CN111679316B - 一种矿用多地震采集系统时间对齐方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种矿用多地震采集系统时间对齐方法及系统，主要解决矿用多地震采集系统在井下无GPS条件下的时间对齐问题，本发明的矿用多地震采集系统时间对齐系统，巧妙利用矿用发爆器发射电磁信号，信号通过炮线传送至各个地震仪，以感应方式完成非接触式输入，让每台地震仪接收到对齐信号。该装置操作极其简便，连接用的电线非常轻便，因为使用电磁感应方式实现信号在设备间的传递信号，可以适应各种地震采集系统。

Description

一种矿用多地震采集系统时间对齐方法及系统

技术领域

本发明属于煤矿井下地震勘探及地质安全实时监测技术领域，涉及一种向多个地震采集系统发射同步电磁脉冲信号从而将各个独立系统的时间进行对齐的方法及装置。

背景技术

煤矿井下地震勘探或地震动态监测可以获得待采煤岩层内部构造信息或采煤过程中的地应力变化过程，基于这些信息能有效提高采煤过程的地质安全性，且可以及时优化采煤过程。煤矿工作面的地质灾害主要包括顶板的冒落、瓦斯突出、承压水的突出等，老空区、断层和陷落柱等构造存在的部位很容易发生上述地质灾害。另外，开采活动打破了工作面岩层原有的应力平衡，应力不断重新调整，在构造的边界上能形成明显的应力集中，极易诱发地质灾害。利用槽波勘探可以对采煤工作面做层析成像，能发现比较小的内部构造，利用随采地震等4维地震扫描监测方法可实时获得工作面的应力变化，而利用随掘地震可以对掘进前方煤岩层内的隐蔽致灾因素作出超前探测。基于煤岩层内部构造图像，可以调整采煤的工艺流程，也可以提前对危险区域进一步做钻探探测与治理。基于4维地震应力扫描，可以即时发现应力变化剧烈的区域，这些区域发生地质危险性的概率远高于应力变化不明显的区域，可及时进行加固处理等，降低事故发生率。

与地面地震勘探或地震监测相比，在煤矿井下开展此类工作存在一些难点：

第一，矿井内本身设备众多，且有许多如皮带运输机、绞车这样的运转设备，所以在井下使用一体化地震记录设备比较困难，往往需要跨越这些正在工作着的设备，为了不干扰煤矿生产，井下地震设备尽量采用分布式的。

第二，井下接收不到GPS信号，所以不能通过GPS授时将多个地震采集设备的时间对齐。

第三，井下槽波地震勘探的频率范围明显高于地面地震，对震相走时的准确性、一致性要求更高。分布式地震仪基本上都是在地面授时以后才运到井下使用，同一厂家同一批次仪器的晶振经挑选比较一致，而不同厂家不同批次仪器的晶振差异性就比较大。在实际的地震勘探或地震监测实践中，不同厂家或不同批次仪器的混用比较普遍，有时候分布式地震仪和在线监测地震系统还要联合使用，所以不同仪器间的时间对齐成了一个突出问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种煤矿井下多个地震采集系统之间的时间对齐方法及系统，解决各个地震采集系统因井下无GPS信号等各种原因造成的时间不一致问题。

为此，本发明采取如下技术方案：

一种矿用多地震采集系统时间对齐方法，该方法包括：

步骤1：煤矿井下产生瞬时电磁脉冲后，被多个地震采集系统同时感应并接收电磁脉冲信号；

步骤2：以其中任意一个地震采集系统接收到的电磁脉冲信号为基准电磁脉冲信号，分别计算出其他地震采集系统接收到的电磁脉冲信号与该基准电磁脉冲信号之间的时间差t；

步骤3：以步骤2得到的时间差t分别对其他地震采集系统做时间延迟，使得多地震采集系统时间对齐。

具体的，步骤2中，采用互相关方法分别计算出其他地震采集系统接收到的电磁脉冲信号与该基准电磁脉冲信号之间的时间差t。

本发明还提供一种矿用多地震采集系统时间对齐系统，

包括发爆器，用于激发产生瞬时电磁脉冲；

炮线，通过炮线将所有地震采集系统和发爆器连接；

多个感应环，穿过每个地震采集系统的信号线，用于当瞬时电磁脉冲到来时发射出电磁信号，通过电磁感应向地震采集系统的信号线传入电磁脉冲信号。

进一步，控制模块，所述控制模块储存有计算机程序，所述计算机程序用于执行上述步骤。

进一步，还包括电阻，连接在炮线上。

进一步，还包括多个地震检波器，连接在每个地震采集系统的信号线一端。

本发明的矿用多地震采集系统时间对齐系统用在包括槽波勘探、随采地震、随掘地震中。其中槽波勘探或随采地震中，该系统布置在下巷道和上巷道之间的工作面上。随掘地震中，该系统布置在煤层内的掘进巷道内，地震采集系统之间通过地震测线通信线连接。

本发明的优点包括：

1、提出了一种井下无GPS信号条件下的多地震采集系统时间对齐方法，该方法不依赖于GPS传输信号，不存在地面授时以后才运到井下使用带来的震相走时的准确性、一致性问题，以感应方式完成非接触式输入，让每台地震仪同时接收到对齐信号。

2、提供了一种简便的多地震采集系统时间对齐装置，巧妙利用发爆器产生电磁波，只需要从发爆器引出两条炮线，再通过一些感应线圈即可实现本发明的方法。炮线具有轻便、强度高不易损坏、廉价等优点，非常适合在设备稠密的采煤工作面巷道内施工，不受矿井内本身设备众多的限制

3、本发明的系统，与各个地震采集系统通过电磁感应方式做信号传递，不需要线路接入，施工方便、故障率低、适用面广。

4、本发明的系统，利用的矿用发爆器本身是符合煤矿安全要求的设备，量大价廉、质量可靠，所以本发明的装置制作起来非常容易，造价低廉，适合推广。

附图说明

图1本发明的一般应用设备布置关系示意图；

图2本发明的感应环结构及其与地震仪信号线的穿过关系示意图；

图3本发明的地震仪记录的电磁感应时间对齐信号图；

图4本发明的时间对齐数据处理方法示意图；

图5本发明的槽波勘探及随采地震应用俯视示意图；

图6本发明的随掘地震应用俯视示意图。

图中各标号的含义为：

1-发爆器、2-发爆开关、3-接线柱、4-炮线、5-地震仪、6-感应环、7-地震仪信号电缆、8-地震检波器、9-电阻、10-下巷道、11-采煤切眼、12-上巷道、13-工作面、14-参考信号地震仪、15-掘进巷道、16-地震测线通信线、17-煤层。

具体实施方式

矿用发爆器主要是矿井用来引爆电雷管的产品，是煤矿开采爆破过程使用的重要工具。本发明巧妙利用矿用发爆器激发电磁信号，矿用发爆器可以产生瞬时高电压，比如MFB-200型可以产生瞬时3000V峰值电压。

实施例1：

本实施例公开一种矿用多地震采集系统时间对齐方法，该方法包括：

步骤1：煤矿井下产生瞬时电磁脉冲后，被多个地震采集系统同时感应并接收电磁脉冲信号；

步骤2：以其中任意一个地震采集系统接收到的电磁脉冲信号为基准电磁脉冲信号，分别计算出其他地震采集系统接收到的电磁脉冲信号与该基准电磁脉冲信号之间的时间差t；

步骤3：以步骤2得到的时间差t分别对其他地震采集系统做时间延迟，使得多地震采集系统时间对齐。

图3是地震仪记录里记下的2道实际电磁感应脉冲信号，脉冲的持续时间很短且信噪比很高。因为各个地震数据采集系统记录的电磁脉冲信号之间的相似度很高，利用该信号做系统间的时间对齐完全可满足精度要求。图4是以两道为例，利用电磁脉冲信号进行时间对齐的示意说明，图中的左子图是两台地震仪记录的两道数据中的电磁信号，以其中的No.1数据为基准，利用互相关方法就可以计算出两道之间的时间差t，然后对第2道做时间延迟t，就可以将No.2的时间与No.1对齐，图4的右子图是时间对齐后两道中的脉冲。如果是对多道对齐，仍然以No.1数据为基准，分别对其余各道重复上述对齐处理过程，直到全部对齐。

进一步，本发明的方法，数据处理方法详细包括：

首先，将各个地震采集系统记录的电磁脉冲数据按照同一时间段取出，这里的时间是各个仪器自己的时间；

接着，取其中一个仪器的数据作为参考基准，用参考基准数据与其他仪器的脉冲数据做互相关计算，得到互相关函数最大值的相对时间延迟值(图4左)；

最后，根据互相关函数最大值的相对时间延迟值对各个地震采集系统的时间进行校准对齐(图4右)。

本发明数据处理用到的互相关方法是数字信号处理中的一种成熟方法，在许多商业软件或免费的信号处理软件包内都有完善的程序可用。本发明对此不做过多介绍。

实施例2：

本实施例公开一种矿用多地震采集系统时间对齐系统，包括发爆器，用于激发产生瞬时电磁脉冲；炮线，通过炮线将所有地震采集系统和发爆器连接；多个感应环，穿过每个地震采集系统的信号线，用于当瞬时电磁脉冲到来时发射出电磁信号，通过电磁感应向地震采集系统的信号线传入电磁脉冲信号、电阻，连接在炮线上、多个地震检波器。

矿用发爆器1上有两个接线柱3，接上两根炮线4，将炮线4引向各个分布式地震仪5(图1)，由于电磁波以接近光速传播，比岩层内的地震波速度快5个数量级，因而对于一般的地震勘探应用的时间要求来说，可以认为发爆器1激发时各个地震仪5同时感应到了瞬时电磁脉冲。感应环6是一组线圈，地震仪5的信号线从中间穿过(图2)，当地震检波器8检测到瞬时电磁脉冲到来时，感应环6发射出电磁信号，同时通过电磁感应向地震仪信号线7传入电磁脉冲信号。

本发明的应用场景：

1、槽波勘探。槽波勘探是采煤工作面形成以后，对工作面内部小构造进行精细化探测的主要方法，对预防地质灾害和优化采煤过程有参考价值，被许多煤矿企业列为开采前必须开展的勘探工作之一。槽波勘探仪器有两类，一类是一体化的，一类是分布式的。一体化的仪器以德国DMT公司的SUMMIT槽波仪为代表，所有地震采集设备由一根总电缆连接起来，统一授时，在时间一致性方面优势突出。一体化设备的缺点也主要体现在总电缆上，在井下布设时必须跨越许多采矿设备，易损坏。另外，一体化仪器技术还涉及到大量实时数据在总线内的存储和快速传输，因而价格昂贵，不太适应采煤工作面越来越大、每次探测需要大量仪器设备的矛盾。分布式槽波仪主要是中国煤炭科技企业在近些年开发的，它的突出优点就是安装施工很方便，价格便宜，适应了工作面越来越大，每次探测需要大量仪器设备的发展趋势。缺点是每个独立的地震采集单元有自己的时钟，在生产实践中发现各个采集单元的时间基准会发生漂移，在分析解释数据时会造成困扰。利用本发明的设备和方法，在槽波采集仪器安装完毕准备放炮前，先进行一次时间对齐，在施工结束后再做一次时间对齐，就能大幅提高地震数据的时间一致性，为分析解释数据提供了更可靠的基础。图5是工作面槽波勘探的俯视示意图，本装置与每一个地震仪的耦合关系由图1和图2详细表示。

2、随采地震。随采地震是对采煤工作面进行边采边探的一种动态探测方法，因为要长期监测，它的仪器需要网络化连接，地震数据实时传向地面监控中心主机。随采地震设备采用网络同步时间协议为各个采集单元对时，一般的NTP协议精度为5～10ms，高精度的IEEE1588协议等可以达到10μs精度。井下地震勘探的采样间隔高达0.25ms，一般的NTP协议不能满足精度要求，必须高精度时间同步协议才能适应要求。然而不是所有煤矿都能提供高精度时间同步协议的网络，再建一套网络又成本太高。利用本发明的设备和方法，可以每隔一段时间进行一次时间对齐，这就有效降低了对网络时间同步协议的要求，扩大了随采地震数据采集设备的适应性。图5也可以作为工作面随采地震的俯视示意图，本装置与每一个地震仪的耦合关系由图1和图2详细表示，连接每个地震仪的局域网网线没有画出来。

本发明的矿用多地震采集系统时间对齐系统用在包括槽波勘探、随采地震中。其中槽波勘探或随采地震中，该系统布置在下巷道10和上巷道12之间的工作13面采煤切眼11内。

3、随掘地震。随掘地震是一种以掘进机为震源的被动源掘进巷道超前探测方法，与可控震源类似，该方法需要记录高信噪比的掘进机破岩震动信号，该信号一般被称为参考信号。利用参考信号与巷道内地震测线记录的数据做互相关处理，就能从连续的掘进地震中得到类似脉冲震源的地震炮集。随着巷道向前掘进，地震测线要随之前移。随掘地震的数据采集系统分为2个部分，一个是掘进机机载的参考信号记录系统，另一个是巷道内的地震测线，前者要跟随掘进机实时前移，后者相对比较固定，要掘进一段距离后才向前移动一次。因为数据采集系统由两部分组成，时间对齐就成为了一个主要矛盾。本发明的装置和方法可以有效解决随掘地震系统的时间对齐问题。本发明的装置可以与巷道测线安装在一起，在每次对时操作时与参考信号数据采集系统连接上，对时后再与参考信号采集系统分离，避免连接线缆对掘进机的干扰和约束。图6是掘进巷道随掘地震的俯视示意图，本装置与每一个地震采集系统的连接耦合关系由图1和图2详细表示。

本发明的矿用多地震采集系统时间对齐系统用在随掘地震中，该系统布置在煤层17内的掘进巷道15内，地震采集系统之间通过地震测线通信线16连接，其中一个地震仪作为参考信号地震仪14进行时间对齐。

Claims (9)

1.一种矿用多地震采集系统时间对齐系统，用于实现矿用多地震采集系统时间对齐方法，该方法包括：步骤1：煤矿井下产生瞬时电磁脉冲后，多个地震采集系统同时感应并接收电磁脉冲信号；步骤2：以其中任意一个地震采集系统接收到的电磁脉冲信号为基准电磁脉冲信号，分别计算出其他地震采集系统接收到的电磁脉冲信号与该基准电磁脉冲信号之间的时间差；步骤3：以步骤2得到的时间差分别对其他地震采集系统做时间延迟，使得多地震采集系统时间对齐；其特征在于，

包括发爆器(1)，用于激发产生瞬时电磁脉冲；

炮线(4)，通过炮线(4)将所有地震采集系统和发爆器(1)连接；

多个感应环(6)，穿过每个地震采集系统的地震仪信号电缆(7)，用于当瞬时电磁脉冲到来时发射出电磁信号，通过电磁感应向地震采集系统的地震仪信号电缆(7)传入电磁脉冲信号。

2.如权利要求1所述矿用多地震采集系统时间对齐系统，其特征在于，步骤2中，采用互相关方法分别计算出其他地震采集系统接收到的电磁脉冲信号与该基准电磁脉冲信号之间的时间差。

3.如权利要求1所述矿用多地震采集系统时间对齐系统，其特征在于，还包括控制模块，所述控制模块储存有计算机程序，所述计算机程序用于执行权利要求1中的矿用多地震采集系统时间对齐方法。

4.如权利要求1所述矿用多地震采集系统时间对齐系统，其特征在于，还包括电阻(9)，连接在炮线(4)上。

5.如权利要求1或3所述矿用多地震采集系统时间对齐系统，其特征在于，还包括多个地震检波器(8)，连接在每个地震采集系统的地震仪信号电缆(7)一端。

6.权利要求1所述矿用多地震采集系统时间对齐系统在槽波勘探或随采地震中的应用。

7.如权利要求6所述应用，其特征在于，该系统布置在下巷道(10)和上巷道(12)之间的工作面(13)上。

8.权利要求1所述矿用多地震采集系统时间对齐系统在随掘地震中的应用。

9.如权利要求8所述应用，其特征在于，该系统布置在煤层(17)内的掘进巷道(15)内，地震采集系统之间通过地震测线通信线(16)连接。

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