煤矿采区地震勘探不同检波器接收试验与分析

张利兵，董守华

煤矿采区地震勘探不同检波器接收试验与分析

张利兵，董守华

(中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116)

地震勘探面临诸多挑战，地震成果的不确定性与多解性、短周期与高预期的矛盾、高生产率与低信噪比的矛盾等急待解决，其中开展宽频带采集已成为拓宽频带宽度、提高分辨能力的基础。全数字高密度三维地震勘探通过数字检波器单点接收，高密度采样的方式来实现地震勘探的宽方位角、小面元和高覆盖次数，因此，地震检波器作为野外数据采集过程中最为关键的采集前端设备，其性能的好坏及所采集的数据质量的优劣直接关系到后续的处理与解释等环节。为了对比数字检波器与模拟检波器的实际采集效果，并探讨在野外实际数据采集中数字与模拟检波器性能之间的不同，采用低、中、高不同固有频率的模拟检波器、单点数字检波器与室内数字检波器组合6种检波器进行接收试验，对不同类型检波器的地震记录进行频谱、信噪比等分析，发现数字检波器接收地震信号的频宽和信噪比优于模拟检波器，并且数字检波器室内组合之后频带宽度和信噪比均变大；在低、中、高固有频率的模拟检波器中，低频模拟检波器的频宽和信噪比效果好于中、高频模拟检波器；当高密度采集时，叠加达到一定次数时，剖面信噪比变化不大，因此，可以根据不同深度目的层信号选择合适的叠加次数。

高密度三维地震勘探；检波器；模拟检波器；数字检波器；频谱；信噪比

当前，地震勘探的发展已进入面向地质目标体的综合地震勘探阶段[1]，地质目标越来越复杂、地质需求越来越高。煤矿采区勘探开发为了综合机械化开采和安全生产的需要，要求提高地震资料识别微小断层、陷落柱的能力，分辨微小落差3 m的断层[2]，同时由于煤层埋藏浅，频率高，又要获得深部灰岩的反射波，所以接收地震信号要求宽频带，并且奥灰岩具有埋藏深、顶界风化严重的特点，常规采区地面三维地震成像差，得不到高信噪比高奥灰顶及其附近的反射波。

随着地震勘探的发展，煤矿采区高密度勘探技术逐渐被推广使用。例如从淮南矿区的高密度三维地震勘探初步应用效果来看，其解释落差2~5 m小断层方面，精度远远高于常规的三维地震成果[3]。高密度地震勘探技术来源于1988年沙特石油公司提出的“高密度采集”方法，是一种“未授权采集”的思想。即野外采集不再受制于处理、解释对野外空间采集密度的要求，而是采用高密度方式进行，处理、解释根据需要选择空间采样密度[4]。高密度地震勘探可以采用数字检波器，也可以采用模拟检波器。因此，开展数字检波器与传统模拟检波器应用效果对比，开发和推广有利于明显提高分辨率的数字检波器显得尤为重要和迫切[5]。

动圈式模拟检波器的发展已经很多年，国内外的很多学者对此做过研究。在国内，徐锦玺等[6]研究了检波器尾椎结构对采集信号的影响；芮拥军[7]通过实验分析，提出了建立了针对常规检波器地震数据的低频恢复技术；孙超等[8]研究了检波器倾角、检波器与地表相对阻尼系数、地表介质参数对耦合系统的影响。在国外，O. Euiseok[9]研究发现在某一频率范围和安装角度下，检波器频率响应与理论曲线相类似；B. Aron[10]将动圈式地震检波器由电感式改进为电容式，并在检波器外部增加反馈控制单元，大大提高了地震检波器的性能；B. Ando等[11]提出了一种在某一频率范围内高度灵敏的检波器，该传感器拒绝在所有其他频率的振动。

数字检波器性能的不断提高也吸引了国内外学者的注意。在国内，曹务祥[12]通过试验得出数字检波器采集的资料，频谱较宽，分辨率较高，与数字地震仪匹配较好，具有较强的信号接收能力，尤其是接收弱小信号的能力，是高分辨率勘探的首选检波器；冯刚等[13]针对数字检波器单点采集提出了在多域、多次应用多种提高分辨率与信噪比方法进行迭代处理，既能提高资料的分辨率，又能提高信噪比。数字检波器在国外也有相关研究，D. Mougenot[14]认为数字检波器自身的优点(如宽频带，高灵敏度)，同样也是造成其缺点的原因(噪声)；S.Michael[15]在实验室内对比了数字检波器与模拟检波器，分析了它们对不同振动强度波的振幅和相位响应以及它们与理论响应曲线的差异。

数字检波器由于单点接收和自身的特点，通常采用室内组合，取得了很好的效果。董世泰等[16]认为单检波器接收使得想要的组合形式可以在资料处理中心来构建，可以省略采集过程中的大量试验炮，避免了大工区采用一种固定组合模式带来的压制变化噪声的问题；胡军辉等[17]通过数字组合技术中单点数字检波器去噪技术、组内静校正技术、道组合技术的应用，弥补了常规组合方式的不足，提高了资料品质。

为了对比数字检波器与模拟检波器的实际采集效果，并探讨在野外实际数据采集中数字与模拟检波器性能之间的不同，通过祁南煤矿二维试验段实验数据，对比分析数字检波器与串联的模拟检波器之间的优劣，为煤矿采区高密度三维地震勘探检波器的选择提供依据。

1 野外试验

1.1 试验区地质概况

试验区位于淮北煤田的南部，在地层划分上属于华北地层区鲁西地层分区徐宿小区。本区地层为第四系冲、洪积层覆盖。区域内主要地层由老到新层发育为奥陶系、石炭、二叠系、新近系和第四系。含煤地层为石炭–二叠系，含煤地层厚度约1 108 m，含1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11等11个煤层(组)，含煤30余层，累计平均煤厚22.93 m，含煤系数约为2%；矿区内可采煤层23、32、61、62、63、71、72、8、9、10等10层，累计可采平均厚度14.25 m，占平均总煤层厚度的62%。其中32、71、72、10四个煤层为本区主要可采煤层。

浅表层地震地质条件简单，试验区地势平坦，高差变化不大，一般+17.20~+23.80 m。障碍物主要有刘圩子、浍河等，这些均影响地震数据的正常采集。区内潜水面深度一般在3~4 m，地下水丰富，且较稳定，8~10 m厚，是较好的激发层位。

深表层地震地质条件复杂，勘探区内3、6和7煤层反射波能量较强，波形突出，相位稳定；10煤层的反射波受埋藏深度的影响，能量相对较弱；太灰与奥灰位于10煤之下，埋藏深度更大，能量变小，反射波变弱；此外，区内断层较多，构造较为复杂，给目的层的连续追踪及断层识别造成一定困难。

1.2 试验设计及目的

本次试验铺设检波器310道，道距10 m，炮距10 m，共150个物理点，井深10 m，药量1.5 kg。在二维线上同一个检波点布置6种检波器接收，其中有4个不同自然频率(2.5、40、60、100 Hz)的模拟检波器， 1单点数字检波器(DSU3)和4个呈面积组合(室内)数字检波器(DSU3)接收，如图1所示。试验目的为：模拟检波器与数字检波器背景噪声对比；分析对比模拟与数字检波器采集资料的频带与信噪比差异；数字检波器单点与多点组合，分析其对资料面貌、频率与信噪比的影响；地震剖面叠加次数的选择。试验保证激发井深药量等其余参数一致，实现单一变量原则。因此，具备非常良好的对比分析基础。

图1 检波器布置

2 数据分析

2.1 单炮分析

此次试验得到的6种检波器单炮记录如图2所示，采集的数据质量好，波组特征明显，反射波能量较强，信噪比高，目的层反射波可识别，40、60、100 Hz这3种模拟检波器面波干扰小，而2.5 Hz模拟检波器，数字检波器及其室内组合的面波能量较强。

以2.5 Hz模拟检波器接收的单炮记录为数据基础，选取1处背景噪声和3处不同目的层的时窗，对这4个时窗的地震信号进行频谱和信噪比分析。剩下5种检波器的单炮选取时窗与之相同。

2.1.1 单炮频谱

由图3a可知，在 6种检波器中，数字检波器及其室内组合、2.5 Hz模拟检波器在低频区最大振幅能量达到107数量级，其余3种模拟检波器的频谱最大振幅能量均为106数量级。除了2.5 Hz模拟检波器频谱振幅在低频范围内较大外，数字检波器及其室内组合的频谱振幅在0~350 Hz的频率范围的振幅能量远大于其他模拟检波器，高频范围内更加明显。因此，保证高、中、低频接收的地震信号，优先采用数字检波器及其室内组合，在无数字检波器情况下，宜采用低频模拟检波器。

图3 6种检波器单炮和背景噪声频谱

由图3b可知，由于地震记录背景噪声一般是随机的，频率丰富，此次试验的背景噪声主要集中在0~350 Hz。对于4种模拟检波器来说，在其自然频率以下时，模拟检波器的振幅响应随频率以一定的坡度递减，因此，对低频噪声存在压制与衰减作用；但在相应的自然频率以上，高频噪声能量也下降很多，但2.5 Hz模拟检波器在低频范围内噪声大。数字检波器记录所有频率噪声，在不同频率上均有较好反映。由此可见，模拟检波器有效频带范围远小于数字检波器及其室内组合的有效频率范围，其灵敏度也低于数字检波器，所以检测不到高频噪声。但同时也必须注意数字检波器记录的地震信号干扰大、信噪比低。

2.1.2 单炮不同深度反射波频谱

因为大地具有滤波作用，所以检波器对浅、中、深层反射波接收效果不一样，为了分析不同深度目的层反射波的频谱特性与信噪比，需要对比不同检波器浅、中、深层反射波的接收能力。

图4为单炮浅、中、深层反射波频谱，对于浅层反射波，在图4a中取某一固定振幅值4×105分析，对比6种检波器在该振幅下的有效频率范围。数字检波器及其室内组合的频宽为200 Hz左右，2.5 Hz模拟检波器的频宽约为120 Hz，40 Hz和60 Hz模拟检波器的频宽约为80 Hz；100 Hz模拟检波器的频宽约为40 Hz。由此可见，数字检波器及其室内组合、2.5Hz模拟检波器的频宽和振幅远大于其他模拟检波器，并且模拟检波器的频率接收范围和振幅最大值在其自然频率附近，符合理论结果。

对于单炮中层反射波，在图4b中取某一固定振幅值4×104分析，数字检波器及其室内组合的频宽为250 Hz左右，2.5 Hz模拟检波器的频宽约为150 Hz，40 Hz和60 Hz模拟检波器的频宽约为120 Hz，100 Hz模拟检波器的频宽约50 Hz。同样可以看出，数字检波器及其室内组合与2.5 Hz模拟检波器的频宽和振幅远大于其他模拟检波器，模拟检波器的频率接收范围和振幅最大值在其自然频率附近。

对于单炮深层反射波，在图4c中取某一固定振幅值4×104为例来分析，发现6种检波器接收到多为低频信号，并且振幅较弱。数字检波器及其室内组合的频宽约为110 Hz，2.5 Hz模拟检波器的频宽约为70 Hz，40 Hz和60 Hz模拟检波器的频宽约为40 Hz，100 Hz模拟检波器在低频范围内接收效果很差，信号能量小于4×104。根据以上分析可知，在深层低频信号接收中数字检波器及低频模拟检波器效果更好。

2.1.3 单炮不同深度反射波信噪比

a. 信噪比估计方法 通过野外试验可以得到不同激发参数的单炮地震记录，在单炮地震记录上，初至波能量可以用来表示有效波能量，而在初至波到达之前的数据可以用来估计噪声的能量，用这些数据的均方根来表示噪声的振幅[18]：

图4 6种检波器单炮不同深度反射波频谱

式中：为用于计算平均噪声振幅的数据采样点个数；d为记录的环境噪声数据。

利用单炮资料的初至能量估算有效信号的初始能量0，结合球面扩散和吸收衰减的振幅计算结果，与初至之上环境噪声所估算出的全炮噪声能量，共同计算出最终采集信号的信噪比。并可利用信噪比图对震源激发方式和覆盖次数进行定量设计。

式中：dis为振幅能量扩散系数，0为振幅衰减系数，ref为界面反射系数为接收道数。

b. 单炮信噪比分析 上一小节对单炮浅、中、深层反射波的频谱进行了分析，下面进一步对与浅、中、深层反射波相同频谱分析的时窗进行信噪比分析，如图5所示。

图5 6种检波器单炮不同深度反射波信噪比

从图5a可以看出，对于单炮浅层反射波来说，模拟检波器信噪比略高于单个数字检波器，但数字检波器室内组合后，信噪比显著增大，并且大于模拟检波器；在图5b中，对于中层反射波，数字检波器及其室内组合与其他模拟检波器的信噪比相差不大；在图5c中，对于深层反射波信噪比分析可知，数字检波器信噪比略高于模拟检波器，数字检波器室内组合后，信噪比更好。综上，说明对于深层反射波来说，数字检波器及其室内组合有利于获得高信噪比的地震记录。

2.2 剖面信噪比

a. 覆盖次数 二维地震观测系统通常是炮点(激发点)、检波点(接收点)等间距分布在测线上，且炮点距是检波点距的整数倍。

依据覆盖次数公式：

式中：为覆盖次数，为激发点移动的接收道数，为接收道数。

以此次试验为例，炮距10 m，道距10 m，接收道数160道为例，激发一次后激发点的排列移动1道检波点距，即激发点移动1个接收道数，此时=1，得出=80，即160道接收最高覆盖次数80次。其余覆盖次数剖面类似，可得到覆盖次数分别为16、32、64、70和80次的叠加剖面。

b. 不同叠加剖面信噪比分析 通过试验得到了6种检波器的不同叠加次数的叠加剖面，剖面叠加次数分别为16、32、64、70、和80次等，叠加剖面处理时遵循同一流程与参数。对地震剖面选取浅、中、深层反射波时窗进行信噪比分析如图6所示。

图6a为不同叠加次数剖面的浅、中、深反射波选取，时窗选取与单炮相同。在图6b中，对于剖面浅层反射波来说，2.5 Hz模拟检波器信噪比最高，40、60 Hz模拟检波器略高于单个数字检波器及其室内组合，100 Hz模拟检波器的信噪比最低，数字检波器经过室内组合后，信噪比变大；在图6c中，对于剖面中层反射波来说，数字检波器及其室内组合与其他模拟检波器的信噪比相差不大，但100 Hz模拟检波器信噪比同样远小于其他5种检波器，数字检波器经过室内组合之后变大；在图6d中，数字检波器信噪比略高于模拟检波器，数字检波器室内组合后，信噪比变高。

对于同一种检波器不同叠加次数来说，不同深度目的层反射波的信噪比随着叠加次数的增加而增加，但是叠加次数达到一定次数后，信噪比变化不大；对于相同叠加次数不同检波器来说，在低叠加次数，模拟检波器的信噪比略高于数字检波器，在高叠加次数时，数字检波器的信噪比略大于模拟检波器。数字检波器室内组合后，信噪比变高；其中100 Hz模拟检波器的信噪比远远小于其余五种检波器。对于剖面深层反射波来说，数字检波器及其室内组合、2.5 Hz模拟检波器有利于获得高信噪比的地震记录。

3 结论

a. 从不同检波器单炮频谱可以看出，数字检波器的振幅最大值为107，而模拟检波器振幅最大值为106，说明数字检波器灵敏度高于模拟检波器；并且固定某一振幅值时，数字检波器及其室内组合、2.5 Hz模拟检波器的有效频宽更宽。

图6 6种检波器剖面不同深度反射波选取及其信噪比

b.从不同检波器单炮和叠加剖面的信噪比分析可以看出，数字检波器及其室内组合、2.5 Hz模拟检波器的信噪比更高，数字检波器组合之后比单个数字检波器信噪比变大。

c.数字检波器及其室内组合与2.5 Hz模拟检波器在剖面浅、中、深层反射波中有较高信噪比，当叠加次数达到一定次数后，信噪比变化较小。因此，可以根据信噪比选择适当的叠加次数，减少施工成本和冗杂的数据。但是在采用数字检波器时，叠加次数不能太少，在试验区对于深层(埋深≥700 m)反射波来说，叠加次数不能少于64次。

d．在仪器条件允许下，煤矿采区地震勘探应尽可能采用数字检波器及其室内组合，在没有数字检波器的情况下，尽量选择低频模拟检波器。

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Reception test and analysis of different geophones in coal mining districts seismic exploration

ZHANG Libing, DONG Shouhua

(School of Resources and Geosciences, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)

Seismic exploration faces many challenges, such as the uncertainty and multiple solutions of seismic results, the contradiction between short period and high expectation, the contradiction between high productivity and low signal-to-noise ratio, etc, which need to be solved urgently. Among them, the development of broadband acquisition has become the basis for broadening the bandwidth and improving the resolution ability. All-digital high-density 3D seismic exploration in coal mining area to improve the bandwidth and high resolution in seismic exploration has made obvious effect, the digital geophone single point reception and high density sampling way are used to achieve the wide azimuth seismic exploration, small surface and high folds, so in the process of seismic geophones for field data acquisition, the most critical acquisition front-end equipment, that its performance is good or bad, and collected data quality fit and unfit is directly related to the subsequent processing and interpretation. In order to compare the digital geophones and simulate the actual collection rate of detector, and to explore the field actual data acquisition of the difference between digital and analog detector performance, this paper used the low, medium and high frequencies of different analog detectors, single point of digital geophones with indoor six kinds of digital geophone array, the experiment was carried out, for the seismic records of different kinds of detectors, the frequency spectrum and the signal-to-noise ratio were analysis, it was found that the seismic signal frequency width and SNR of the digital geophones were superior to those of the analog detectors, and after the combination the bandwidth and the signal-to-noise ratio of the digital geophone were enlarged; In the analog geophones of low, medium and high natural frequency, the frequency width and the signal-to-noise ratio of the low-frequency analog geophone was better than that of the middle-high frequency analog geophones. In the case of high-density collection, when the stacking reaches a certain number, the signal-to-noise ratio of the seismic profiles does not change much, so the appropriate stacking times can be selected according to the signal of target layer of different depth.

high density 3D seismic exploration; detector; analog detector; digital detector; spectrum; SNR

请听作者语音介绍创新技术成果等信息，欢迎与作者进行交流

P315.8; P631

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.06.005

1001-1986(2020)06-0033-07

2020-10-15；

2020-11-13

国家重点研发计划课题(2018YFC0807803)

National Key R&D Program of China(2018YFC0807803)

张利兵，1997年生，男，山西大同人，硕士研究生，研究方向为地震勘探. E-mail：2272245772@qq.com

董守华，1963年生，男，江苏盐城人，博士，教授，从事煤田地震勘探与地球物理测井教学与科研工作. zywt@cumt.edu.cn

张利兵，董守华. 煤矿采区地震勘探不同检波器接收试验与分析[J]. 煤田地质与勘探，2020，48(6)：33–39.

ZHANG Libing，DONG Shouhua. Reception test and analysis of different geophones in coal mining districts seismic exploration[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(6)：33–39.

(责任编辑 聂爱兰)