隨采地震數據處理軟件開發與應用

王保利

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隨采地震數據處理軟件開發與應用

王保利

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

以采煤機作為震源的回采工作面隨采地震探測技術是獲取精準開采地質條件、提高工作面內部地質異常體探測精度、實現無人/少人化智能開采的關鍵，具有廣泛的應用前景。而常規的地震數據處理軟件不能滿足隨采地震數據實時、連續不間斷、大數據量等要求。通過分析隨采地震探測技術的數據處理軟件的需求，提出了分層、多任務的隨采地震數據處理軟件(SWM)的框架體系，并詳細介紹了軟件框架中各層、各任務的組成成分及其功能。該系統集數據管理、數據展示、數據處理和成果展示于一體，滿足隨采地震數據實時、連續及大數據量的需求。

隨采地震；智能開采；軟件研發；實時多任務

近年來，礦井槽波地震勘探技術為煤礦工作面回采解決了很多地質問題，但這種探測技術通常要求以炸藥作為震源，用來提高槽波波場信噪比。這種震源方式在高瓦斯、煤與瓦斯突出礦井中的施工較為受限，同時在施工時往往要求停止生產，從而影響到煤礦的正常生產活動。此外，該技術為靜態一次性探測，難以反映回采工作面內的動態應力變化。隨著煤礦生產的發展轉向高效化、自動化、集約化和智能化，以采煤機切割時的震動作為震源的隨采地震探測技術被提出并越來越受到重視。

20世紀80年代末，有學者提出利用采煤機作為震源對回采工作面內部進行探測[1-2]，然而由于激發能量以及采煤機位置無法自動定位等問題未能深入研究。直到2008年，Xun Luo等[3-4]用采煤機震源對回采工作面內部的應力進行探測，獲得了第一個有意義的結果。陸斌等[5-7]和覃思等[8-9]分別研究了隨采地震信號的干涉成像法和井地聯合探測方法，研究結果表明，隨采地震技術可以用來實時監測工作面采動過程中應力的變化，及時發現危險區域并做出災害預警。

得益于地震干涉技術[10]的快速進步，隨采地震技術越來越受到重視，相關技術研究也得以進一步深入。但由于缺少配套軟件的支撐，采集的資料得不到有效處理，該技術的發展受到一定制約。常規地震數據處理軟件應用于隨采地震數據時存在諸多問題，如不滿足隨采地震的實時、連續不間斷的大數據量處理需求，達不到隨采隨探的目的；不具有隨采地震數據處理所需的處理模塊，無法單獨完成所有處理流程。因此現有軟件系統無法滿足隨采地震數據的處理需求，迫切需要開發一套適用于隨采地震數據處理的軟件系統(Seismic of While Mining，簡稱SWM)，推動這一新技術的發展應用。針對隨采地震數據的處理需求，采用分層模型[11-14]及實時多任務的體系設計了SWM軟件體。通過分層，使得數據管理、界面顯示和數據處理模塊邏輯性分開，從而使軟件具有更好的適應性和可擴展性。

1 SWM軟件體系架構

設計的SWM軟件體系的具體分層結構如圖1所示。

圖1 SWM系統分層體系結構圖

1.1 數據層

數據層負責規范數據的定義、格式、存儲、轉換和導入導出等。隨采地震數據類型多、數據量巨大，采集過程中每天的原始數據達到數十GB，中間處理數據則更多。針對不同數據類型，定義了不同的數據結構。主要的數據類型包括：采集原始數據、觀測系統、處理參數、干涉形成的虛擬共炮集數據、指標性數據、反演成像數據及其他一些數據類型(如導入的CAD材料圖、從采煤機獲取的采煤機位置、滾筒高度、截割速度、功率等)。

數據層中的上述數據類型，其大小差異較大，考慮到運行效率問題，依據數據大小以及訪問頻率將其按兩種存儲方式進行儲存。如原始數據、虛擬共炮集數據、反演成像數據等數據量特別巨大的數據類型，不適宜存儲到存儲庫中，否則會嚴重降低查詢效率。將其以文件形式存入磁盤陣列，數據的具體信息，如文件名、采樣率、道長、道數、對應觀測系統索引號以及采集起始時間等，存儲到數據庫信息表中，便于管理、查詢和訪問。其他類型數據則分別建立數據庫表進行存儲。

數據層除了數據格式的規范定義、存儲，還包括了數據格式轉換，以及導入導出等功能。比如從導入地震數據中提取觀測系統，或導出時將觀測系統存儲到導出地震數據的道頭。此外，還為各種數據類型定義了讀寫接口函數，便于應用層的數據處理模塊訪問和存儲數據。

1.2 表示層

地震數據處理軟件中，圖形圖像的高質量顯示、界面設計的美觀、實用以及交互顯示的便捷性等都是較為重要的特征。在實現這些特征的基礎上，完成表示層將數據層中的數據在軟件界面中繪制，以展示給用戶進行分析與解釋的功能。

SWM中需要展示的數據類型主要有地震數據、觀測系統、屬性數據、參數數據、日志數據以及成像剖面的顯示。不同類型數據顯示時還需要配合交互編輯等操作，如地震數據顯示時，具有AGC、帶通濾波、道間均衡以及局部放大等功能；觀測系統顯示時還需要交互編輯、導入導出等；屬性數據的顯示需與地震數據聯動；成像結果顯示時需要將其投放到CAD圖中，以便與回采工作面的實際情況進行對比分析與解釋；參數數據在進行編輯修改后需要實時通知處理模塊對使用的處理參數進行及時更新，確保使用參數的一致性等。

除了UI桌面主線程對表示層進行控制外，應用層中的各模塊的執行線程也可通過發送Windows消息控制相應數據，從而進行實時顯示。

此外，SWM還需要通過表示層對以前的數據以視頻方式進行回放展示，突出了隨采地震的實時動態探測特點。

1.3 應用層

應用層主要負責數據的處理，由幾大功能相對獨立的模塊組成，是SWM軟件系統的核心部分，最能體現SWM軟件數據的處理效果。應用層只與數據層進行數據交換，從數據層讀取數據，應用完畢后將輸出的數據送入數據層進行存儲。

SWM應用層模塊設計主要依據于隨采地震數據的處理流程，如圖2所示，軟件通過監聽來判斷是否有新數據需要進行處理、若無則繼續等待，否則讀入數據，然后利用地震干涉方法對數據進行處理，獲得虛擬共炮集數據。接著利用該數據進行CT反演及反射波成像，通過循環流程作業實時處理所有采集到的隨采地震數據記錄。

圖2 隨采地震數據處理流程示意圖

依據上述流程，將應用層分成4個任務：數據監聽、隨采干涉、CT反演和反射成像。每個任務啟動一個任務線程，互相之間獨立運行，每個線程只與數據層進行數據訪問和存儲。這種方式的優點是任務間依賴度小，便于獨立開發、調試和部署，也方便后續進行功能的擴展與維護。

應用層模塊在數據處理完畢，需要進行結果顯示時，通過發送Windows消息通知表示層實時顯示需要顯示的數據，從而將顯示任務交予表示層執行。

1.3.1 數據監聽

由于隨采地震數據的采集通過采集軟件完成，采集軟件采集到的數據根據時間進行分段，并以文件形式保存，同時將數據的關鍵信息存入數據庫表中。SWM通過數據監聽的方式判斷是否有新采集數據，若有則將新數據信息和記錄通過表示層進行實時顯示，并給應用層的處理線程發送windows消息，使處理線程完成對該數據的處理；若無則線程進入短暫休眠狀態，結束休眠后繼續監聽。

1.3.2 地震干涉

地震干涉模塊的作用是通過地震干涉方法將隨采地震數據處理成虛擬共炮集記錄，并計算出數據指標，用于判斷采煤機的工作狀態(停機、空轉和采煤)。

地震干涉模塊從數據層訪問并讀入數據，完成后將處理結果中的指標數據、互相關時差數據及虛擬炮集數據經數據層進行存儲，并給表示層發送消息，以實時顯示相關處理結果。

1.3.3 CT反演

CT反演將地震干涉模塊獲得的走時信息，經預處理后進行CT層析成像，獲得更新后的波傳播速度，再通過給表示層發送消息對反演結果進行實時顯示，并通過數據層進行保存。

采掘過程中，工作面內部煤層應力會發生變化，但應力短時間內變化很小，實時CT反演占用大量計算資源降低計算效率。因此SWM采取每割一刀煤進行一次CT反演，并與上一刀煤的反演結果做差，獲得割煤過程中地震波傳播速度的變化，以此來反應工作面內應力的變化，從而避免了地層本身的應力分布差異。

1.3.4 反射波成像

與CT反演模塊相似，反射波成像屬于長期對靜態目標進行多次成像，應符合疊加要求。數據的讀取、存儲及顯示等其他方面，實現方式與CT反演相同。

2 SWM軟件具體實現

2.1 關鍵數據類型定義

2.1.1 工區數據類型

采用如下數據結構定義SWM的工區數據，主要包含了工區數據保存路徑、工作面長和寬以及網格劃分間隔、工區建立時間等，具體如表1所示。

2.1.2 隨采原始數據類型

原始數據是SWM中數據量最大的數據類型之一，這一類型數據的信息通過建立數據信息表的方式保存到數據庫中便于查詢和訪問，而數據則以文件形式存入磁盤陣列。其中每一數據文件對應一個索引號，同時指定該數據的觀測系統索引號。具體的數據信息表如表2所示。

表1 工區數據結構體定義

表2 原始采集數據結構體定義

2.1.3 觀測系統數據類型

地震數據處理軟件中，采集觀測系統具有重要的作用，是不可或缺的。SWM中考慮到工作面回采時觀測系統會根據實際情況進行調整(如增刪、移動等)，專門為觀測系統建立了數據庫表，在每次調整后將新的觀測系統保存入數據庫表中，并與采集數據通過索引號進行一一對應。觀測系統數據庫表設計如表3所示，其中，和channelinfo兩字段按二進制格式存儲到數據庫中。各數據項通過觀測系統索引號獲得對應的觀測系統坐標。

表3 觀測系統數據類型定義

2.2 并行處理機制

由1.3節可知，SWM的核心應用層將整個實時處理分為4個關鍵任務模塊，這幾個模塊之間相互獨立運行，每個任務模塊均通過一個工作線程執行各自的處理任務。在計算量較大的地震干涉、CT反演和反射波成像3個關鍵任務中，采用 OpenMP自動進行多線程并行加速，以滿足大數據量數據處理時對實時性的要求。在實際運行時，SWM采用每兩分鐘存儲一個原始數據文件，這個文件通常會在1 min內處理完畢，達到了實時性目的。

為了避免線程之間資源共享沖突，保證線程運行安全穩定，各工作線程通過數據庫完成對數據層的訪問與存儲，由數據庫來實現多線程對數據的共享訪問。與表示層則通過Windows消息機制進行通信，同樣通過數據庫完成數據讀取，最終成圖顯示。此外，對同一數據訪問時，通過全局變量來避免數據存取錯誤甚至系統死鎖。

3 SWM軟件的特點

基于應用層、數據層和表示層的分層模式和多任務機制開發的SWM軟件體系結構具有以下幾個優點：

a. 分層模式的體系結構使得軟件整個架構比較整潔、每層的功能設計相對明確，降低了軟件開發難度，提高了軟件運行的穩定性和可靠性。

b. 應用層采用多任務并發機制，且各任務相互獨立，以并行方式運行，互不干擾。這種方式使得各個模塊能夠單獨編寫、調試，提高了軟件的可擴展性，便于后續模塊的集成，同時也降低了后續軟件的升級維護難度。

4 SWM軟件案例應用

在貴州某礦隨采地震項目中對研發的SWM軟件進行了2個月調試，各項指標均滿足預定設計要求，并在隨后進行了為期3個月的全面試運行，軟件穩定性、實時性均符合要求。測試結果如圖3—圖5所示，圖3為實測的地震記錄波形顯示剖面，該剖面進行了去直流、去工頻干擾和道均衡等預處理；圖4為數據處理界面，圖形上部曲線為地震干涉計算的互相關曲線，大值表示采煤機正在截割，較為平穩的低值則表示采煤機處于停機狀態。圖的下部分的左邊為觀測系統圖，用戶可通過點擊任一綠色檢波點；圖的下部分的右邊顯示的是對應的干涉虛擬炮集記錄；圖5為在采煤機截割一刀后反演得到的采煤工作面內地震波傳播速度，用于反映工作面內應力的分布情況。

穩定運行期間，采樣率設置為2 000 Hz，采集軟件每隔2.5 min輸出一個采集數據文件，SWM可在0.5 min左右完成對該數據的預處理、地震干涉和反演成像等，較好地完成了實時性要求。

圖3 SWM軟件原始信號顯示界面

圖4 SWM軟件地震干涉記錄顯示界面

圖5 SWM軟件反演結果顯示界面

5 結論

a. 針對隨采地震數據處理的實際需求，本文開發了基于多層模式、多任務并行機制的隨采地震數據處理系統的體系結構，并在該結構的基礎上完成了軟件的具體實現過程。

b.經現場長時間聯調測試，研發的SWM軟件運行穩定、可靠性好、易于功能擴展，基本滿足了隨采地震數據處理的大數據量、實時性、穩定性等要求，有助于促進隨采地震技術的進一步發展。

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Development and application of software in seismic while mining data processing

WANG Baoli

(Xi’an Research Institue Co. Ltd., China Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China)

The seismic while mining detection technology with coal cutter as seismic source in coal face is the key to accurately know the geological conditions of mining, improve the detection accuracy of geological anomaly structure in coal face, and realize unmanned intelligent mining or with few people. It has broad application prospects.The conventional seismic data processing software can not meet the requirements of real-time, continuous and large data volume for seismic while mining data. By analyzing the requirement of seismic while mining detection technology for data processing software(SWM), a framework of hierarchical and multi-task data processing software is proposed. The components and functions of each layer and task in the software framework are introduced in detail. The system integrates data management, data display, data processing and results display. At the same time, it can meet the needs of real-time, continuous and large amount of seismic while mining data.

seismic while mining; intelligent mining; software development; real time multiple tasks

National Key R&D Program of China(2018YFC0807804)；Guizhou Science and Technology Major Projects([2018]3003-1)；Science and Technology Innovation Fund of Xi’an Research Institute of CCTEG(2018XAYZD02)；Scientific Research Instrument and Equipment Development Project of Chinese Academy of Sciences(YJKYYQ20170033)

王保利. 1981年生，男，山西興縣人，博士，從事地震偏移成像和高性能計算方法研究. E-mail：pooly1981@163.com

王保利. 隨采地震數據處理軟件開發與應用[J]. 煤田地質與勘探，2019，47(3)：29–34.

WANG Baoli. Development and application of software in seismic while mining data processing[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(3)：29–34.

1001-1986(2019)03-0029-06

P631

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2019.03.006

2019-01-15

國家重點研發計劃課題(2018YFC0807804)；貴州省科技重大專項項目([2018]3003-1)；中煤科工集團西安研究院有限公司科技創新基金項目(2018XAYZD02)；中國科學院科研儀器設備研制項目(YJKYYQ20170033)

(責任編輯 聶愛蘭)