煤炭高?？碧降卣饘W(xué)課程教學(xué)方案探討

馮磊　楊雙安　李曉斌　趙秋芳

[摘 要]勘探地震學(xué)是煤炭類高校地質(zhì)專業(yè)必修的一門專業(yè)課程，現(xiàn)行教學(xué)方案基本照搬石油類高校地震勘探課程內(nèi)容，并不完全適應(yīng)煤炭行業(yè)地震勘探生產(chǎn)現(xiàn)狀。為適應(yīng)煤炭高?？碧降卣饘W(xué)的課程教學(xué)，從課堂理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課程實(shí)踐三個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行討論，對(duì)教學(xué)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，補(bǔ)充傳統(tǒng)地震勘探課程內(nèi)容，增加煤炭行業(yè)特有的礦井巷道中槽波地震勘探內(nèi)容，探索更適應(yīng)煤巖行業(yè)地震勘探的本科教學(xué)模式和方法。

[關(guān)鍵詞]煤炭；地震勘探；教學(xué)；實(shí)驗(yàn)；實(shí)踐

[中圖分類號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2016）07-0145-02

一、引言

勘探地震學(xué)是煤炭高校地質(zhì)工程等專業(yè)必修的一門專業(yè)課。該課程綜合性強(qiáng)，包含了地質(zhì)學(xué)、計(jì)算機(jī)、高等數(shù)學(xué)和大學(xué)物理等學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)，具有概念抽象化、公式復(fù)雜化、應(yīng)用具體化的特點(diǎn)，學(xué)習(xí)該課程具有一定難度。目前地震勘探教學(xué)，不管是教材還是輔導(dǎo)書，內(nèi)容主要是針對(duì)石油系統(tǒng)。石油行業(yè)地震勘探只能在地面布置檢波器，利用地震反射波或折射波進(jìn)行構(gòu)造探測(cè)，而煤炭行業(yè)地震數(shù)據(jù)采集方式有多種選擇，既可以在地面進(jìn)行地震勘探，也可以在煤礦井下巷道中布置檢波器，利用地震槽波進(jìn)行煤層厚度或者構(gòu)造探測(cè)?？梢?，煤炭類高校不能完全照搬石油高校地震勘探教學(xué)模式。結(jié)合本校實(shí)際情況，我們將勘探地震學(xué)課程設(shè)定為三個(gè)部分：一是理論教學(xué)，二是實(shí)驗(yàn)教學(xué)，三是實(shí)踐教學(xué)，三個(gè)環(huán)節(jié)緊密相連，綜合培養(yǎng)學(xué)生的理論水平和動(dòng)手能力。

二、課堂理論教學(xué)內(nèi)容設(shè)定

（一）課程教學(xué)安排及授課方式

勘探地震學(xué)主要講授利用震源激發(fā)地震波，通過地震波傳播特征進(jìn)行構(gòu)造探測(cè)的原理和相關(guān)概念。該課程實(shí)踐性強(qiáng)，在油氣、煤炭等礦產(chǎn)資源勘查領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。由于本課程涉及多門基礎(chǔ)學(xué)科，一般安排到基礎(chǔ)課都講授完的大三階段來開設(shè)，否則很多理論概念學(xué)生理解起來相對(duì)困難。此外，該課程最好放到野外地質(zhì)填圖實(shí)習(xí)之后，學(xué)生經(jīng)過野外露頭考察地層及構(gòu)造，認(rèn)識(shí)到要想研究地下地質(zhì)構(gòu)造，必須借助其他專業(yè)知識(shí)。這樣他們就有興趣去學(xué)習(xí)如何對(duì)地下地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行探測(cè)。

勘探地震學(xué)研究地震波在巖層中的傳播規(guī)律和特征。由于地震波傳播看不見、摸不著，概念比較抽象，學(xué)生理解起來困難大。這就需要充分利用好現(xiàn)代化的多媒體教學(xué)設(shè)備，通過聲音、圖像、動(dòng)畫、視頻等方式，讓學(xué)生能夠更容易理解地震波的傳播特征?；蛘咄ㄟ^類比的方式，用一些身邊的例子來幫助學(xué)生理解，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。在課間可以播放生產(chǎn)單位野外數(shù)據(jù)采集工作錄像，讓學(xué)生獲得更直接的現(xiàn)場(chǎng)感官認(rèn)識(shí)。在理論課講授的同時(shí)，要隨時(shí)結(jié)合生產(chǎn)上面臨的實(shí)際問題，擴(kuò)充教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生明白學(xué)了這門課，到底能解決什么生產(chǎn)上的問題，以此提高他們學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。

（二）理論教學(xué)章節(jié)的內(nèi)容安排

地震勘探工作內(nèi)容分為三個(gè)階段，分別是野外數(shù)據(jù)采集、地震數(shù)據(jù)處理和地震資料解釋。理論課程共分為八個(gè)部分。首先是緒論，主要講授勘探地震學(xué)的相關(guān)概念，以及在生產(chǎn)單位的作用，目的是讓學(xué)生明白這門課的重要性。第一章講授地震波幾何運(yùn)動(dòng)學(xué)。由于課時(shí)有限，課堂上只講授地震波幾何運(yùn)動(dòng)學(xué)，地震波動(dòng)力學(xué)作為課下自學(xué)內(nèi)容。第二章地震信號(hào)頻譜分析。主要講授信號(hào)頻譜的相關(guān)概念，以及進(jìn)行頻譜分析的方法。第三章地震勘探數(shù)據(jù)采集。內(nèi)容包括觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集的方式、地震組合原理等。第四章共中心點(diǎn)疊加原理。本章是地震勘探的核心，重點(diǎn)是讓學(xué)生明白進(jìn)行共中心點(diǎn)疊加的目的及原理。第五章地震波的傳播速度。速度是地震波的核心參數(shù)，可以從地震波速度概念、速度影響因素和速度之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系三個(gè)方面進(jìn)行講解。第六章地震勘探資料解釋，主要講授地震資料解釋的相關(guān)概念和方法，包括層位的解釋，構(gòu)造的識(shí)別，構(gòu)造圖的制作等。第七章礦井地震勘探方法。主要講解煤礦行業(yè)特有的槽波地震勘探技術(shù)，該方法只有煤炭行業(yè)井下巷道中進(jìn)行地震勘探才有。

（三）煤炭與石油系統(tǒng)勘探地震學(xué)的差異

煤炭行業(yè)地震勘探既能夠在地面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，也可以到井下巷道中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，也就是槽波地震勘探，這個(gè)技術(shù)在煤礦應(yīng)用多年，效果良好。目前，國內(nèi)多家煤炭企業(yè)都已購置相關(guān)儀器設(shè)備，并應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中。對(duì)于礦井巷道中的采集方式，國內(nèi)規(guī)劃教材中都沒有涉及，學(xué)生到了生產(chǎn)單位，還得重新學(xué)習(xí)為適應(yīng)煤炭行業(yè)快速發(fā)展的井下地震勘探技術(shù)，在課堂理論學(xué)時(shí)中單獨(dú)拿出四個(gè)學(xué)時(shí)講解這種只有煤礦行業(yè)才有的數(shù)據(jù)采集方式，重點(diǎn)講解和地面數(shù)據(jù)采集方式的區(qū)別，強(qiáng)調(diào)這種方式利用的不是地震縱波，而是煤礦中特有的“頂板-煤層-底板”組合條件下，在煤層中相互干涉形成的一種特殊波，既槽波。槽波地震數(shù)據(jù)采集方式分為反射法和透射法。反射法將炮點(diǎn)和檢波器布置在礦井同一巷道內(nèi)，接收來自工作面內(nèi)的反射槽波信號(hào)，適用于對(duì)煤層內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造（斷層、陷落柱等）進(jìn)行探測(cè)；透射法將炮點(diǎn)和檢波器布置在工作面不同巷道內(nèi)，接收工作面內(nèi)的透射槽波信號(hào)，適合煤層厚度和煤巖類型的探測(cè)。

（四）緊跟學(xué)科技術(shù)前沿重視軟件操作

由于國內(nèi)外石油公司眾多，開展地震勘探技術(shù)服務(wù)研究的公司發(fā)展迅猛，很多新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，并很快應(yīng)用到企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中。授課教師必須緊跟學(xué)科技術(shù)發(fā)展，以適應(yīng)地震勘探領(lǐng)域信息快速發(fā)展的需求。在課堂中，教師可以穿插介紹國外最新地震勘探進(jìn)展情況，把每年美國地球物理年會(huì)和中國地球物理年會(huì)上的研究進(jìn)展和科研動(dòng)態(tài)介紹給學(xué)生，以擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)面。同時(shí)，這也有利于大四階段的畢業(yè)設(shè)計(jì)選題。目前地震勘探許多技術(shù)都已經(jīng)商業(yè)化，都有成熟的商業(yè)軟件，在企業(yè)實(shí)際工作中，基本上都離不開專業(yè)軟件的使用，如地震數(shù)據(jù)采集中進(jìn)行觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的KLseis、Mesa，用于靜校正的TomoPlus等。地震數(shù)據(jù)處理相關(guān)軟件有Promax、CGG、Omega、Focus等，地震解釋軟件有GeoFrame、LandMark、Epos等。因此，在課堂上除了講授相關(guān)專業(yè)理論知識(shí)外，還應(yīng)該重點(diǎn)介紹相關(guān)的軟件。如有條件，最好能夠讓學(xué)生都能動(dòng)手操作，使學(xué)生能夠快速上手，利用相關(guān)軟件解決實(shí)際生產(chǎn)問題。

三、課內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

教學(xué)安排理論課時(shí)與實(shí)驗(yàn)課時(shí)的比例約為7∶1或者8∶1，實(shí)驗(yàn)室課時(shí)相對(duì)較少，主要安排地震數(shù)據(jù)采集和地震資料處理兩個(gè)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)。地震數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)，包括地震波的激發(fā)和接收。由于實(shí)驗(yàn)室模擬礦井巷道中煤層槽波傳播難以實(shí)現(xiàn)，所以仍以地面數(shù)據(jù)采集方式為主，利用實(shí)驗(yàn)室擁有的重慶奔騰儀器廠產(chǎn)的BTW24道工程地震儀，采用錘擊震源進(jìn)行激發(fā)，產(chǎn)生地震波，接收地震波。實(shí)驗(yàn)采用分組的方式，每組學(xué)生各自設(shè)計(jì)觀測(cè)系統(tǒng)，布置檢波器，并操作主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。這可以鍛煉學(xué)生野外地震勘探數(shù)據(jù)采集水平，培養(yǎng)學(xué)生地震儀操作、觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、檢波器布設(shè)、線纜連接、組織施工協(xié)調(diào)等能力。

地震數(shù)據(jù)處理內(nèi)容龐雜，從抽道集、去噪、靜校正、動(dòng)校正、水平疊加到偏移成像，每一個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)起來都相當(dāng)復(fù)雜?，F(xiàn)有的商業(yè)地震處理軟件基本上都運(yùn)行在Unix或者Linux平臺(tái)，需要有工作站硬件支持，而建設(shè)工作站機(jī)房成本高、維護(hù)困難，學(xué)校尚不具備條件。因此，地震數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以利用現(xiàn)有的普通計(jì)算機(jī)機(jī)房，讓學(xué)生動(dòng)手編程實(shí)現(xiàn)地震勘探涉及的基本原理。為適應(yīng)不同學(xué)生的編程能力，可自由選擇C、C++、Fortran及matlab等程序語言，學(xué)生可以根據(jù)自身對(duì)編程語言的掌握程度隨意選擇。對(duì)于編程能力較強(qiáng)的學(xué)生，一般建議他們選擇C、C++等編譯性語言進(jìn)行編寫。如果編程能力一般，那么可以利用matlab這種相對(duì)簡(jiǎn)單的解釋化語言進(jìn)行編程。

四、課程設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)置

地質(zhì)類專業(yè)的學(xué)生具有較強(qiáng)的地質(zhì)理論基礎(chǔ)，走上生產(chǎn)崗位后，更適合從事地震資料解釋工作。為此，可以專門安排兩周的課程實(shí)踐環(huán)節(jié)，進(jìn)行地震資料解釋課程實(shí)習(xí)。選擇某礦區(qū)典型地震資料，最好是構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，斷層、陷落柱、采空區(qū)等有明顯特征。學(xué)生自己動(dòng)手，通過對(duì)煤層和斷層的解釋，可以讓他們充分理解地震勘探資料解釋工作的相關(guān)流程及方法。如有條件，可在工作站上進(jìn)行，或者讓學(xué)生采用手工方式進(jìn)行地震剖面的構(gòu)造解釋，并完成兩張構(gòu)造圖。可采用分組制，四五個(gè)學(xué)生為一組，每個(gè)學(xué)生負(fù)責(zé)不同的環(huán)節(jié)，每組分為組長(zhǎng)，解釋員和制圖員等。組長(zhǎng)總體負(fù)責(zé)地震資料解釋工作，解釋員1到2名，負(fù)責(zé)解釋地震層位和斷層。制圖員負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)落實(shí)到圖紙，并完成構(gòu)造成圖。這樣既可以鍛煉學(xué)生的專業(yè)知識(shí)，也可以培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)助能力。由于地震資料解釋多解性強(qiáng)，因此指導(dǎo)教師在實(shí)踐環(huán)節(jié)只講地震解釋的基本流程和方法，剩下的完全交給學(xué)生，以培養(yǎng)學(xué)生的自我學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)造性。構(gòu)造圖完成后，讓每個(gè)學(xué)生寫實(shí)習(xí)報(bào)告，并要求每個(gè)學(xué)生寫本次實(shí)習(xí)的心得體會(huì)，以及地震資料解釋中出現(xiàn)的問題和處理方法。

五、結(jié)語

勘探地震學(xué)是一門理論與實(shí)踐相結(jié)合的學(xué)科，應(yīng)充分利用現(xiàn)有的教學(xué)資源，從理論、實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐三個(gè)環(huán)節(jié)加強(qiáng)對(duì)學(xué)生專業(yè)能力的培養(yǎng)，以提高學(xué)生對(duì)地震勘探的理解，讓學(xué)生適應(yīng)快速發(fā)展的煤炭行業(yè)，為將來學(xué)生畢業(yè)后進(jìn)入生產(chǎn)崗位能夠直接將學(xué)校所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際工作奠定良好的基礎(chǔ)。

[ 注 釋 ]

[1] 云美厚.“應(yīng)用地球物理學(xué)”課程整合教學(xué)嘗試[J].中國地質(zhì)教育，2013（87）：44-46.

[2] 楊雙安.基于“卓越計(jì)劃”的煤田地震勘探教學(xué)模式[J].大學(xué)教育，2015（8）：146-147.

[3] 馮磊.《應(yīng)用地球物理》礦業(yè)類高校課程教學(xué)內(nèi)容探討[J].教育聚焦，2011（11）：22-23.

[責(zé)任編輯：陳 明]