張晨林 左衛(wèi)華

摘要：地震勘探作技術為一種重要的勘探方法，可以經濟、有效的發(fā)現資源和解決資源開采過程中遇到的構造、地層、巖性等問題。煤炭地震勘探發(fā)展過程中地震野外數據采集、地震數據處理和地震解釋都取得了重大成就，隨著節(jié)點技術在地震勘探方面的廣泛應用，本文在介紹無線節(jié)點設備的優(yōu)勢與無線節(jié)點設備分類的基礎上，闡述了礦用節(jié)點式地震儀設計要點，并詳細介紹了GSR采集設備在煤炭系統(tǒng)地震勘探中的應用，文章最后也結合時代特征，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用。

關鍵詞：節(jié)點技術;煤炭系統(tǒng);地震勘探

引言

在地球物理勘探技術手段中，地震勘探是分辨率最高的構造探測技術。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。但是，煤礦井下地震勘探技術的發(fā)展和應用相對滯后。究其原因，一是煤礦井下地震勘探的介質條件既非半空間又非全空間，波場傳播規(guī)律非常復雜，難以將地面上成熟的二維、三維地震勘探技術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發(fā)展的瓶頸之一。因此，急需對煤礦井下地震勘探技術與裝備開展研究，以發(fā)揮煤礦井下地震勘探技術的用途。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，適應了煤礦井下高精度槽波地震探測的技術需求。

一、無線節(jié)點儀器介紹

1.1無線節(jié)點設備的優(yōu)勢

相對傳統(tǒng)的有線地震采集系統(tǒng)，應用無線節(jié)點開展地震采集具有以下優(yōu)勢：①沒有數據傳輸帶寬的限制，理論上采集道數可無限擴展，為超高密度地震采集奠定了基礎，提高了地震勘探解決復雜地質問題的能力;②消除村莊、工農業(yè)場站等復雜地表條件對接收排列的制約，可實現接收點的準確放樣（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據，不存在排列不通的問題，可實現24小時連續(xù)接收;④接收的地震數據存貯在各個節(jié)點終端，采集完成后回收至室內的連續(xù)記錄（母記錄），可在室內靈活定義切分單炮使用的接收排列，根據地震資料處理的需要增加采集實際覆蓋次數，改善地震資料品質。

1.2無線節(jié)點設備分類

無線節(jié)點設備繁多，需要結合地表條件、勘探目標、生產高效管理等多種因素，優(yōu)選出符合生產項目的最優(yōu)節(jié)點設備。國際物探設備市場主流節(jié)點設備至少有七種類型，傳統(tǒng)有線采集設備公司開發(fā)節(jié)點設備爭奪節(jié)點市場份額，如Sercel公司Unite INOVA公司Hawk節(jié)點設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)點設備需要外接電源及檢波器，且設備相對笨重，增加野外施工難度與勞動強度，設備暴露地表存在較大丟失風險;Sercel是比較著名的歐洲大陸采集設備的開發(fā)商，其開發(fā)的UniteRAU，節(jié)點儀器，也得到了較為良好的應用。該設備的優(yōu)勢較為明顯，其內容存量足夠大，達到了8GB之多，在全世界范圍內也首屈一指。其供電方式更為靈活，采用了備用內置電池，也可根據用戶需求使用外部電池。其具有靈活的數據回收方式，不但能夠和其它節(jié)點設備一樣，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范圍內的節(jié)點數據加以回收。該設備能夠和傳統(tǒng)有線采集設備428XL聯合使用，滿足不同人群的使用需求。另外，設備的供電能力、內存能力十分強大，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，能夠對不同層次物探需求加以滿足。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、操作簡單等應用優(yōu)勢。具體參數見表1所示。

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

二、礦用節(jié)點式地震儀設計

2.1 技術要求

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

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

2）技術先進。這是基本的推薦性技術要求。

在煤礦井下溫度、濕度、煤塵等復雜工況條件下，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;在性能指標上，以滿足探測需要為前提，盡可能實現高采樣率、大動態(tài)范圍、可靈活擴展、適應性強等。

3）施工快捷。

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

2.2設計理念

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

1）節(jié)點式設計是指儀器無主機、無大線、無數據傳輸，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、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，按照設計的位置布設接收點，獨立進行數據采集，采集道數可以自由擴展。

4）三通道存儲是指每臺節(jié)點式地震儀設計為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據采集結束后，全部數據在回到地面后利用高速以太網實現數據集中回收。

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

三、GSR采集設備在煤炭系統(tǒng)地震勘探中的應用

3.1 ?GSR儀器設備簡介

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

GSR 節(jié)點儀器的野外數據采集部分由采集站、電池和檢波器串構成。 GSR 采集站內置 24 位模數轉換器、 4 GB/8 GB 存儲卡、內置測試信號發(fā)生器及高靈敏度內置 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)的室內下載及合成包括質控和數據處理部分。GSR節(jié)點儀器采集數據經DTM（Digital Terrain Model）單元，將原始數據下載至磁盤陣列，經由處理系統(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)的有效地震數據，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，應用實例見圖2。

通過實例應用，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電源站不通致使停止采集的現象，為野外作業(yè)提高效率;②實現了無限大道數據采集，使得采集設備減少，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)點儀器適用于復雜地表，滿足在山地、高風險雷區(qū)及牧區(qū)等復雜地帶區(qū)域的施工要求，有效規(guī)避有線儀器架設過路線造成的安全風險隱患。

3.2設備組成簡介

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

3.2.1野外采集部分

GSR采集系統(tǒng)的野外數據采集部分由采集站、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，內置24位模數轉換器、高靈敏度內置GPS接收器等。

3.2.2質控部分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，能夠藍牙搜索到設定范圍內采集單元查線時刻多種信息，主要包括已采集數據量、GPS信號、坐標、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控信息。查線過程中或者室內質控時發(fā)現該道存在任何問題，可及時采取相應整改措施，如更換電瓶、重新連接和埋置檢波器等。

3.2.3數據處理部分

主要包括數據下載單元、磁盤陣列、數據管理單元（工作站）、電池充電設備（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行數據下載和充電工作。GSR節(jié)點采集儀器的關鍵在于高精度的時鐘系統(tǒng)和穩(wěn)定的記錄系統(tǒng)。數據采集過程中GSR內置每6min左右時鐘與GPS進行時鐘校準，確保內部時鐘的精度，室內數據處理時使用GoeMerge軟件進行數據處理時將這些時間信息標記在數據道頭上，作為后續(xù)數據切割的標記。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)源上的輔助記錄設備如SDR或DSG進行記錄。數據切分主要是按照每一炮的TB將對應的有效地震信息從連續(xù)道集內分割出來，并完成數據的相關。

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雜區(qū)域檢波點布設點位的正點率，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合采集施工。筆者單位使用的是法國Sercel公司的428XL有線數字地震采集儀。由于來自不同的生產商，其硬件指標、參數不同，兩套儀器之間會存在一致性差異，這種差異會造成數據處理的比較差異。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用

在2013年，Sercel公司推出了新一代地震勘探儀器，508XT，儀器應用X-Tech構架，改變了傳統(tǒng)儀器的理念，對節(jié)點技術進行了應用，以期達到1百萬道以上的帶道能力。在該設備當中，實現了有線設備、無線設備Unite的良好融合，實現了理想的混用模式。同時，對428XL的便捷功能加以繼承，極大的簡化了野外設備。在508XT系統(tǒng)當中，沒有設置獨立的電源站、交叉站等設備，由CX-508地面設備，實現了數傳單元、數據存儲、野外控制等功能。系統(tǒng)應用了節(jié)點技術，CX-508實際上就是1個節(jié)點單元，其內部的內存冗余達到了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不但能夠對節(jié)點單元進行管理，同時可發(fā)揮交叉站的功能，提升光纜交叉線的傳輸速率，達到1Gbps以上。此外，由于結合了CX-508單元、節(jié)點技術，在大線傳輸中，能夠達到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，地面設備CX-508和Unite Rau等都內置了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可以實現有線和無線RAU的混用，如圖4所示。無線的設備也可以通過CX-508實現實時的QC信息，當有線排列“失聯”之后，CX-508啟動無線工作模式，除了不能回傳地震采集數據外，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。

結論

經過近些年快速發(fā)展，無線地震采集系統(tǒng)已經成為煤炭系統(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，預計未來在地震采集市場中將占據越來越多市場份額。通過實際生產應用，靈活及高密度的節(jié)點采集使得地震數據品質得到提升，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)點進行地震勘探部署。

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