口端连接充放气嘴，储气瓶的外侧设置有储气瓶保护橡胶筒，与储气瓶进出气口端对应的储气瓶保护橡胶筒一端通过橡胶筒密封固定环固定有顶塞，储气瓶保护橡胶筒另一端通过橡胶筒密封固定环与连接塞一端连接，连接塞的另一端通过橡胶筒密封固定环与检波器气囊的膨胀橡胶筒一端连接；膨胀橡胶筒内置地震波传感器，外侧对应设置振动传导金属片，并通过固定螺丝将膨胀橡胶筒内的地震波传感器和膨胀橡胶筒外侧的振动传导金属片密封固定在膨胀橡胶筒上；膨胀橡胶筒的另一端通过橡胶筒密封固定环连接底端密封塞；底端密封塞、膨胀橡胶筒和连接塞构成密闭的检波器气囊；

储气瓶和检波器气囊之间通过导气管连通，顶塞上设置导气按钮孔、数据传输接口孔和装置提手，地震波传感器通过数据传输线与数据传输接口孔中的数据传输接口相连；导气管上设置有位于导气按钮孔中用于给检波器气囊充气和放气的导气按钮；

所述连接塞上设置有供导气管穿过的第一导气管孔和供数据传输线穿过的第一数据传输线孔，导气管末端穿过第一导气管孔伸入到检波器气囊中，数据传输线一端穿过第一数据传输线孔与地震波传感器相连。

2.如权利要求1所述的快捷安装回收高耦合性的孔中地震波接收装置，其特征是，所述提手的两个固定端上分别通过细钢丝绳连接用于密封数据传输接口和导气按钮孔的孔塞。

3.如权利要求1所述的快捷安装回收高耦合性的孔中地震波接收装置，其特征是，所述导气管和数据传输线穿过多个内固定环固定在储气瓶外侧面上。

4.如权利要求3所述的快捷安装回收高耦合性的孔中地震波接收装置，其特征是，所述内固定环上设置有供导气管穿过的第二导气管孔和供数据传输线穿过的第二数据传输线孔，内固定环中心为能够套在储气瓶的上储气瓶孔。

5.如权利要求1所述的快捷安装回收高耦合性的孔中地震波接收装置，其特征是，所述导气管和数据传输线处于储气瓶保护橡胶筒和储气瓶之间。

6.如权利要求1所述的快捷安装回收高耦合性的孔中地震波接收装置，其特征是，所述充放气嘴延伸至顶塞外部。

7.如权利要求1所述的快捷安装回收高耦合性的孔中地震波接收装置，其特征是，所述储气瓶呈长筒状结构。

8.如权利要求1所述的快捷安装回收高耦合性的孔中地震波接收装置，其特征是，所述底部密封塞的末端为半球形结构。

9.一种如权利要求1-8任一项所述快捷安装回收高耦合性的孔中地震波接收装置的探测方法，其特征是，步骤如下：

1）在进入施工现场前，在导气按钮上弹的状态下，通过充气嘴给储气瓶充入气体，使储气瓶内气压增大到当储气瓶与检波器气囊连通后可以使膨胀橡胶筒与接收孔壁紧密接触，气压值为3.5标准大气压；

2）到达施工现场后，将整个装置置于检波孔中，通过提手旋转整个装置调整传感器的接收位置；

3）拔出导气按钮孔塞，下压导气按钮，使储气瓶中的高压气体经导气管进入检波器气囊，在气压的作用下检波器膨胀橡胶膨胀，使振动传导金属片与检波器孔内壁紧密接触，使导气按钮弹起，终止导气管输气，将孔塞塞回导气按钮孔；

4）拔出数据传输接口孔塞，连接外部地震信号采集设备，采集地震信号；

5）地震信号采集结束后，拔掉外部地震信号采集设备，将孔塞塞回数据传输接口孔；

6）拔出导气按钮孔塞，下压导气按钮，同时打开充气嘴，放掉储气瓶和检波器气囊中的空气，检波器膨胀橡胶收缩回充气前的尺寸，使导气按钮弹起，将孔塞塞回导气按钮孔；

7）手持提手将该装置从检波孔中抽出。