CN110133712B - 一种用于矿井地震勘探延时炸药震源的同步触发装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及矿井地震勘探技术领域，具体是涉及一种适用于矿井地震勘探延时炸药震源的同步触发装置。包括：爆破母线，其至少一条导线穿过同步触发装置内置的脉冲电流互感器的磁环，其两端分别连接发爆器与起爆药卷；其中，所述同步触发装置与震动拾震器分别连接至矿用本安型节点式地震分站。本专利利用穿心式电流互感技术、整形限流技术以及同步触发装置快速安装固定技术，有效地解决了爆破母线与同步触发装置连接时的设计问题。

Description

一种用于矿井地震勘探延时炸药震源的同步触发装置

技术领域

本发明涉及矿井地震勘探技术领域，具体是涉及一种适用于矿井地震勘探延时炸药震源的同步触发装置。

背景技术

矿井地震勘探通常使用炸药震源来激发地震波进行构造探测，在矿井地震勘探数据采集施工作业中，最重要的一项工作是保证数据开始采集与炸药震源引爆的时间一致性。炸药震源的起爆时刻是否与数据采集开始时刻准确同步，直接影响矿井地震勘探资料的后续处理效果和解释精度，进而影响到矿井地震勘探成果的准确性。按照我国现行煤矿安全规程，绝大多数矿井装配起爆药卷用到的电雷管均为毫秒延期电雷管。毫秒延期电雷管是指通入足够的电流后,以若干毫秒时间延期爆炸的电雷管。煤矿许用毫秒延期雷管根据延时的长短，通常分5段，相邻段时间间隔约25ms，同段使用时延期误差最大30ms，若跨段使用延期误差最大甚至到110ms。如果矿井地震勘探仪器直接以发爆器引爆毫秒延期电雷管时间作为地震勘探数据采集开始信号，普遍存在于矿用电雷管间的延时误差将会直接影响矿井地震勘探数据采集的时间同步性。因此，如何准确获取延期炸药震源的引爆时刻作为矿井地震勘探数据的开始采集信号尤为关键，需要一种同步触发装置为矿井地震勘探数据采集仪器提供准确的延期炸药震源同步触发信号。

目前已有的用于炸药震源同步触发装置有三种：第一种是常规地面地震勘探触发器的方式，存在误触发、不触发或不同步的现象，并且该类触发器不是本质安全型，无法在煤矿井下使用；第二种是利用炸药爆炸时炸断触发线缆取得触发信号的触发方式，由于有可能存在触发线缆未炸断或炸断时存在延时，可能导致不触发或不同步现象(103605153B)；第三种是先将发爆器起爆时产生的高压脉冲信号通过电流互感器或光电耦合器组成的脉冲整形电路转换成能够记录的低电压信号(108802809A、204269839U、204009093U、104639155B)，然后用地震采集分站记录该信号来实现同步记录激发时刻。其原理是发爆器起爆信号通过电磁感应、光电效应等方式取得同步的电磁感应信号。对于瞬发电雷管装配成的起爆药卷，其同步时间误差最小可控制在0.25ms以内。对于矿用毫秒延期电雷管制成的起爆药卷，由于矿用毫秒延期电雷管引爆炸药具有延时性且延时精度较低，同步触发装置的时间误差随着毫秒延期电雷管的延时性影响而增大。上述几种只能记录或感应发爆器引爆电雷管的同步触发装置，很难保证矿井地震勘探数据采集与炸药爆炸时刻精准同步，体现在地震数据中，不仅会使直达波相对杂乱，其同相轴的时间截距更是无法归零。这种情况下，所采集的数据虽然可以通过数据处理在一定程度上减小误差，但是由于触发器设计上的先天不足，矿井地震勘探采集的原始数据必然是不全面、不精确的。

综上所述，现有同步触发装置只通过记录或感应发爆器起爆电雷管的时刻，存在电雷管起爆延时误差，影响地震数据采集质量。对于毫秒延期电雷管制成的起爆药卷，其同步精度有限、不能根本解决延时炸药震源进行数据采集的同步问题。因此，开发一种用于延迟炸药震源的同步触发装置尤为必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于延时炸药震源的同步触发装置。该装置可以向矿用地震勘探数据采集仪器同时输出发爆器起爆电雷管信号和电雷管起爆炸药的信号，两个信号相互验证共同作为地震数据采集的同步信号，从而降低毫秒延期雷管延时起爆炸药带来的同步时间误差，提高矿井地震勘探的数据质量。

为解决上述问题，本发明公开了一种用于矿井地震勘探延时炸药震源的同步触发装置，包括：

爆破母线，其至少一条导线穿过同步触发装置内置的脉冲电流互感器的磁环，其两端分别连接发爆器与起爆药卷；

其中，所述同步触发装置与震动拾震器分别连接至矿用本安型节点式地震分站。

优选的，所述同步触发装置通过锚杆连接孔与距离炮孔最近的锚杆连接，所述同步触发装置机壳外设置有防水电缆接头、同步信号电缆通过连接器插头组成同步信号输出端连接矿用本安型节点式地震分站。

优选的，所述同步触发装置机壳包括：

锚杆连接孔，其开口侧与锚杆耦接，并设置有蝶形螺丝紧固件；

震动拾震器腔体，紧邻所述锚杆连接孔设置，用于安装震动拾震器；

同步触发装置腔体，其内设置连通电流互感器磁环的穿线孔，所述爆破母线的至少一条导线穿过该穿线孔。

优选的，所述发爆器产生的高压脉冲信号通过爆破母线流过电流互感器以产生感应脉冲电流，所述感应脉冲电流经过同步触发装置内置的脉冲整形电路将高压脉冲信号变成安全电压脉冲信号后通过同步信号电缆被矿用防爆地震数据采集分站记录。

优选的，所述爆破拾震器将雷管引爆炸药产生的机械振动转换为电压信号通过同步信号电缆输出给矿用本安型节点式地震分站。

优选的，所述同步触发装置内设置有脉冲整形电路，所述电流脉冲互感器的信号通过脉冲整形电路输送至矿用本安型节点式地震分站。

优选的，所述脉冲整形电路包括：

互感线圈L1，其一端连接快速整流二极管D1，另一端并连电阻R1和直插式电容C1，所述快速整流二极管D1，电阻R1，直插式电容C1的一端分别通过电阻R2连接插头接线端子P1。

优选的，所述脉冲电流互感线圈L1为采用多层平绕式绕线形式，环状磁芯材料为铁氧体，额定工作电流为5A/2.5MA。

本发明的有益效果：

本专利利用穿心式电流互感技术、整形限流技术以及同步触发装置快速安装固定技术，有效地解决了爆破母线与同步触发装置连接时的设计问题；采用无源电路设计方案，符合煤矿对电气设备的安标认可，施工人员可在安全区域操作仪器引爆炸药震源；将爆破拾震器内置于同步触发装置，坚固的机壳降低了炸药震源附近爆破飞散物对爆破拾震器的破坏影响，提高了爆破拾震器接收信号的可靠性；通过锚杆连接孔将同步触发装置快速安装固定于炮孔附近的锚杆上，充分利用了矿井巷道锚杆批量均匀分布的特点，既解决了同步触发装置炮孔附近就近安装的问题，又可方便、快捷、精准地接收炸药爆炸产生的冲击波信号。整机工作性能稳定可靠，通过大量的相关试验，精确地获取了震源爆炸的同步触发信号，无论是用于瞬发电雷管还是矿用毫秒延期电雷管装配的起爆药卷，所获取的炸药爆炸时刻和地震波初至时刻的同步精度均优于0.01ms，从根本上解决了矿井地震勘探毫秒延期雷管导致的同步精度问题，技术指标完全满足矿井地震勘探对高精度数据质量的要求，同时也适用于常规地面地震勘探的应用。

附图说明

并入本文并形成说明书的一部分的附图例示了本发明的实施例，并且附图与说明书一起进一步用于解释本发明的原理以及使得所属领域技术人员能够制作和使用本公开。

图1是同步触发装置原理示意图；

图2是机壳内部结构肆意图。

图3是机壳外部结构示意图。

图4是脉冲整形电气原理图。

图5同步触发装置与矿用本安型节点式地震分站连接示意图。

图6是同步触发装置实际记录到的两个雷管延时信号波形。

图中，101—脉冲电流互感器，102—脉冲整形电路，103—爆破拾震器，2—发爆器，3—起爆药卷，4—矿用本安型节点式地震分站，5—地震数据采集链，6—电缆防水接头，7—同步通信线缆，8—连接器插头，9—机壳，10—锚杆连接孔，11-穿线孔，12—蝶形螺丝紧固件，13—印制电路板。

具体实施方式

实施例

参见图1，本同步触发装置和1台矿用本安型节点式地震分站连接，使用时将同步触发装置通过同步信号电缆连接至地震采集分站信号输入端。同步触发装置共2个信号输出通道，第1个通道是将炸药震源激发引起的振动信号转换为电压信号的孔口拾震器输出信号，另外1个通道是感应发爆器起爆电压信号，并经限幅整形后输出的低电压脉冲信号。

参见图2-图5，起爆药卷3与发爆器2通过爆破母线连接。同步触发装置内置脉冲电流互感器101，并在外部设置一个连通电流互感器磁环的穿线孔11，用爆破母线的其中一条导线穿至该孔若干匝，然后与发爆器2和起爆药卷3连接成起爆回路。同步触发装置通过锚杆连接孔10与距离炮孔最近的锚杆连接，并通过蝶形螺丝紧固件12使之安装牢固。同步触发装置机壳外设置有防水电缆接头6、同步信号电缆7，通过连接器插头8组成同步信号输出端连接矿用本安型节点式地震分站4。当矿用本安型节点式地震分站4程序启动后，配合同步触发装置检测起爆药卷的引爆状态。当发爆器充电发出起爆信号时，发爆器产生的高压脉冲信号通过爆破母线流过电流互感器以产生感应脉冲电流，经过同步触发装置内置的脉冲整形电路13，将高压脉冲信号变成幅值小于5v的安全电压脉冲信号，该信号通过同步信号电缆7被矿用防爆地震数据采集分站记录；与此同时，雷管引爆炸药使安置在孔口的拾震器产生机械振动，爆破拾震器103再将机械振动转换为电压信号通过同步信号电缆7输出给矿用本安型节点式地震分站4。利用矿用本安型节点式地震分站4记录的同步激发数据作为矿井地震数据采集链5中其他矿用本安型节点式地震分站地震数据采集的启动信号，通过软件处理的方式向其他矿用本安型节点式地震分站中提取地震数据，从而达到发爆器、炸药震源和矿用本安型节点式地震分站之间的同步触发目的。

本实施例中，爆破拾震器采用60Hz振动检波器机芯。机壳内部印制电路板与爆破拾震器通过RTV-133硫化硅橡胶胶封。机壳上设置有锚杆连接孔、蝶形螺丝紧固件、穿线孔和电缆防水接头。锚杆连接孔截面为半径13.5mm的圆形、开孔深度为20mm。

本实施例中，所述蝶形螺丝紧固件为标准M4，在机壳外侧的开孔位置距离锚杆连接孔口10mm。所述穿线孔设置在机壳外侧壁上，与脉冲电流互感器穿心孔为同心安装，外侧孔径为8mm，内侧孔径为5mm，爆破母线从中穿过，形成脉冲电流互感器的一次绕组。所述爆破母线采用绝缘包皮的聚氯乙烯被复线。爆破母线所产生的脉冲电流供电时间不大于4ms，最大输出电流为5A，脉冲电压峰值不小于2000V且不大于2800V。电缆防水接头用以穿过同步信号电缆，同步信号电缆一端与脉冲整形电路及爆破拾震器连接，另一端设置有连接器插头。机壳的材料为尼龙，机壳外表面采用防静电喷漆工艺处理。

下面对本实施例的原理进行介绍。

当发爆器产生高压脉冲电信号起爆毫秒延期电雷管的瞬间，会在穿过电流互感器的爆破母线上产生脉冲电流。根据电磁感应原理，穿过电流互感器的爆破母线作为互感器一次绕组通过电流互感器感应输出二次电压，并在脉冲整形电路组成的二次负载中形成电流。脉冲整形电路输出端的电压幅值限定在0～5V范围，通过电路板的电缆插头连接至矿用本安型节点式地震分站，用于记录发爆器起爆毫秒延期电雷管的时间信号。

当毫秒延期电雷管引爆炸药的瞬间，炸药产生的冲击波以震源点为中心、以极高的速度向四周传播，放置在炮孔附近较小距离的爆破拾震器接收到炸药冲击波引起的振动信号，并将振动信号转化为电信号，通过机壳外设置的连接插头连接至矿用本安型节点式地震分站，用于记录毫秒延期电雷管起爆炸药的时间信号。

矿用本安型节点式地震分站所记录的两个时间信号互为充分必要条件，共同配合使用可作为校验地震数据采集开始的同步时间信号，单独使用其中的一种时间信号，都会影响或降低同步触发装置的稳定性和高精度。

矿用本安型节点式地震分站的输入信号电压一般为0～5V，因此不能直接接收发爆器起爆时产生的高压信号，需要将高压脉冲信号转换为矿用本安型节点式地震分站能够识别的低压信号。

所述的穿心式脉冲电流互感器结构本身不设一次绕组，通过爆破母线穿过电流互感器的内环形成1匝的一次绕组。二次绕组内置于穿心式脉冲电流互感器结构内部。发爆器激发产生的高压脉冲电信号，在穿过电流互感器的爆破母线导线上产生的脉冲电流供电时间小于4ms，最大输出电流为5A，脉冲电压峰值不小于2000V且不大于2800V。为了保证电流互感器有较好的电流传变及限幅特性，选择高灵敏度的5A/2.5mA型穿心式脉冲电流互感器。

爆破母线穿过电流互感器L1，当爆破母线中有脉冲电流通过时，电流互感器的两端就会产生感应电流，感应电流通过电容C1和电阻R1电路中形成震荡电流，通过插头接线端子p1就可以检测到感应电流在R2上的电压变化。

电流互感器L1把发爆器触发产生的高压脉冲电流信号转换成矿用地震数据采集分站能够承受的低电压信号。为了方便使用，发爆器引出的爆破母线连接到同步触发装置正负极性无须额外加以规定。快速二极管D1隔离了电流互感器L1感应到C1上的电流，使C1和R1形成单独的电流回路。电容C1反复充放电，并通过电阻R1进行放电，放电时间约为30ms。放电期间，通过电阻R2对插头接线端子p1输出的脉冲电压信号进行限流，使其电压变化范围保持在矿用本安型节点式地震分站能够识别的安全区间。

所述起爆药卷的输入端通过同步触发装置连接发爆器，起爆药卷通过接收发爆器发出的激发信号后引爆电雷管，通过电雷管延迟引爆炸药；

所述地震数据采集链通过电缆将矿用本安型节点式地震分站与三只单分量检波器连接，单分量检波器将机械振动信号转换成电子信号输出给矿用本安型节点式地震分站，矿用本安型节点式地震分站对采集到的数据进行存储；

所述同步触发装置接收发爆器的电流信号，经限幅后输出给矿用本安型节点式地震分站；同时接收起爆药卷引爆后产生的机械震动信号，并将震动信号转换成电信号输出给矿用本安型节点式地震分站。

所述发爆器的输出端连接同步触发装置，另一输出端连接起爆药卷的爆破母线，发爆器通过同步触发装置向矿用本安型节点式地震分站输出同步激发信号；

所述矿用本安型节点式地震分站采集同步触发装置输出的同步激发数据，并对采集到的同步数据进行存储。

下面通过对比试验来分析矿井地震勘探同步触发装置对地震数据开始采集时间的同步效果。

试验方法：将本同步触发装置安装在炮孔附近的任意一根锚杆上，通过同步信号电缆7及连接插头8与一台矿用防爆地震数据采集分站4连接。连接待爆破起爆药卷的任意一条爆破母线穿过同步触发装置的穿线孔后与发爆器形成起爆网路，如图5所示。发爆器发出起爆脉冲信号引爆电雷管和炸药，通过本发明中的延时炸药震源同步触发装置向矿用防爆地震数据采集分站输出炸药震源电雷管及炸药的起爆信号。通过对比矿井地震勘探接收到的两个时间同步信号，来评价同步触发装置对地震数据采集的时间同步效果。

图6是本同步触发装置实际记录到的由毫秒延时雷管装配的两个起爆药卷爆炸后的信号波形。通过地震数据处理软件将发爆器引爆电雷管的时刻对齐到时间0后，延时雷管引爆炸药的时间分别为37.75ms和41.75ms，此时间为同段延时雷管区别于瞬发雷管的延时起爆时间；同段雷管之间延期时差为41.75ms-37.75ms＝4.00ms，此为同段雷管出厂的段内系统延时误差。将同步触发装置实际接收的不同延期时刻用于校正地震数据的采集时刻，可以消除延期雷管系统延时误差带来的同步时间误差，使矿井地震勘探采集数据的一致性更加精确。

本实施例中，尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。

注意到，说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”、“一些实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但是每个实施例可以不必包括所述特定特征、结构或特性。而且，这样的短语不必指代同一实施例。此外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，无论是否明确描述，结合其他实施例来实现这样的特征、结构或特性将在所属领域的技术人员的知识范围内。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (5)

1.一种用于矿井地震勘探延时炸药震源的同步触发装置，其特征在于，包括：

爆破母线，其至少一条导线穿过同步触发装置内置的脉冲电流互感器（101）的磁环，其两端分别连接发爆器（2）与起爆药卷（3）；

其中，所述同步触发装置与震动拾震器（103）分别连接至矿用本安型节点式地震分站（4）；

其中，矿用本安型节点式地震分站（4）记录发爆器起爆毫秒延期电雷管的时间信号和毫秒延期电雷管起爆炸药的时间信号，两个时间信号互为充分必要条件，共同配合使用可作为校验地震数据采集开始的同步时间信号；

并且，还包括机壳（9），机壳外设置有防水电缆接头（6）、同步信号电缆（7），通过连接器插头（8）组成同步信号输出端连接矿用本安型节点式地震分站（4）；所述机壳（9）外部设置一个连通电流互感器磁环的穿线孔（11），用爆破母线的其中一条导线穿至该孔若干匝，然后与发爆器（2）和起爆药卷（3）连接成起爆回路；

其中，感应脉冲电流经过同步触发装置内置的脉冲整形电路将高压脉冲信号变成安全电压脉冲信号后通过同步信号电缆（7）被矿用防爆地震数据采集分站记录；所述脉冲整形电路包括：互感线圈L1，其一端连接快速整流二极管D1，另一端并连电阻R1和直插式电容C1，所述快速整流二极管D1，电阻R1，直插式电容C1的一端分别通过电阻R2连接插头接线端子P1。

2.根据权利要求1所述的一种用于矿井地震勘探延时炸药震源的同步触发装置，其特征在于，所述同步触发装置通过锚杆连接孔（10）与距离炮孔最近的锚杆连接，所述同步触发装置机壳外设置有防水电缆接头（6）、同步信号电缆（7）通过连接器插头（8）组成同步信号输出端连接矿用本安型节点式地震分站（4）。

3.根据权利要求1所述的一种用于矿井地震勘探延时炸药震源的同步触发装置，其特征在于，

所述震动拾震器将雷管引爆炸药产生的机械振动转换为电压信号通过同步信号电缆（7）输出给矿用本安型节点式地震分站（4）。

4.根据权利要求1所述的一种用于矿井地震勘探延时炸药震源的同步触发装置，其特征在于，所述同步触发装置内设置有脉冲整形电路，所述脉冲电流互感器的信号通过脉冲整形电路输送至矿用本安型节点式地震分站（4）。

5.根据权利要求1所述的一种用于矿井地震勘探延时炸药震源的同步触发装置，其特征在于，所述互感线圈L1为采用多层平绕式绕线形式，环状磁芯材料为铁氧体，额定工作电流为5A/2.5MA。

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