煤礦地震數據動態解釋軟件設計與開發

朱書階, 李 江， 金學良， 董蕊靜

(1.中煤科工集團 西安研究院有限公司， 西安 710077； 2.淮北礦業(集團)有限責任公司， 安徽 淮北 235000)

隨著中國經濟發展方式的轉變，煤炭行業將向集約化、精細化方向轉型，智能化開采成為煤炭安全高效開采的發展方向與必然趨勢[1-2]。國內煤炭行業智能開采方面提出了“無人跟機作業，有人安全值守”的開采理念，構建“以工作面自動控制為主，監控中心遠程干預為輔”的中國煤炭智能開采模式[3]。在工作面智能化開采發展進程中，精細的礦井地質資料是其實現的基礎。三維地震勘探作為礦井地質精細探測的核心技術，在復雜構造勘探和隱蔽致災地質體預測中發揮著重要的作用[4-5]。傳統的三維地震解釋服務于煤礦勘探階段，與煤礦安全生產過程相脫節，煤礦地質研究人員希望把三維地震信息與煤礦生產過程中所獲得的礦井地質信息相互融合[6]。面對這樣的問題，近年來地球物理學者提出了煤礦三維地震數據動態解釋的觀點，即對三維地震數據進行四維解釋[7]。雖然各煤礦配置了三維地震資料解釋工作站，但目前常用的國外地震解釋軟件多是面向地球物理學勘探的綜合研究平臺(以Landmark，Geofram為代表)，軟件系統龐大，但是缺少針對煤礦地質生產需求的功能[8]。對于煤礦地質工作者來說，掌握該系統的使用難度較大，而且不能有效解決礦井地質勘探問題。因此商業地震解釋系統在礦井實際工作中應用率較低，這嚴重制約著礦井工作面地震解釋成果的更新，降低了地震勘探的精度，最終影響到煤礦的安全高效生產。

本研究開發基于Windows操作系統運行的地震資料解釋軟件，具有礦井多元地震地質資料管理、三維地震資料解釋、解釋成果編輯、三維可視化分析等功能。該軟件簡化了地震數據管理工區建立、地震數據及相關地質數據的加載過程，提供多種數據顯示方式和交互操作方式，方便煤礦地質人員使用。通過該軟件系統能有效地把煤礦三維地震勘探獲得的“靜態”勘探成果與煤礦生產過程中所獲得的各類礦井地質信息相互融合，實現地震資料動態解釋，促進礦井地震、地質資料綜合利用，提高地質探測精度，為煤礦安全高效開采提供地質保障。

1 軟件設計與開發

1.1 總體設計

地震資料解釋軟件開發是一個系統工程，它綜合運用了地質、地震、地球物理、計算機科學等多學科理論和多種技術手段。軟件總體設計技術路線如圖1所示。

圖1 軟件總體設計技術路線

1.2 軟件開發平臺

軟件開發以Qt作為開發平臺。Qt是跨平臺的C++圖形用戶界面應用程序開發框架，良好的封裝機制使得Qt的模塊化程度非常高，使用非常方便，Qt包含多達250個以上C++類，可以利用各種開源的類庫資源，同時支持2D/3D圖形渲染，支持OpenGL，另外基于Qt編譯生成的程序執行效率高[9]。目前在專業領域很多開源算法或類庫都是基于Qt C++開發，Qt已成為編程實現研究成果和專業軟件開發的利器[10-11]。數據庫設計中Qt內嵌的SQLite數據庫系統完全滿足本軟件對數據存儲和訪問的需求[12]。

1.3 軟件設計

根據地震動態解釋軟件的設計思路及地震資料解釋的特點，軟件結構設計如圖2所示，在多元數據綜合管理的基礎上，動態解釋軟件由地震剖面顯示、平面顯示和三維可視化等交互操作模塊組成。

圖2 動態解釋軟件結構設計

2 仿真分析及實例應用

在軟件設計的思路指引下，基于Qt開發了煤礦地震資料動態解釋系統，軟件系統界面如圖3所示，其主要功能模塊包括面元網格、數據體和三維顯示。

圖3 動態解釋軟件系統界面

2.1 面元網格

該模塊主要功能為地質、測量、鉆孔與地震等多元資料的的平面顯示與動態管理(圖4)。包括建立工區數據庫、將UNIX SEGY格式的三維數據體轉換為PC SEGY格式、三維數據體的輸入、相對坐標與絕對坐標的轉換、數據體數據格式化輸出等。平面上可以顯示的數據類型包括觀測系統數據(炮點信息、檢波點信息、覆蓋次數)、水平切片、沿層切片、解釋層位、斷層平面展布特征、鉆孔分布、勘探邊界、連井剖面、地震屬性、采掘工程平面圖、T0等值線圖、底板等高線圖等。

圖4 面元網格窗口

2.2 數據體

該模塊主要功能為地震數據剖面顯示與層位、斷層解釋。對三維數據體的Inline剖面、Crossline剖面、聯井剖面和任意方向剖面進行顯示，對二維測線進行顯示，顯示方式包括波形、波形加變面積、彩色變密度、灰度、雙極性等。提供多窗口對比的剖面顯示與地震層位、斷層解釋功能(圖5)，可以選取任意線，進行等間隔滾動解釋。

圖5 數據體窗口

2.3 三維顯示

對三維地震數據體、地震剖面、地震切片、解釋層位等數據進行三維立體顯示，實現了對數據體的動態放大、縮小、平移、透明化等交互操作[13]。圖6為某礦區工作面的三維地震數據體切片立體顯示及透明化顯示效果。

圖6 地震數據三維顯示

2.4 應用實例

陷落柱在時間剖面上一般表現為上下煤組的反射波自下而上中斷或消失，成為一片反射波空白帶，出現明顯的“塌陷漏斗”現象，如圖果7所示。在陷落柱邊緣出現明顯的地震異常擾曲反射波，這些異常表現結合水平沿層切片和相干方差切片上，可對陷落柱進行有效查找。

圖7 陷落柱在地震剖面上的反映

3 結論

傳統的三維地震解釋服務于煤礦勘探階段，在煤炭開采過程中，礦井地質人員缺乏有效的軟件工具對揭露的資料進行補充，無法對已有的地震解釋成果進行修正與更新，導致三維地震勘探資料與煤礦安全生產相脫節。煤礦三維地震資料動態解釋方法充分利用礦井生產過程中的地質測量數據對地震解釋成果進行實時更新，它是一個動態的過程，有效提高了地震勘探的解釋精度，為煤礦安全高效開采提供了精準的地質導向。為了實現煤礦地震資料動態解釋在煤炭地質探測中的應用，還需要充分利用巷道揭露的煤層頂底板測量數據，進一步完善地震資料時深轉換的速度場構建方法，不斷優化軟件功能。