煤炭勘探中可控震源地震采集技術研究

陳亞萍 陳 剛

（蘭州資源環境職業技術大學，甘肅 蘭州 730000）

基本上可控震源的地震勘查技術，能夠根據開采區域內的地表條件，以及礦山的內部地質條件，對可控震源進行出力的大小調整，在可控范圍內進行掃描時間，以及相位和范圍等參數的設定。可控震源地震采集方法，指的是在野外地質勘查過程中，只利用一組可控震源進行操作，以信號的掃描結果和振動信號進行相關性處理，對此獲取共同的炮點通道。直接采用的這一組可控震源，可以為一臺可控的震源點位，也可以是多臺可控震源點位的組合形式，只要在劃分的區域內保證，能夠掃描到的震源信號頻率保持一致，其可控震源的數量和組合形式，均可以進行相應的改變。但由于只采用普通的可控震源地震采集方式，對礦山內的震源信號采集效率較低，本文基于此對該項技術進行拓展研究。

1 煤炭勘探中可控震源地震采集技術

1.1 基于可控震源激發震波掃描頻率

為滿足礦山煤炭勘測過程中的安全性開采目標，在對復雜地質勘查中，獲取圖像的精度要求更高。現階段對礦山的勘查技術主要是利用可控震源進行地震信號的推演，在能夠采集到的信號波頻中，進行有效信息數據的提取，從而為地震發生的可能性作出預測。因此在對礦山煤炭資源勘探的過程中，需要更加重視可控地震源的監測效果，以寬頻地震波段信號的應用方法為切入點，激發區域內礦山地質層中的地震波頻率，完成復雜地質下的震波掃描，得到能夠利用的寬頻地震信號數據[1]。通過可控制震源的信號發出狀態，在地層逐漸向地表高度貼近時，其吸收地震信號的能力會逐漸縮減，受到高頻段震波的限制，因為地面可接收到的地震信號源較少，建立更高頻次的地震波段信號掃描[2]。震波掃描激發流程如圖1 所示。

圖1 震波掃描激發流程

在數學手段的引入下使得可控震源信號的采集設備，能夠承擔低頻信號的輸出效率，實現較低頻率地震波段掃描的目的。

1.2 最低頻率下設置地震信號采集模型

在不同的震源集合組中進行信號采集，為了能夠獲取更多的有效信號頻率，以及最佳的地震源信號輸出波段，可以在最低頻率下設置一個地震信號采集模型。如圖2 所示。

圖2 地震信號采集模型

其中交替掃描主要是在，較前一組可控震源中，當其處于振動作業時可以將下一組震源，移動到下一個設置的激發點位置上，等待并準備相應工作[3]。

在上一組震源振動完畢作業后，等其記錄好所有的信號數據，就可以展開下一組震源的振動作業。以此在理想狀態下，將交替掃描設置在采集模型中，能夠利用兩組以上的可控震源進行交替作業，能夠保證礦山勘查的效率和成本收益，主要是其放炮時間只包含兩個部分，表達式如下：

公式中：交替掃描兩組可控震源點位的放炮時間用來qw表示，其中可控震源定位點的掃描時間，用qe來表示，可以直接等同為掃描長度，信號記錄時間用qr來表示，為震源定位點的聽時間。通過對某一個可控震源資源，進行激發位置的信號掃描，就可以直接對與該可控資源進行震動記錄的相互關聯處理，并由此得到控制震源位置的共炮點道的記錄集合。對應的振動記錄長度，為該振動可控源點位的掃描信號長度和記錄時間的總和。由于隨機掃描過程中，可控震源的定點位置設置過多，在進行炮點時間的數據整理過程中，需要對相鄰炮點的干擾進行剔除，保證有效信號不被其他可控震源點位的污染[4]。

1.3 劃分煤炭勘探過程中震源受力限制區間

在不同的掃描方式下進行震源確定，以可控震源為中心建立地震的信息采集模型，能夠直接對礦山地質中存在的不同頻率波段進行分析。但在震源反射的過程中，對整個礦山地質的不同性質，反射程度不同，且產生的短波和低頻所在區間不一致，利用所采用的掃描方式中的掃描長度，對應劃分煤炭勘查中震源的受力限制區間。為此需要對不同地質條件下的礦山進行區域劃分，依據觀測到的初始條件，綜合考慮礦山開發區域內的歷史資料，重點在反射層區域的資料質量，完成對震源產生噪聲可能性的預估和判斷。

通過足夠數量的震源定位點設置，在相關器械的選擇上，只需要將硬件設施和軟件設施進行配套操作即可，利用震源定位儀器和濾波采集器等裝置，對排序好的震源點位進行協調工作，在密切配合的基礎上實現可控震源振幅頻次的激發掃描作業。如圖3 所示。

圖3 激發掃描作業流程

在每組震源的相對距離對等時[5]，按照可控震源之間的間距，進行滑動時間的預設完成掃描作業。

1.4 灰色區域成像擴展震源完成地震信號采集

利用掃描到的最低頻率波段，在其極值基礎上設置地震信號的采集模型，實現不同區域內低頻信號震源采集的效果，進行可控震源劃分地帶中二維與三維的頻段對比。參與到采集過程中的可控震源，均可按照動態匹配的方式進行管理，在同步選擇震源掃描方式的基礎上，充分地對礦山地質資料進行利用。伴隨礦山開采行業的有序發展，在地震勘查儀器上有了很大的改良，有許多超大規模的帶道勘查儀器不斷出現，其自身直接攜帶有能夠自主記錄的智能化系統，能夠對傳輸進來的波段信號進行采集和儲存。尤其是無線技術的應用，在勘查儀器的使用過程中，能夠進行更小面積和更高密度的信號覆蓋，使得其對可控震源地震信號的采集更加精密[6]。在布置區域內對每個震源定位點進行掃描，按照均勻采集的程序進行各個方位數據的獲取，對不同區域內的震源成像進行分析。當密度較低的礦山地質中，對煤炭資源的三維儲存空間刻畫較復雜，可以通過灰色成像理論，對觀測方位進行橫縱比的設置。一般情況下在礦山影像目標層中的橫縱比為1，排列的震源點位對應的橫縱比，需要考慮不同深度的勘探需求，再進行其數值的設定。利用可控震源進行地震信號采集，是通過在不同的震源上，布置炮點點位，在同一時間段內或者不同時間段內，進行一段時間的震動作業，通過震源信號的頻率發射和震源點位的相關關系，以獲取產生共同炮點的集合通道。

當獲取的震源信號在低頻區域內，被吸收的頻率逐漸減弱時，代表該區域內的山體穿透力較強，能夠直接提高采集信號的垂直分辨率，以此改善成像的資料信噪比，形成能夠進行全波反饋的有效信息。

將礦山震源勘探的重要地段進行預先劃分，利用可控震源進行震波掃描頻率的激發操作，在最低頻率極限值中設置地震信號采集模型，以灰色區域成像理論擴展震源，完成煤炭勘探過程中的地震信號采集，具體流程如圖4 所示。

圖4 地震信號采集流程

至此，完成煤炭勘探中可控震源地震采集技術的應用設計。

2 實驗測試與分析

為驗證此次設計的方法具有實際應用效果，能夠在對可控震源地震采集過程中，提高震源地震數據的分析效率，達到煤炭勘探的震源檢測效果，采用實驗測試的方法進行論證。選擇某三維礦山工業區的生產礦山作為測試對象，該礦山所在位置屬于前陸盆地的構造斜坡中，在表層和深層的地質勘查結果上，均屬于復雜的地質結構。運用本文的可控震源地震采集技術，對山體的結構進行分析，在復雜的礦山地質條件下，實現高分辨率和高保真的震源采集效果。將該礦山所在區域的三維衛星影像圖進行調取，簡化礦山的構造模式，對測試礦山的具體情況逐一分析，具體如圖5 所示。根據圖中內容所示，在該組礦山中存在較明顯的風化侵蝕現象，以及多種構造相互交錯的地質。對比歷史勘查數據，發現兩側山體的相對高差較大，最大高差能夠達到650m，距離平坦的地表面要復雜很多。被風化的山體層面非常薄，最薄處山體表明僅有15m，導致在山體中能力衰減非常嚴重，震源的激發接收條件很差，若想要進一步對山體進行煤炭開采工作，需要在山體中完成更高難度的信噪比提取。將提取的礦山三維影像圖上傳到MATLAB 測試平臺中，引入炸藥震源地震采集作為傳統對照方法，分別利用該方式和本文方法進行深區域的震源采集。設置需要勘查的地質條件，對同一信噪比區的碳酸巖層進行勘探，測試不同方式下震源的激發次數，以此作為地震采集效率的對比條件。由于炸藥震源地震的采集流程較簡單，直接通過炸藥藥柱進行排放，完成該區域的激發即可。因此對本文方法進行流程設定，對震源的掃描方式和臺數進行設計，具體如表1 所示。

圖5 三維衛星影像下測試礦山地質條件

表1 可控震源地震采集技術激發參數設定標準

根據表中內容所示，為了檢驗本文方法在震源采集過程中的有效性，只選擇了兩組可控震源作為設定標準，通過滑動掃描的方式進行激發。根據設置的參數標準，分別將兩組方法連接到測試平臺中，均通過模擬的形式進行震源激發測試，統計不同方法運用下，對同一地質條件下地震震源激發次數。

為保證實驗的真實效果，在測試平臺中將選擇區域的碳酸巖層，反饋的頻段信噪比設置為低頻模式，通過多輪的震源地震采集的檢測，比較兩組方式下震源的激發次數。震源地震采集激發完成的前提保證，為能夠在低頻信噪比條件下，產生其與洞體較為相似的成像效果，具體激發次數如表2 所示。 根據表中內容所示，本文方法平均只需要200 次的激發，就能夠完成洞體成像，有效提高了可控震源的地震采集效率。

表2 不同方法下震源地震采集的激發次數（次）

結束語

本文以現階段可控震源地震采集技術的應用效果入手，分析了不同地質條件下該技術的應用優勢和缺點，提出煤炭勘探中應用可控震源地震采集技術的新方法。實驗結果：以某復雜地質條件下的礦山結構為測試對象，采用本文方法和和炸藥震源激發方法，對其進行煤炭資源的需求勘探，在同一信噪比區的碳酸巖層勘探中，采用炸藥震源激發方式要經過526 次，才能保證信噪比與洞體的成像效果，而本文方法僅需要200 次激發，就能夠完成洞體成像，有效提高了可控震源的地震采集效率，具有實際應用效果。但由于本人時間有限，在研究過程中對震源點的選擇數量仍然較少，所得結果存在一定的不足之處。后續研究中會根據不同的地質條件，將多種優秀的技術與可控震源地震采集技術想結合，為提高地震采集效率，節省礦山煤炭資源的勘探成本，提供更科學的應用方法。