节点技术在煤炭系统地震勘探采集仪器中的应用

张晨林 左卫华

摘要：地震勘探作技术为一种重要的勘探方法，可以经济、有效的发现资源和解决资源开采过程中遇到的构造、地层、岩性等问题。煤炭地震勘探发展过程中地震野外数据采集、地震数据处理和地震解释都取得了重大成就，随着节点技术在地震勘探方面的广泛应用，本文在介绍无线节点设备的优势与无线节点设备分类的基础上，阐述了矿用节点式地震仪设计要点，并详细介绍了GSR采集设备在煤炭系统地震勘探中的应用，文章最后也结合时代特征，分析了节点在新一代煤炭系统地震勘探采集仪器中的应用。

关键词：节点技术;煤炭系统;地震勘探

引言

在地球物理勘探技术手段中，地震勘探是分辨率最高的构造探测技术。在地面物探中，地震勘探成为石油天然气、煤炭资源勘查的首选技术。但是，煤矿井下地震勘探技术的发展和应用相对滞后。究其原因，一是煤矿井下地震勘探的介质条件既非半空间又非全空间，波场传播规律非常复杂，难以将地面上成熟的二维、三维地震勘探技术不加改变地直接移植到井下;二是相对于电磁法探测手段而言，适于煤矿井下地震勘探的本安型、便携式、多通道仪器较少，地震仪器成为制约煤矿井下地震勘探技术发展的瓶颈之一。因此，急需对煤矿井下地震勘探技术与装备开展研究，以发挥煤矿井下地震勘探技术的用途。依托国家科技重大专项项目的支持，开发出基于节点式、存储型、无缆、便携、本安防爆的矿用节点式地震仪，适应了煤矿井下高精度槽波地震探测的技术需求。

一、无线节点仪器介绍

1.1无线节点设备的优势

相对传统的有线地震采集系统，应用无线节点开展地震采集具有以下优势：①没有数据传输带宽的限制，理论上采集道数可无限扩展，为超高密度地震采集奠定了基础，提高了地震勘探解决复杂地质问题的能力;②消除村庄、工农业场站等复杂地表条件对接收排列的制约，可实现接收点的准确放样（聂明涛等，2016;史子乐等，2019;路交通等，2020）;③在野外放样完成后，即刻开始自主不间断接收地震数据，不存在排列不通的问题，可实现24小时连续接收;④接收的地震数据存贮在各个节点终端，采集完成后回收至室内的连续记录（母记录），可在室内灵活定义切分单炮使用的接收排列，根据地震资料处理的需要增加采集实际覆盖次数，改善地震资料品质。

1.2无线节点设备分类

无线节点设备繁多，需要结合地表条件、勘探目标、生产高效管理等多种因素，优选出符合生产项目的最优节点设备。国际物探设备市场主流节点设备至少有七种类型，传统有线采集设备公司开发节点设备争夺节点市场份额，如Sercel公司Unite INOVA公司Hawk节点设备需要外接检波器电源，增加野外施工工序及难度，但可与其有线系统兼容，视为其有线采集系统补充，该优势是其它节点系统所缺失的;Geospace GSX节点设备需要外接电源及检波器，且设备相对笨重，增加野外施工难度与劳动强度，设备暴露地表存在较大丢失风险;Sercel是比较著名的欧洲大陆采集设备的开发商，其開发的UniteRAU，节点仪器，也得到了较为良好的应用。该设备的优势较为明显，其内容存量足够大，达到了8GB之多，在全世界范围内也首屈一指。其供电方式更为灵活，采用了备用内置电池，也可根据用户需求使用外部电池。其具有灵活的数据回收方式，不但能够和其它节点设备一样，采用站体整体回收连线下载的方式，也可以采用Harcester与CAN的连接，对野外1km范围内的节点数据加以回收。该设备能够和传统有线采集设备428XL联合使用，满足不同人群的使用需求。另外，设备的供电能力、内存能力十分强大，能够确保在野外环境中，保持较长的连续工作时间。这些不同的无线节点仪器，能够对不同层次物探需求加以满足。如果单从劳动量、操作难度上来说，GSR显然更具优势，特别是经过具体项目实践，也证明其记录时间长、重量轻、操作简单等应用优势。具体参数见表1所示。

综合节点设备各种系统参数特性，考虑施工强度、作业成本、项目周期、勘探目标等因素，最终选择Nuseis节点作为某地震采集项目施工设备。一方面能够减少野外作业人员及车辆，减少成本，在复杂地表条件下利于布设掩埋，具有较好隐蔽性，减少被盗风险;另一方面续航时间符合施工周期、良好耦合特性提升数据品质。Nuseis节点采集站内置24位A/D模数转换、10Hz检波器、瞬时动态范围127db。

二、矿用节点式地震仪设计

2.1 技术要求

在煤矿井下开展槽波地震勘探的仪器，应该满足以下基本需求[31）本安防爆。这是通用的强制性技术要求。

在煤矿井下有瓦斯、煤尘等爆炸危险的环境中使用的所有设备，其防爆性能必须符合CB3836.1-2010《爆炸性环境第1部分：设备通用要求》和GB 3836.4-2010《爆炸性环境第4部分：由本质安全型““保护的设备》的相关规定。

2）技术先进。这是基本的推荐性技术要求。

在煤矿井下温度、湿度、煤尘等复杂工况条件下，仪器工作要满足高稳定性、高可靠性、低功耗、长时间采集等特殊要求;在性能指标上，以满足探测需要为前提，尽可能实现高采样率、大动态范围、可灵活扩展、适应性强等。

3）施工快捷。

这是可选的推荐性技术要求。在煤矿井下开展地震勘探时，作业区附近的生产活动必须停止，这就要求仪器便携、施工快捷、工序简单、用人较少等。

2.2设计理念

矿用节点式地震仪的设计理念可以概括为“节点式设计、独立型激发、分布式采集、三通道存储、集中式回收”，这些设计理念较好地呼应了煤矿井下地震仪器设计的客观需求，其主要特点体现在[4-5：

1）节点式设计是指仪器无主机、无大线、无数据传输，节点式地震仪集传统的分布式仪器的主机、采集站、交叉站、电源站于一体，可以灵活布设、方便采集，但又遵守统一的时间约定。

2）独立型激发是指可以独立同时激发（ISS，independent simultaneous shooting）方式采集，对震源激发时间不作任何制约，可在确保安全的情况下同时放炮，大幅提高了作业效率，缩短了采集时间。

3）分布式采集是指以各个节点式地震仪为单元，按照设计的位置布设接收点，独立进行数据采集，采集道数可以自由扩展。

4）三通道存储是指每台节点式地震仪设计为3个通道，可以满足三分量采集的需求。

5）集中式回收是指井下数据采集结束后，全部数据在回到地面后利用高速以太网实现数据集中回收。

综上可知，基于“节点式设计、独立型激发、分布式采集、三通道存储、集中式回收”的仪器设计理念，矿用节点式地震仪实现了本安防爆、技术先进、施工快捷的要求，每个采集通道的折合质量约1 kg，为煤矿井下槽波地震勘探技术的应用奠定了基础。

三、GSR采集设备在煤炭系统地震勘探中的应用

3.1  GSR仪器设备简介

OYO GeoSpace 公司开发的 GSR 无线节点仪器（图 1），是一种无线地震数据采集系统，具有轻便、灵活、操作简单、稳定可靠的特点，可适应不同环境要求的地震数据采集仪器，具有野外采集部分和室内下载及合成功能。GSR 无线节点外观见图 1。

GSR 节点仪器的野外数据采集部分由采集站、电池和检波器串构成。 GSR 采集站内置 24 位模数转换器、 4 GB/8 GB 存储卡、内置测试信号发生器及高灵敏度内置 GPS 接收器等，功能齐全，每站可接收 1 — 4 道近 30 天可连续记录。

GSR系统的室内下载及合成包括质控和数据处理部分。GSR节点仪器采集数据经DTM（Digital Terrain Model）单元，将原始数据下载至磁盘阵列，经由处理系统处理，形成连续道集的SEGD文件。该文件每道长度为60s，每个站每天生成1个SEGD文件。截取的每次激发的有效地震数据，是通过震动源记录终端得到的SIT表或者激发仪器的操作员电子板报所得，故SIT表记录每次激发的GPS时间。

GSR无线节点采集系统一般由GSR、检波器和电池组成，应用实例见图2。

通过实例应用，可知GSR无线节点仪器具有以下优势：①稳定的工作特性，使得节点仪器较大减少了建排列和差排列的时间，避免了有线仪器因大线或者少数电源站不通致使停止采集的现象，为野外作业提高效率;②实现了无限大道数据采集，使得采集设备减少，以致于对野外施工人员和运载车辆的需求大幅减少，降低了项目运作成本;③采集站间无大线链接，避免部分外界因素产生的干扰，降低采集站噪音水平，提高资料信噪比;④GSR无线节点仪器适用于复杂地表，满足在山地、高风险雷区及牧区等复杂地带区域的施工要求，有效规避有线仪器架设过路线造成的安全风险隐患。

3.2设备组成简介

GSR是一种新型无线地震数据采集系统，轻便、灵活、操作简单、稳定可靠、可适应不同环境要求的自主存储式节点式地震数据采集仪器。

3.2.1野外采集部分

GSR采集系统的野外数据采集部分由采集站、电池（如图1所示）和检波器串三部分组成。GSR采集站功能齐全，内置24位模数转换器、高灵敏度内置GPS接收器等。

3.2.2质控部分Line view查线助手

Line view外形类似便携式的手提电脑，如图3所示，具有无线监测功能，能够蓝牙搜索到设定范围内采集单元查线时刻多种信息，主要包括已采集数据量、GPS信号、坐标、检波器连接、检波器埋置等常规采集仪器所能获得的一切质控信息。查线过程中或者室内质控时发现该道存在任何问题，可及时采取相应整改措施，如更换电瓶、重新连接和埋置检波器等。

3.2.3数据处理部分

主要包括数据下载单元、磁盘阵列、数据管理单元（工作站）、电池充电设备（如图2所示）等。正常的倒排列期间需要将GSR采集单元和电瓶分别拉回营地进行数据下载和充电工作。GSR节点采集仪器的关键在于高精度的时钟系统和稳定的记录系统。数据采集过程中GSR内置每6min左右时钟与GPS进行时钟校准，確保内部时钟的精度，室内数据处理时使用GoeMerge软件进行数据处理时将这些时间信息标记在数据道头上，作为后续数据切割的标记。切分用的每一炮的TB来自于激发系统信号发生器，由安装在激发源上的辅助记录设备如SDR或DSG进行记录。数据切分主要是按照每一炮的TB将对应的有效地震信息从连续道集内分割出来，并完成数据的相关。

3.2.4仪器一致性差异解决

在具体的工作中，为了降低施工成本和确保复杂区域检波点布设点位的正点率，通常将GSR无线节点地震采集仪器与传统有线地震采集仪器联合采集施工。笔者单位使用的是法国Sercel公司的428XL有线数字地震采集仪。由于来自不同的生产商，其硬件指标、参数不同，两套仪器之间会存在一致性差异，这种差异会造成数据处理的比较差异。在采集工作中，需要检查计算两套仪器之间的系统延迟差异（主要是首样点的取值方式），并通过修改GSR地震预处理软件的软件算法以统一仪器首样点的取舍，使两种仪器保持一致性。

四、节点在新一代煤炭系统地震勘探采集仪器中的应用

在2013年，Sercel公司推出了新一代地震勘探仪器，508XT，仪器应用X-Tech构架，改变了传统仪器的理念，对节点技术进行了应用，以期达到1百万道以上的带道能力。在该设备当中，实现了有线设备、无线设备Unite的良好融合，实现了理想的混用模式。同时，对428XL的便捷功能加以继承，极大的简化了野外设备。在508XT系统当中，没有设置独立的电源站、交叉站等设备，由CX-508地面设备，实现了数传单元、数据存储、野外控制等功能。系统应用了节点技术，CX-508实际上就是1个节点单元，其内部的内存冗余达到了4GB，在每个CX-508中，通过排列均能够管控74道DSU-508，或64道FDU-508。另外CX-508不但能够对节点单元进行管理，同时可发挥交叉站的功能，提升光缆交叉线的传输速率，达到1Gbps以上。此外，由于结合了CX-508单元、节点技术，在大线传输中，能够达到40 Mbps的速率。

与所有的节点仪器一样，508XT对GPS的依赖性很强，地面设备CX-508和Unite Rau等都内置了GPS GPS除了同步采集之外，对于RAU还有定位甚至防盗的作用。508XT可以实现有线和无线RAU的混用，如图4所示。无线的设备也可以通过CX-508实现实时的QC信息，当有线排列“失联”之后，CX-508启动无线工作模式，除了不能回传地震采集数据外，实时QC电瓶管理等信息可以通过无线回传，此时的CX-508无线最大回传距离为1 km。

结论

经过近些年快速发展，无线地震采集系统已经成为煤炭系统地震勘探重要组成部分，虽然存在节点仪器状态、环境噪音无法实时监控的盲采弊端，存在节点丢失、被盗等风险，但节点仪器发展的潮流无法阻挡，且逐渐朝着轻便低廉、智能化、自动化部署等方向发展，使得百万道级地震采集未来成为可能，预计未来在地震采集市场中将占據越来越多市场份额。通过实际生产应用，灵活及高密度的节点采集使得地震数据品质得到提升，验证了无线节点采集的有效性、可靠性及优越性，相信未来越来越多煤炭系统公司将倾向于采用节点进行地震勘探部署。

参考文献：

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