超前探测为煤矿安全生产保驾护航

——记福州华虹智能科技开发有限公司
“高分辨率矿井地质探测仪研制及产业化”项目

6.18记者  苏文土

    2007年4月，被选为“2007年煤炭工业十大项新技术重点推广项目”；
    2007年7月，科技部科技型中小企业技术创新基金会给予立项支持；
    2008年3月，项目获得省发改委6•18项目成果转化扶持资金；
    2008年5月，项目被立项为“2008年福建省科技计划重点项目”；
    2008年，在国际金融危机的影响下，项目产品仍然实现销售45套，实现销售收入1358万元，税收176万元。销售量占全国同类产品的三分之一。
    这，便是物探领域民营企业——福洲华虹智能科技开发有限公司所承担的“高分辨率矿井地质探测仪研制及产业化”项目。

先进仪器并非都适合煤炭矿井
    浅层地震勘探是根据人工激发的地震波在被测地质体中传播的物理特性，来研究地层的地震参数和岩土物理参数及结构参数之间的关系，从而确定各种地质界面的空间位置与形态，解决非均匀复杂小构造地质体的形态、性质和结构，并且对地下地质进行综合评介。做为一门年轻的正在蓬勃发展的地球物理勘探学科，浅层地震勘探正越来越广泛地应用于工程地质和环境地质勘探中，成为解决工程地学问题的必不可少的而且有效的高科技手段。
    浅层地震勘探仪器作为浅层地震勘探的主要工具和手段，是目前世界上公认的高端和高档仪器装备，也是一类昂贵的仪器设备，其每一项技术突破都能极大推动浅层地震勘探理论、技术与方法的应用。近年来，随着科技技术的日新月异，浅层地震勘探技术在勘查能力和勘查精度方面得到极大提高，国际上工程物探借助浅层地震勘仪器进行工程地质勘察、地质灾害探测已成为一种趋势。代表国际先进水平的仪器也比较多，如美国Geometrics公司的ES系列和Geode系列浅层地震仪、日本OYO公司McSEIS-S×系列浅层地震仪、瑞典ABEM公司的MK系列浅层地震仪、重庆地质仪器厂DZQ系列浅层地震仪等。这些先进仪器的共同特点是采用基于通用PC104工控机的主机系统并且通道数比较多，功耗高、体积大，非常适合于地面工程地质勘探和环境地质勘探，但是很难满足煤矿本安型产品对仪器的功耗要求，因此并不适合用于煤矿井下巷道四周施工地质勘探。而能够应用于煤矿井下的先进浅层地震勘探仪器则比较少，而且探测与分析处理精度、应用范围都受到很大的限制。
    煤炭是事关国民经济可持续发展的基础产业，随着国民经济的发展，各个行业对煤炭的需求量不断增加，如何保障煤炭生产的安全高效和可持续性发展就显得很重要。另外，我国煤炭资源虽然丰富，但煤层赋存条件、地质构造复杂，自然发火、高瓦斯、煤与瓦斯突出煤层多，致使煤矿生产中安全问题较复杂，且随着采掘尝试的加大，高产矿井的发展，煤矿又面临着许多新的安全技术问题。因此，充分利用在地面工程地质和环境地质工程中使用的浅层地震勘探仪器先进技术，结合嵌入式系统及低功耗设计技术，研制可在煤矿井下使用的低功耗本安型先进的矿井浅层地震勘探仪器，是保证煤矿生产的施工地质安全迫切需要解决的问题。

专利技术为煤矿安全生产保驾护航
    为了克服现有的地面浅层地震勘探仪器功耗高和矿井浅层地震勘探仪器精度差与应用范围受限的问题，华虹公司联合中国矿业大学研发了“高分辨率矿井地质探测仪”。不仅可以使浅层地震勘探仪器的功耗满足煤矿本安型产品要求，而且可以解决矿井浅层地震仪器精度和应用范围受限的问题，而且具有体积小、重量轻等特点，能够解决矿井巷道现场探测空间环境受限和施工场所较远所带来的不便。其整机设计和技术处于国际领先水平，填补了我国在浅层地质勘探领域的技术空白，为煤炭企业实现增产降耗、有效防治矿井灾害提供了一种有效、经济的解决方案，可以促进煤炭企业的安全高效生产，提升矿井地质勘探科技应用水平。
    项目研发的高分辨矿井地质探测仪是属于在煤矿井下应用的一类特殊产品，在勘探原理上是利用人工震源激发的地震波（包括瑞利面波、反射波、折射波和透射波等），通过被测介质到达检测点后被仪器记录并且进行显示、分析、处理与解释，进而推断被测介质的地质构造。它与其他浅层地震勘探仪器主要的不同在于，适合在矿井巷道这一特殊环境，具有低功耗、本质安全防爆，可以在高瓦斯和高潮湿中使用。仪器集成了多种浅层地震勘探方法及其探测与处理系统，在硬件系统、软件系统、图形用户界面（GUI）系统和应用软件系统等方面都采用了一套具有自己特色和创新的技术原理、技术方案和技术路线——
    1、在采样控制方面，首次将最新的可编程片上系统（SOPC）技术引入到浅层地震勘仪器中不仅可以解决浅层地震勘探仪器高速复杂的地震信号数据采集控制问题，而且可以适应浅层地震勘探仪器集成有多种勘探方法时在数据采集方法差异而导致不同采样控制方法，降低了仪器在采集控制方面的功耗：
    2、在浮点放大方面，采用了软件数字分段连续浮点放大方式；
    3、在信号滤波方面，采用了多种类型可选的软件数字滤波器；
    4、在低功耗设计方面，建立了独立于仪器主机系统之外的基于SOPC低功耗采样控制平台；
    5、在主机的硬件平台方面，采用自行研发的基于PowerPC体系结构的32位嵌入式系统硬件平台，有利于降低仪器在主机系统方面的功耗。目前，大多数先进的浅层地震勘探仪器都采用PC/104工控机作为仪器主机系统硬件平台，以利用通用的PC/104工控机OEM产品加快仪器开发进度，但其高功耗和高成本决定了难以在煤矿井下勘探仪器中应用。采用自主研发的嵌入式系统则完全按系统需要设计，不存在多余的功能模块，具有可任意裁减、功耗少、成本低和专用性等特点：
    6、在主机的软件平台方面，采用了开源、可自由裁减的嵌入式Linux操作系统作为仪器主机系统的软件平台，并研发了具有自主知识产权、适合于浅层地震勘仪器系列产品开发的小型嵌入式Linux操作系统：
    7、在主机的图形用户界面（GU1）平台方面，创建了世界上首套适合于浅层地震勘探仪器图形用户界面开发专用的GUI平台：
    8、首创将流程图引入到浅层地震勘仪器内置的集成解释系统中，创建了一套适合于矿井巷道余煤厚度探测的零偏移距法顶底煤厚全自动探测方法。
    华虹公司从2007年开始组织人员联合中国矿业大学研发这一项目，并于2008年初通过煤矿矿用产品安全认证和电气防爆设备防爆检验，2008年初进入小批量生产，2008年7月建设、改造500平方米生产车间、生产流水线和产品性能检测系统，进入工业化生产阶段，并建设、完善市场拓展系统。在项目开发的基础上，华虹公司获得了1项发明专利和1项实用新型专利。项目产品不仅可以超前探测矿井采煤工作面和掘进工作面前方的地质构造，而且可以探测矿井巷道顶板和底板、两侧帮一定范围内的煤层和岩层的厚度和地质构造。

技术创新为本，华虹跨越发展
    创办于2002年9月的华虹智能科技开发有限公司，主要致力于浅层物探技术的应用研究及物探智能探测仪、电子智能仪器产品的设计开发、生产制造和销售服务。该公司成立伊始便确立了“技术以创新为本”的经营理念，力求始终走在矿井和工程物探技术应用研究的前列。为此，公司与中国矿业大学、安徽理工大学、中南大学、福州大学等高等院校和科研机构建立了良好的产学研战略合作关系，同时与国内许多矿业企业建立紧密合作伙伴关系。2005年，华虹公司联合中国矿业大学地球物理研究所、安徽理工大学物探研究中心、安徽惠洲地下灾害研究设计院创办了“中国矿井物探网”，依托网络平台加强与业内专家学者的技术交流。近几年，华虹还积极参与承办全国矿井物探应用技术专题论坛暨矿井综合物探技术应用交流会等行业技术交流活动。经过几年的发展和积累，华虹公司已经建立起了一支由教授、高工、博士、硕士组成的研发团队，并在矿井物探和浅层地球物理勘探应用领域形成了自身的核心技术优势，迄今已拥有多项具有自主知识产权的物探智能探测仪产品和专有技术，其中包括浅层地球物理勘探仪器系列产品开发平台、嵌入式系统图形用户界面（GUI）平台、高速数据采集平台（基于SOPC）等。
    “高分辨率矿井地质探测仪研制及产业化”在研发过程中得到了各级各部门的大力支持，华虹公司得以加大研发投入，缩短开发周期，同时更加树立了“技术创新”的信心。目前，华虹已开发成功“隧道超前探测仪”、“矿井巷道超前探测仪”、“高分辨率矿井地质探测仪”、“矿用瞬变电磁仪”等新一代物探智能探测仪系列产品，在为用户的安全高效生产、预防治理生产过程中的水害和地质灾害提供更可靠的技术保障的同时，公司的销售业绩也是逐年翻番增长。
以技术创新为本，华虹实现了跨越式发展。