張晨林 左衛(wèi)華

摘要：地震勘探作技術(shù)為一種重要的勘探方法，可以經(jīng)濟、有效的發(fā)現(xiàn)資源和解決資源開采過程中遇到的構(gòu)造、地層、巖性等問題。煤炭地震勘探發(fā)展過程中地震野外數(shù)據(jù)采集、地震數(shù)據(jù)處理和地震解釋都取得了重大成就，隨著節(jié)點技術(shù)在地震勘探方面的廣泛應(yīng)用，本文在介紹無線節(jié)點設(shè)備的優(yōu)勢與無線節(jié)點設(shè)備分類的基礎(chǔ)上，闡述了礦用節(jié)點式地震儀設(shè)計要點，并詳細(xì)介紹了GSR采集設(shè)備在煤炭系統(tǒng)地震勘探中的應(yīng)用，文章最后也結(jié)合時代特征，分析了節(jié)點在新一代煤炭系統(tǒng)地震勘探采集儀器中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：節(jié)點技術(shù);煤炭系統(tǒng);地震勘探

引言

在地球物理勘探技術(shù)手段中，地震勘探是分辨率最高的構(gòu)造探測技術(shù)。在地面物探中，地震勘探成為石油天然氣、煤炭資源勘查的首選技術(shù)。但是，煤礦井下地震勘探技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用相對滯后。究其原因，一是煤礦井下地震勘探的介質(zhì)條件既非半空間又非全空間，波場傳播規(guī)律非常復(fù)雜，難以將地面上成熟的二維、三維地震勘探技術(shù)不加改變地直接移植到井下;二是相對于電磁法探測手段而言，適于煤礦井下地震勘探的本安型、便攜式、多通道儀器較少，地震儀器成為制約煤礦井下地震勘探技術(shù)發(fā)展的瓶頸之一。因此，急需對煤礦井下地震勘探技術(shù)與裝備開展研究，以發(fā)揮煤礦井下地震勘探技術(shù)的用途。依托國家科技重大專項項目的支持，開發(fā)出基于節(jié)點式、存儲型、無纜、便攜、本安防爆的礦用節(jié)點式地震儀，適應(yīng)了煤礦井下高精度槽波地震探測的技術(shù)需求。

一、無線節(jié)點儀器介紹

1.1無線節(jié)點設(shè)備的優(yōu)勢

相對傳統(tǒng)的有線地震采集系統(tǒng)，應(yīng)用無線節(jié)點開展地震采集具有以下優(yōu)勢：①沒有數(shù)據(jù)傳輸帶寬的限制，理論上采集道數(shù)可無限擴展，為超高密度地震采集奠定了基礎(chǔ)，提高了地震勘探解決復(fù)雜地質(zhì)問題的能力;②消除村莊、工農(nóng)業(yè)場站等復(fù)雜地表條件對接收排列的制約，可實現(xiàn)接收點的準(zhǔn)確放樣（聶明濤等，2016;史子樂等，2019;路交通等，2020）;③在野外放樣完成后，即刻開始自主不間斷接收地震數(shù)據(jù)，不存在排列不通的問題，可實現(xiàn)24小時連續(xù)接收;④接收的地震數(shù)據(jù)存貯在各個節(jié)點終端，采集完成后回收至室內(nèi)的連續(xù)記錄（母記錄），可在室內(nèi)靈活定義切分單炮使用的接收排列，根據(jù)地震資料處理的需要增加采集實際覆蓋次數(shù)，改善地震資料品質(zhì)。

1.2無線節(jié)點設(shè)備分類

無線節(jié)點設(shè)備繁多，需要結(jié)合地表條件、勘探目標(biāo)、生產(chǎn)高效管理等多種因素，優(yōu)選出符合生產(chǎn)項目的最優(yōu)節(jié)點設(shè)備。國際物探設(shè)備市場主流節(jié)點設(shè)備至少有七種類型，傳統(tǒng)有線采集設(shè)備公司開發(fā)節(jié)點設(shè)備爭奪節(jié)點市場份額，如Sercel公司Unite INOVA公司Hawk節(jié)點設(shè)備需要外接檢波器電源，增加野外施工工序及難度，但可與其有線系統(tǒng)兼容，視為其有線采集系統(tǒng)補充，該優(yōu)勢是其它節(jié)點系統(tǒng)所缺失的;Geospace GSX節(jié)點設(shè)備需要外接電源及檢波器，且設(shè)備相對笨重，增加野外施工難度與勞動強度，設(shè)備暴露地表存在較大丟失風(fēng)險;Sercel是比較著名的歐洲大陸采集設(shè)備的開發(fā)商，其開發(fā)的UniteRAU，節(jié)點儀器，也得到了較為良好的應(yīng)用。該設(shè)備的優(yōu)勢較為明顯，其內(nèi)容存量足夠大，達(dá)到了8GB之多，在全世界范圍內(nèi)也首屈一指。其供電方式更為靈活，采用了備用內(nèi)置電池，也可根據(jù)用戶需求使用外部電池。其具有靈活的數(shù)據(jù)回收方式，不但能夠和其它節(jié)點設(shè)備一樣，采用站體整體回收連線下載的方式，也可以采用Harcester與CAN的連接，對野外1km范圍內(nèi)的節(jié)點數(shù)據(jù)加以回收。該設(shè)備能夠和傳統(tǒng)有線采集設(shè)備428XL聯(lián)合使用，滿足不同人群的使用需求。另外，設(shè)備的供電能力、內(nèi)存能力十分強大，能夠確保在野外環(huán)境中，保持較長的連續(xù)工作時間。這些不同的無線節(jié)點儀器，能夠?qū)Σ煌瑢哟挝锾叫枨蠹右詽M足。如果單從勞動量、操作難度上來說，GSR顯然更具優(yōu)勢，特別是經(jīng)過具體項目實踐，也證明其記錄時間長、重量輕、操作簡單等應(yīng)用優(yōu)勢。具體參數(shù)見表1所示。

綜合節(jié)點設(shè)備各種系統(tǒng)參數(shù)特性，考慮施工強度、作業(yè)成本、項目周期、勘探目標(biāo)等因素，最終選擇Nuseis節(jié)點作為某地震采集項目施工設(shè)備。一方面能夠減少野外作業(yè)人員及車輛，減少成本，在復(fù)雜地表條件下利于布設(shè)掩埋，具有較好隱蔽性，減少被盜風(fēng)險;另一方面續(xù)航時間符合施工周期、良好耦合特性提升數(shù)據(jù)品質(zhì)。Nuseis節(jié)點采集站內(nèi)置24位A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換、10Hz檢波器、瞬時動態(tài)范圍127db。

二、礦用節(jié)點式地震儀設(shè)計

2.1 技術(shù)要求

在煤礦井下開展槽波地震勘探的儀器，應(yīng)該滿足以下基本需求[31）本安防爆。這是通用的強制性技術(shù)要求。

在煤礦井下有瓦斯、煤塵等爆炸危險的環(huán)境中使用的所有設(shè)備，其防爆性能必須符合CB3836.1-2010《爆炸性環(huán)境第1部分：設(shè)備通用要求》和GB 3836.4-2010《爆炸性環(huán)境第4部分：由本質(zhì)安全型““保護的設(shè)備》的相關(guān)規(guī)定。

2）技術(shù)先進(jìn)。這是基本的推薦性技術(shù)要求。

在煤礦井下溫度、濕度、煤塵等復(fù)雜工況條件下，儀器工作要滿足高穩(wěn)定性、高可靠性、低功耗、長時間采集等特殊要求;在性能指標(biāo)上，以滿足探測需要為前提，盡可能實現(xiàn)高采樣率、大動態(tài)范圍、可靈活擴展、適應(yīng)性強等。

3）施工快捷。

這是可選的推薦性技術(shù)要求。在煤礦井下開展地震勘探時，作業(yè)區(qū)附近的生產(chǎn)活動必須停止，這就要求儀器便攜、施工快捷、工序簡單、用人較少等。

2.2設(shè)計理念

礦用節(jié)點式地震儀的設(shè)計理念可以概括為“節(jié)點式設(shè)計、獨立型激發(fā)、分布式采集、三通道存儲、集中式回收”，這些設(shè)計理念較好地呼應(yīng)了煤礦井下地震儀器設(shè)計的客觀需求，其主要特點體現(xiàn)在[4-5：

1）節(jié)點式設(shè)計是指儀器無主機、無大線、無數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)點式地震儀集傳統(tǒng)的分布式儀器的主機、采集站、交叉站、電源站于一體，可以靈活布設(shè)、方便采集，但又遵守統(tǒng)一的時間約定。

2）獨立型激發(fā)是指可以獨立同時激發(fā)（ISS，independent simultaneous shooting）方式采集，對震源激發(fā)時間不作任何制約，可在確保安全的情況下同時放炮，大幅提高了作業(yè)效率，縮短了采集時間。

3）分布式采集是指以各個節(jié)點式地震儀為單元，按照設(shè)計的位置布設(shè)接收點，獨立進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集道數(shù)可以自由擴展。

4）三通道存儲是指每臺節(jié)點式地震儀設(shè)計為3個通道，可以滿足三分量采集的需求。

5）集中式回收是指井下數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，全部數(shù)據(jù)在回到地面后利用高速以太網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)集中回收。

綜上可知，基于“節(jié)點式設(shè)計、獨立型激發(fā)、分布式采集、三通道存儲、集中式回收”的儀器設(shè)計理念，礦用節(jié)點式地震儀實現(xiàn)了本安防爆、技術(shù)先進(jìn)、施工快捷的要求，每個采集通道的折合質(zhì)量約1 kg，為煤礦井下槽波地震勘探技術(shù)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

三、GSR采集設(shè)備在煤炭系統(tǒng)地震勘探中的應(yīng)用

3.1 ?GSR儀器設(shè)備簡介

OYO GeoSpace 公司開發(fā)的 GSR 無線節(jié)點儀器（圖 1），是一種無線地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有輕便、靈活、操作簡單、穩(wěn)定可靠的特點，可適應(yīng)不同環(huán)境要求的地震數(shù)據(jù)采集儀器，具有野外采集部分和室內(nèi)下載及合成功能。GSR 無線節(jié)點外觀見圖 1。

GSR 節(jié)點儀器的野外數(shù)據(jù)采集部分由采集站、電池和檢波器串構(gòu)成。 GSR 采集站內(nèi)置 24 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、 4 GB/8 GB 存儲卡、內(nèi)置測試信號發(fā)生器及高靈敏度內(nèi)置 GPS 接收器等，功能齊全，每站可接收 1 — 4 道近 30 天可連續(xù)記錄。

GSR系統(tǒng)的室內(nèi)下載及合成包括質(zhì)控和數(shù)據(jù)處理部分。GSR節(jié)點儀器采集數(shù)據(jù)經(jīng)DTM（Digital Terrain Model）單元，將原始數(shù)據(jù)下載至磁盤陣列，經(jīng)由處理系統(tǒng)處理，形成連續(xù)道集的SEGD文件。該文件每道長度為60s，每個站每天生成1個SEGD文件。截取的每次激發(fā)的有效地震數(shù)據(jù)，是通過震動源記錄終端得到的SIT表或者激發(fā)儀器的操作員電子板報所得，故SIT表記錄每次激發(fā)的GPS時間。

GSR無線節(jié)點采集系統(tǒng)一般由GSR、檢波器和電池組成，應(yīng)用實例見圖2。

通過實例應(yīng)用，可知GSR無線節(jié)點儀器具有以下優(yōu)勢：①穩(wěn)定的工作特性，使得節(jié)點儀器較大減少了建排列和差排列的時間，避免了有線儀器因大線或者少數(shù)電源站不通致使停止采集的現(xiàn)象，為野外作業(yè)提高效率;②實現(xiàn)了無限大道數(shù)據(jù)采集，使得采集設(shè)備減少，以致于對野外施工人員和運載車輛的需求大幅減少，降低了項目運作成本;③采集站間無大線鏈接，避免部分外界因素產(chǎn)生的干擾，降低采集站噪音水平，提高資料信噪比;④GSR無線節(jié)點儀器適用于復(fù)雜地表，滿足在山地、高風(fēng)險雷區(qū)及牧區(qū)等復(fù)雜地帶區(qū)域的施工要求，有效規(guī)避有線儀器架設(shè)過路線造成的安全風(fēng)險隱患。

3.2設(shè)備組成簡介

GSR是一種新型無線地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，輕便、靈活、操作簡單、穩(wěn)定可靠、可適應(yīng)不同環(huán)境要求的自主存儲式節(jié)點式地震數(shù)據(jù)采集儀器。

3.2.1野外采集部分

GSR采集系統(tǒng)的野外數(shù)據(jù)采集部分由采集站、電池（如圖1所示）和檢波器串三部分組成。GSR采集站功能齊全，內(nèi)置24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、高靈敏度內(nèi)置GPS接收器等。

3.2.2質(zhì)控部分Line view查線助手

Line view外形類似便攜式的手提電腦，如圖3所示，具有無線監(jiān)測功能，能夠藍(lán)牙搜索到設(shè)定范圍內(nèi)采集單元查線時刻多種信息，主要包括已采集數(shù)據(jù)量、GPS信號、坐標(biāo)、檢波器連接、檢波器埋置等常規(guī)采集儀器所能獲得的一切質(zhì)控信息。查線過程中或者室內(nèi)質(zhì)控時發(fā)現(xiàn)該道存在任何問題，可及時采取相應(yīng)整改措施，如更換電瓶、重新連接和埋置檢波器等。

3.2.3數(shù)據(jù)處理部分

主要包括數(shù)據(jù)下載單元、磁盤陣列、數(shù)據(jù)管理單元（工作站）、電池充電設(shè)備（如圖2所示）等。正常的倒排列期間需要將GSR采集單元和電瓶分別拉回營地進(jìn)行數(shù)據(jù)下載和充電工作。GSR節(jié)點采集儀器的關(guān)鍵在于高精度的時鐘系統(tǒng)和穩(wěn)定的記錄系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集過程中GSR內(nèi)置每6min左右時鐘與GPS進(jìn)行時鐘校準(zhǔn)，確保內(nèi)部時鐘的精度，室內(nèi)數(shù)據(jù)處理時使用GoeMerge軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時將這些時間信息標(biāo)記在數(shù)據(jù)道頭上，作為后續(xù)數(shù)據(jù)切割的標(biāo)記。切分用的每一炮的TB來自于激發(fā)系統(tǒng)信號發(fā)生器，由安裝在激發(fā)源上的輔助記錄設(shè)備如SDR或DSG進(jìn)行記錄。數(shù)據(jù)切分主要是按照每一炮的TB將對應(yīng)的有效地震信息從連續(xù)道集內(nèi)分割出來，并完成數(shù)據(jù)的相關(guān)。

3.2.4儀器一致性差異解決

在具體的工作中，為了降低施工成本和確保復(fù)雜區(qū)域檢波點布設(shè)點位的正點率，通常將GSR無線節(jié)點地震采集儀器與傳統(tǒng)有線地震采集儀器聯(lián)合采集施工。筆者單位使用的是法國Sercel公司的428XL有線數(shù)字地震采集儀。由于來自不同的生產(chǎn)商，其硬件指標(biāo)、參數(shù)不同，兩套儀器之間會存在一致性差異，這種差異會造成數(shù)據(jù)處理的比較差異。在采集工作中，需要檢查計算兩套儀器之間的系統(tǒng)延遲差異（主要是首樣點的取值方式），并通過修改GSR地震預(yù)處理軟件的軟件算法以統(tǒng)一儀器首樣點的取舍，使兩種儀器保持一致性。

四、節(jié)點在新一代煤炭系統(tǒng)地震勘探采集儀器中的應(yīng)用

在2013年，Sercel公司推出了新一代地震勘探儀器，508XT，儀器應(yīng)用X-Tech構(gòu)架，改變了傳統(tǒng)儀器的理念，對節(jié)點技術(shù)進(jìn)行了應(yīng)用，以期達(dá)到1百萬道以上的帶道能力。在該設(shè)備當(dāng)中，實現(xiàn)了有線設(shè)備、無線設(shè)備Unite的良好融合，實現(xiàn)了理想的混用模式。同時，對428XL的便捷功能加以繼承，極大的簡化了野外設(shè)備。在508XT系統(tǒng)當(dāng)中，沒有設(shè)置獨立的電源站、交叉站等設(shè)備，由CX-508地面設(shè)備，實現(xiàn)了數(shù)傳單元、數(shù)據(jù)存儲、野外控制等功能。系統(tǒng)應(yīng)用了節(jié)點技術(shù)，CX-508實際上就是1個節(jié)點單元，其內(nèi)部的內(nèi)存冗余達(dá)到了4GB，在每個CX-508中，通過排列均能夠管控74道DSU-508，或64道FDU-508。另外CX-508不但能夠?qū)?jié)點單元進(jìn)行管理，同時可發(fā)揮交叉站的功能，提升光纜交叉線的傳輸速率，達(dá)到1Gbps以上。此外，由于結(jié)合了CX-508單元、節(jié)點技術(shù)，在大線傳輸中，能夠達(dá)到40 Mbps的速率。

與所有的節(jié)點儀器一樣，508XT對GPS的依賴性很強，地面設(shè)備CX-508和Unite Rau等都內(nèi)置了GPS GPS除了同步采集之外，對于RAU還有定位甚至防盜的作用。508XT可以實現(xiàn)有線和無線RAU的混用，如圖4所示。無線的設(shè)備也可以通過CX-508實現(xiàn)實時的QC信息，當(dāng)有線排列“失聯(lián)”之后，CX-508啟動無線工作模式，除了不能回傳地震采集數(shù)據(jù)外，實時QC電瓶管理等信息可以通過無線回傳，此時的CX-508無線最大回傳距離為1 km。

結(jié)論

經(jīng)過近些年快速發(fā)展，無線地震采集系統(tǒng)已經(jīng)成為煤炭系統(tǒng)地震勘探重要組成部分，雖然存在節(jié)點儀器狀態(tài)、環(huán)境噪音無法實時監(jiān)控的盲采弊端，存在節(jié)點丟失、被盜等風(fēng)險，但節(jié)點儀器發(fā)展的潮流無法阻擋，且逐漸朝著輕便低廉、智能化、自動化部署等方向發(fā)展，使得百萬道級地震采集未來成為可能，預(yù)計未來在地震采集市場中將占據(jù)越來越多市場份額。通過實際生產(chǎn)應(yīng)用，靈活及高密度的節(jié)點采集使得地震數(shù)據(jù)品質(zhì)得到提升，驗證了無線節(jié)點采集的有效性、可靠性及優(yōu)越性，相信未來越來越多煤炭系統(tǒng)公司將傾向于采用節(jié)點進(jìn)行地震勘探部署。

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