煤礦地震數(shù)據(jù)動態(tài)解釋軟件設(shè)計與開發(fā)

朱書階, 李 江， 金學(xué)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(yè)(集團)有限責(zé)任公司， 安徽 淮北 235000)

隨著中國經(jīng)濟發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變，煤炭行業(yè)將向集約化、精細化方向轉(zhuǎn)型，智能化開采成為煤炭安全高效開采的發(fā)展方向與必然趨勢[1-2]。國內(nèi)煤炭行業(yè)智能開采方面提出了“無人跟機作業(yè)，有人安全值守”的開采理念，構(gòu)建“以工作面自動控制為主，監(jiān)控中心遠程干預(yù)為輔”的中國煤炭智能開采模式[3]。在工作面智能化開采發(fā)展進程中，精細的礦井地質(zhì)資料是其實現(xiàn)的基礎(chǔ)。三維地震勘探作為礦井地質(zhì)精細探測的核心技術(shù)，在復(fù)雜構(gòu)造勘探和隱蔽致災(zāi)地質(zhì)體預(yù)測中發(fā)揮著重要的作用[4-5]。傳統(tǒng)的三維地震解釋服務(wù)于煤礦勘探階段，與煤礦安全生產(chǎn)過程相脫節(jié)，煤礦地質(zhì)研究人員希望把三維地震信息與煤礦生產(chǎn)過程中所獲得的礦井地質(zhì)信息相互融合[6]。面對這樣的問題，近年來地球物理學(xué)者提出了煤礦三維地震數(shù)據(jù)動態(tài)解釋的觀點，即對三維地震數(shù)據(jù)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(xué)勘探的綜合研究平臺(以Landmark，Geofram為代表)，軟件系統(tǒng)龐大，但是缺少針對煤礦地質(zhì)生產(chǎn)需求的功能[8]。對于煤礦地質(zhì)工作者來說，掌握該系統(tǒng)的使用難度較大，而且不能有效解決礦井地質(zhì)勘探問題。因此商業(yè)地震解釋系統(tǒng)在礦井實際工作中應(yīng)用率較低，這嚴(yán)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(chǎn)。

本研究開發(fā)基于Windows操作系統(tǒng)運行的地震資料解釋軟件，具有礦井多元地震地質(zhì)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(shù)據(jù)管理工區(qū)建立、地震數(shù)據(jù)及相關(guān)地質(zhì)數(shù)據(jù)的加載過程，提供多種數(shù)據(jù)顯示方式和交互操作方式，方便煤礦地質(zhì)人員使用。通過該軟件系統(tǒng)能有效地把煤礦三維地震勘探獲得的“靜態(tài)”勘探成果與煤礦生產(chǎn)過程中所獲得的各類礦井地質(zhì)信息相互融合，實現(xiàn)地震資料動態(tài)解釋，促進礦井地震、地質(zhì)資料綜合利用，提高地質(zhì)探測精度，為煤礦安全高效開采提供地質(zhì)保障。

1 軟件設(shè)計與開發(fā)

1.1 總體設(shè)計

地震資料解釋軟件開發(fā)是一個系統(tǒng)工程，它綜合運用了地質(zhì)、地震、地球物理、計算機科學(xué)等多學(xué)科理論和多種技術(shù)手段。軟件總體設(shè)計技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 軟件總體設(shè)計技術(shù)路線

1.2 軟件開發(fā)平臺

軟件開發(fā)以Qt作為開發(fā)平臺。Qt是跨平臺的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)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(zhí)行效率高[9]。目前在專業(yè)領(lǐng)域很多開源算法或類庫都是基于Qt C++開發(fā)，Qt已成為編程實現(xiàn)研究成果和專業(yè)軟件開發(fā)的利器[10-11]。數(shù)據(jù)庫設(shè)計中Qt內(nèi)嵌的SQLite數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)完全滿足本軟件對數(shù)據(jù)存儲和訪問的需求[12]。

1.3 軟件設(shè)計

根據(jù)地震動態(tài)解釋軟件的設(shè)計思路及地震資料解釋的特點，軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示，在多元數(shù)據(jù)綜合管理的基礎(chǔ)上，動態(tài)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(tài)解釋軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

2 仿真分析及實例應(yīng)用

在軟件設(shè)計的思路指引下，基于Qt開發(fā)了煤礦地震資料動態(tài)解釋系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)界面如圖3所示，其主要功能模塊包括面元網(wǎng)格、數(shù)據(jù)體和三維顯示。

圖3 動態(tài)解釋軟件系統(tǒng)界面

2.1 面元網(wǎng)格

該模塊主要功能為地質(zhì)、測量、鉆孔與地震等多元資料的的平面顯示與動態(tài)管理(圖4)。包括建立工區(qū)數(shù)據(jù)庫、將UNIX SEGY格式的三維數(shù)據(jù)體轉(zhuǎn)換為PC SEGY格式、三維數(shù)據(jù)體的輸入、相對坐標(biāo)與絕對坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)體數(shù)據(jù)格式化輸出等。平面上可以顯示的數(shù)據(jù)類型包括觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)(炮點信息、檢波點信息、覆蓋次數(shù))、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(wǎng)格窗口

2.2 數(shù)據(jù)體

該模塊主要功能為地震數(shù)據(jù)剖面顯示與層位、斷層解釋。對三維數(shù)據(jù)體的Inline剖面、Crossline剖面、聯(lián)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(shù)據(jù)體窗口

2.3 三維顯示

對三維地震數(shù)據(jù)體、地震剖面、地震切片、解釋層位等數(shù)據(jù)進行三維立體顯示，實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)體的動態(tài)放大、縮小、平移、透明化等交互操作[13]。圖6為某礦區(qū)工作面的三維地震數(shù)據(jù)體切片立體顯示及透明化顯示效果。

圖6 地震數(shù)據(jù)三維顯示

2.4 應(yīng)用實例

陷落柱在時間剖面上一般表現(xiàn)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(xiàn)明顯的“塌陷漏斗”現(xiàn)象，如圖果7所示。在陷落柱邊緣出現(xiàn)明顯的地震異常擾曲反射波，這些異常表現(xiàn)結(jié)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(jié)論

傳統(tǒng)的三維地震解釋服務(wù)于煤礦勘探階段，在煤炭開采過程中，礦井地質(zhì)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(dǎo)致三維地震勘探資料與煤礦安全生產(chǎn)相脫節(jié)。煤礦三維地震資料動態(tài)解釋方法充分利用礦井生產(chǎn)過程中的地質(zhì)測量數(shù)據(jù)對地震解釋成果進行實時更新，它是一個動態(tài)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(zhǔn)的地質(zhì)導(dǎo)向。為了實現(xiàn)煤礦地震資料動態(tài)解釋在煤炭地質(zhì)探測中的應(yīng)用，還需要充分利用巷道揭露的煤層頂?shù)装鍦y量數(shù)據(jù)，進一步完善地震資料時深轉(zhuǎn)換的速度場構(gòu)建方法，不斷優(yōu)化軟件功能。