煤炭高校勘探地震学课程教学方案探讨
冯磊 杨双安 李晓斌 赵秋芳
[摘 要]勘探地震学是煤炭类高校地质专业必修的一门专业课程，现行教学方案基本照搬石油类高校地震勘探课程内容，并不完全适应煤炭行业地震勘探生产现状。为适应煤炭高校勘探地震学的课程教学，从课堂理论教学、实验教学和课程实践三个环节进行讨论，对教学方案进行优化设计，补充传统地震勘探课程内容，增加煤炭行业特有的矿井巷道中槽波地震勘探内容，探索更适应煤岩行业地震勘探的本科教学模式和方法。
[关键词]煤炭；地震勘探；教学；实验；实践
[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）07-0145-02
一、引言
勘探地震学是煤炭高校地质工程等专业必修的一门专业课。该课程综合性强，包含了地质学、计算机、高等数学和大学物理等学科基础知识，具有概念抽象化、公式复杂化、应用具体化的特点，学习该课程具有一定难度。目前地震勘探教学，不管是教材还是辅导书，内容主要是针对石油系统。石油行业地震勘探只能在地面布置检波器，利用地震反射波或折射波进行构造探测，而煤炭行业地震数据采集方式有多种选择，既可以在地面进行地震勘探，也可以在煤矿井下巷道中布置检波器，利用地震槽波进行煤层厚度或者构造探测。可见，煤炭类高校不能完全照搬石油高校地震勘探教学模式。结合本校实际情况，我们将勘探地震学课程设定为三个部分：一是理论教学，二是实验教学，三是实践教学，三个环节紧密相连，综合培养学生的理论水平和动手能力。
二、课堂理论教学内容设定
（一）课程教学安排及授课方式
勘探地震学主要讲授利用震源激发地震波，通过地震波传播特征进行构造探测的原理和相关概念。该课程实践性强，在油气、煤炭等矿产资源勘查领域应用广泛。由于本课程涉及多门基础学科，一般安排到基础课都讲授完的大三阶段来开设，否则很多理论概念学生理解起来相对困难。此外，该课程最好放到野外地质填图实习之后，学生经过野外露头考察地层及构造，认识到要想研究地下地质构造，必须借助其他专业知识。这样他们就有兴趣去学习如何对地下地质构造进行探测。
勘探地震学研究地震波在岩层中的传播规律和特征。由于地震波传播看不见、摸不着，概念比较抽象，学生理解起来困难大。这就需要充分利用好现代化的多媒体教学设备，通过声音、图像、动画、视频等方式，让学生能够更容易理解地震波的传播特征。或者通过类比的方式，用一些身边的例子来帮助学生理解，提高学生学习的兴趣。在课间可以播放生产单位野外数据采集工作录像，让学生获得更直接的现场感官认识。在理论课讲授的同时，要随时结合生产上面临的实际问题，扩充教学内容，让学生明白学了这门课，到底能解决什么生产上的问题，以此提高他们学习的主动性。
（二）理论教学章节的内容安排
地震勘探工作内容分为三个阶段，分别是野外数据采集、地震数据处理和地震资料解释。理论课程共分为八个部分。首先是绪论，主要讲授勘探地震学的相关概念，以及在生产单位的作用，目的是让学生明白这门课的重要性。第一章讲授地震波几何运动学。由于课时有限，课堂上只讲授地震波几何运动学，地震波动力学作为课下自学内容。第二章地震信号频谱分析。主要讲授信号频谱的相关概念，以及进行频谱分析的方法。第三章地震勘探数据采集。内容包括观测系统的设计、数据采集的方式、地震组合原理等。第四章共中心点叠加原理。本章是地震勘探的核心，重点是让学生明白进行共中心点叠加的目的及原理。第五章地震波的传播速度。速度是地震波的核心参数，可以从地震波速度概念、速度影响因素和速度之间的转换关系三个方面进行讲解。第六章地震勘探资料解释，主要讲授地震资料解释的相关概念和方法，包括层位的解释，构造的识别，构造图的制作等。第七章矿井地震勘探方法。主要讲解煤矿行业特有的槽波地震勘探技术，该方法只有煤炭行业井下巷道中进行地震勘探才有。
（三）煤炭与石油系统勘探地震学的差异
煤炭行业地震勘探既能够在地面进行数据采集，也可以到井下巷道中进行数据采集，也就是槽波地震勘探，这个技术在煤矿应用多年，效果良好。目前，国内多家煤炭企业都已购置相关仪器设备，并应用到实际生产中。对于矿井巷道中的采集方式，国内规划教材中都没有涉及，学生到了生产单位，还得重新学习为适应煤炭行业快速发展的井下地震勘探技术，在课堂理论学时中单独拿出四个学时讲解这种只有煤矿行业才有的数据采集方式，重点讲解和地面数据采集方式的区别，强调这种方式利用的不是地震纵波，而是煤矿中特有的“顶板-煤层-底板”组合条件下，在煤层中相互干涉形成的一种特殊波，既槽波。槽波地震数据采集方式分为反射法和透射法。反射法将炮点和检波器布置在矿井同一巷道内，接收来自工作面内的反射槽波信号，适用于对煤层内地质构造（断层、陷落柱等）进行探测；透射法将炮点和检波器布置在工作面不同巷道内，接收工作面内的透射槽波信号，适合煤层厚度和煤岩类型的探测。
（四）紧跟学科技术前沿重视软件操作
由于国内外石油公司众多，开展地震勘探技术服务研究的公司发展迅猛，很多新技术不断涌现，并很快应用到企业实际生产中。授课教师必须紧跟学科技术发展，以适应地震勘探领域信息快速发展的需求。在课堂中，教师可以穿插介绍国外最新地震勘探进展情况，把每年美国地球物理年会和中国地球物理年会上的研究进展和科研动态介绍给学生，以扩展学生的知识面。同时，这也有利于大四阶段的毕业设计选题。目前地震勘探许多技术都已经商业化，都有成熟的商业软件，在企业实际工作中，基本上都离不开专业软件的使用，如地震数据采集中进行观测系统设计的KLseis、Mesa，用于静校正的TomoPlus等。地震数据处理相关软件有Promax、CGG、Omega、Focus等，地震解释软件有GeoFrame、LandMark、Epos等。因此，在课堂上除了讲授相关专业理论知识外，还应该重点介绍相关的软件。如有条件，最好能够让学生都能动手操作，使学生能够快速上手，利用相关软件解决实际生产问题。
三、课内实验教学项目设计
教学安排理论课时与实验课时的比例约为7∶1或者8∶1，实验室课时相对较少，主要安排地震数据采集和地震资料处理两个项目实验。地震数据采集实验，包括地震波的激发和接收。由于实验室模拟矿井巷道中煤层槽波传播难以实现，所以仍以地面数据采集方式为主，利用实验室拥有的重庆奔腾仪器厂产的BTW24道工程地震仪，采用锤击震源进行激发，产生地震波，接收地震波。实验采用分组的方式，每组学生各自设计观测系统，布置检波器，并操作主机进行数据采集。这可以锻炼学生野外地震勘探数据采集水平，培养学生地震仪操作、观测系统设计、检波器布设、线缆连接、组织施工协调等能力。
地震数据处理内容庞杂，从抽道集、去噪、静校正、动校正、水平叠加到偏移成像，每一个环节实现起来都相当复杂。现有的商业地震处理软件基本上都运行在Unix或者Linux平台，需要有工作站硬件支持，而建设工作站机房成本高、维护困难，学校尚不具备条件。因此，地震数据处理实验项目可以利用现有的普通计算机机房，让学生动手编程实现地震勘探涉及的基本原理。为适应不同学生的编程能力，可自由选择C、C++、Fortran及matlab等程序语言，学生可以根据自身对编程语言的掌握程度随意选择。对于编程能力较强的学生，一般建议他们选择C、C++等编译性语言进行编写。如果编程能力一般，那么可以利用matlab这种相对简单的解释化语言进行编程。
四、课程设计实践环节设置
地质类专业的学生具有较强的地质理论基础，走上生产岗位后，更适合从事地震资料解释工作。为此，可以专门安排两周的课程实践环节，进行地震资料解释课程实习。选择某矿区典型地震资料，最好是构造相对简单，断层、陷落柱、采空区等有明显特征。学生自己动手，通过对煤层和断层的解释，可以让他们充分理解地震勘探资料解释工作的相关流程及方法。如有条件，可在工作站上进行，或者让学生采用手工方式进行地震剖面的构造解释，并完成两张构造图。可采用分组制，四五个学生为一组，每个学生负责不同的环节，每组分为组长，解释员和制图员等。组长总体负责地震资料解释工作，解释员1到2名，负责解释地震层位和断层。制图员负责将数据落实到图纸，并完成构造成图。这样既可以锻炼学生的专业知识，也可以培养学生的团队协助能力。由于地震资料解释多解性强，因此指导教师在实践环节只讲地震解释的基本流程和方法，剩下的完全交给学生，以培养学生的自我学习能力和创造性。构造图完成后，让每个学生写实习报告，并要求每个学生写本次实习的心得体会，以及地震资料解释中出现的问题和处理方法。
五、结语
勘探地震学是一门理论与实践相结合的学科，应充分利用现有的教学资源，从理论、实验和实践三个环节加强对学生专业能力的培养，以提高学生对地震勘探的理解，让学生适应快速发展的煤炭行业，为将来学生毕业后进入生产岗位能够直接将学校所学知识应用到实际工作奠定良好的基础。
[ 注 释 ]
[1] 云美厚.“应用地球物理学”课程整合教学尝试[J].中国地质教育，2013（87）：44-46.
[2] 杨双安.基于“卓越计划”的煤田地震勘探教学模式[J].大学教育，2015（8）：146-147.
[3] 冯磊.《应用地球物理》矿业类高校课程教学内容探讨[J].教育聚焦，2011（11）：22-23.
[责任编辑：陈 明]
[摘 要]勘探地震学是煤炭类高校地质专业必修的一门专业课程，现行教学方案基本照搬石油类高校地震勘探课程内容，并不完全适应煤炭行业地震勘探生产现状。为适应煤炭高校勘探地震学的课程教学，从课堂理论教学、实验教学和课程实践三个环节进行讨论，对教学方案进行优化设计，补充传统地震勘探课程内容，增加煤炭行业特有的矿井巷道中槽波地震勘探内容，探索更适应煤岩行业地震勘探的本科教学模式和方法。
[关键词]煤炭；地震勘探；教学；实验；实践
[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）07-0145-02
一、引言
勘探地震学是煤炭高校地质工程等专业必修的一门专业课。该课程综合性强，包含了地质学、计算机、高等数学和大学物理等学科基础知识，具有概念抽象化、公式复杂化、应用具体化的特点，学习该课程具有一定难度。目前地震勘探教学，不管是教材还是辅导书，内容主要是针对石油系统。石油行业地震勘探只能在地面布置检波器，利用地震反射波或折射波进行构造探测，而煤炭行业地震数据采集方式有多种选择，既可以在地面进行地震勘探，也可以在煤矿井下巷道中布置检波器，利用地震槽波进行煤层厚度或者构造探测。可见，煤炭类高校不能完全照搬石油高校地震勘探教学模式。结合本校实际情况，我们将勘探地震学课程设定为三个部分：一是理论教学，二是实验教学，三是实践教学，三个环节紧密相连，综合培养学生的理论水平和动手能力。
二、课堂理论教学内容设定
（一）课程教学安排及授课方式
勘探地震学主要讲授利用震源激发地震波，通过地震波传播特征进行构造探测的原理和相关概念。该课程实践性强，在油气、煤炭等矿产资源勘查领域应用广泛。由于本课程涉及多门基础学科，一般安排到基础课都讲授完的大三阶段来开设，否则很多理论概念学生理解起来相对困难。此外，该课程最好放到野外地质填图实习之后，学生经过野外露头考察地层及构造，认识到要想研究地下地质构造，必须借助其他专业知识。这样他们就有兴趣去学习如何对地下地质构造进行探测。
勘探地震学研究地震波在岩层中的传播规律和特征。由于地震波传播看不见、摸不着，概念比较抽象，学生理解起来困难大。这就需要充分利用好现代化的多媒体教学设备，通过声音、图像、动画、视频等方式，让学生能够更容易理解地震波的传播特征。或者通过类比的方式，用一些身边的例子来帮助学生理解，提高学生学习的兴趣。在课间可以播放生产单位野外数据采集工作录像，让学生获得更直接的现场感官认识。在理论课讲授的同时，要随时结合生产上面临的实际问题，扩充教学内容，让学生明白学了这门课，到底能解决什么生产上的问题，以此提高他们学习的主动性。
（二）理论教学章节的内容安排
地震勘探工作内容分为三个阶段，分别是野外数据采集、地震数据处理和地震资料解释。理论课程共分为八个部分。首先是绪论，主要讲授勘探地震学的相关概念，以及在生产单位的作用，目的是让学生明白这门课的重要性。第一章讲授地震波几何运动学。由于课时有限，课堂上只讲授地震波几何运动学，地震波动力学作为课下自学内容。第二章地震信号频谱分析。主要讲授信号频谱的相关概念，以及进行频谱分析的方法。第三章地震勘探数据采集。内容包括观测系统的设计、数据采集的方式、地震组合原理等。第四章共中心点叠加原理。本章是地震勘探的核心，重点是让学生明白进行共中心点叠加的目的及原理。第五章地震波的传播速度。速度是地震波的核心参数，可以从地震波速度概念、速度影响因素和速度之间的转换关系三个方面进行讲解。第六章地震勘探资料解释，主要讲授地震资料解释的相关概念和方法，包括层位的解释，构造的识别，构造图的制作等。第七章矿井地震勘探方法。主要讲解煤矿行业特有的槽波地震勘探技术，该方法只有煤炭行业井下巷道中进行地震勘探才有。
（三）煤炭与石油系统勘探地震学的差异
煤炭行业地震勘探既能够在地面进行数据采集，也可以到井下巷道中进行数据采集，也就是槽波地震勘探，这个技术在煤矿应用多年，效果良好。目前，国内多家煤炭企业都已购置相关仪器设备，并应用到实际生产中。对于矿井巷道中的采集方式，国内规划教材中都没有涉及，学生到了生产单位，还得重新学习为适应煤炭行业快速发展的井下地震勘探技术，在课堂理论学时中单独拿出四个学时讲解这种只有煤矿行业才有的数据采集方式，重点讲解和地面数据采集方式的区别，强调这种方式利用的不是地震纵波，而是煤矿中特有的“顶板-煤层-底板”组合条件下，在煤层中相互干涉形成的一种特殊波，既槽波。槽波地震数据采集方式分为反射法和透射法。反射法将炮点和检波器布置在矿井同一巷道内，接收来自工作面内的反射槽波信号，适用于对煤层内地质构造（断层、陷落柱等）进行探测；透射法将炮点和检波器布置在工作面不同巷道内，接收工作面内的透射槽波信号，适合煤层厚度和煤岩类型的探测。
（四）紧跟学科技术前沿重视软件操作
由于国内外石油公司众多，开展地震勘探技术服务研究的公司发展迅猛，很多新技术不断涌现，并很快应用到企业实际生产中。授课教师必须紧跟学科技术发展，以适应地震勘探领域信息快速发展的需求。在课堂中，教师可以穿插介绍国外最新地震勘探进展情况，把每年美国地球物理年会和中国地球物理年会上的研究进展和科研动态介绍给学生，以扩展学生的知识面。同时，这也有利于大四阶段的毕业设计选题。目前地震勘探许多技术都已经商业化，都有成熟的商业软件，在企业实际工作中，基本上都离不开专业软件的使用，如地震数据采集中进行观测系统设计的KLseis、Mesa，用于静校正的TomoPlus等。地震数据处理相关软件有Promax、CGG、Omega、Focus等，地震解释软件有GeoFrame、LandMark、Epos等。因此，在课堂上除了讲授相关专业理论知识外，还应该重点介绍相关的软件。如有条件，最好能够让学生都能动手操作，使学生能够快速上手，利用相关软件解决实际生产问题。
三、课内实验教学项目设计
教学安排理论课时与实验课时的比例约为7∶1或者8∶1，实验室课时相对较少，主要安排地震数据采集和地震资料处理两个项目实验。地震数据采集实验，包括地震波的激发和接收。由于实验室模拟矿井巷道中煤层槽波传播难以实现，所以仍以地面数据采集方式为主，利用实验室拥有的重庆奔腾仪器厂产的BTW24道工程地震仪，采用锤击震源进行激发，产生地震波，接收地震波。实验采用分组的方式，每组学生各自设计观测系统，布置检波器，并操作主机进行数据采集。这可以锻炼学生野外地震勘探数据采集水平，培养学生地震仪操作、观测系统设计、检波器布设、线缆连接、组织施工协调等能力。
地震数据处理内容庞杂，从抽道集、去噪、静校正、动校正、水平叠加到偏移成像，每一个环节实现起来都相当复杂。现有的商业地震处理软件基本上都运行在Unix或者Linux平台，需要有工作站硬件支持，而建设工作站机房成本高、维护困难，学校尚不具备条件。因此，地震数据处理实验项目可以利用现有的普通计算机机房，让学生动手编程实现地震勘探涉及的基本原理。为适应不同学生的编程能力，可自由选择C、C++、Fortran及matlab等程序语言，学生可以根据自身对编程语言的掌握程度随意选择。对于编程能力较强的学生，一般建议他们选择C、C++等编译性语言进行编写。如果编程能力一般，那么可以利用matlab这种相对简单的解释化语言进行编程。
四、课程设计实践环节设置
地质类专业的学生具有较强的地质理论基础，走上生产岗位后，更适合从事地震资料解释工作。为此，可以专门安排两周的课程实践环节，进行地震资料解释课程实习。选择某矿区典型地震资料，最好是构造相对简单，断层、陷落柱、采空区等有明显特征。学生自己动手，通过对煤层和断层的解释，可以让他们充分理解地震勘探资料解释工作的相关流程及方法。如有条件，可在工作站上进行，或者让学生采用手工方式进行地震剖面的构造解释，并完成两张构造图。可采用分组制，四五个学生为一组，每个学生负责不同的环节，每组分为组长，解释员和制图员等。组长总体负责地震资料解释工作，解释员1到2名，负责解释地震层位和断层。制图员负责将数据落实到图纸，并完成构造成图。这样既可以锻炼学生的专业知识，也可以培养学生的团队协助能力。由于地震资料解释多解性强，因此指导教师在实践环节只讲地震解释的基本流程和方法，剩下的完全交给学生，以培养学生的自我学习能力和创造性。构造图完成后，让每个学生写实习报告，并要求每个学生写本次实习的心得体会，以及地震资料解释中出现的问题和处理方法。
五、结语
勘探地震学是一门理论与实践相结合的学科，应充分利用现有的教学资源，从理论、实验和实践三个环节加强对学生专业能力的培养，以提高学生对地震勘探的理解，让学生适应快速发展的煤炭行业，为将来学生毕业后进入生产岗位能够直接将学校所学知识应用到实际工作奠定良好的基础。
[ 注 释 ]
[1] 云美厚.“应用地球物理学”课程整合教学尝试[J].中国地质教育，2013（87）：44-46.
[2] 杨双安.基于“卓越计划”的煤田地震勘探教学模式[J].大学教育，2015（8）：146-147.
[3] 冯磊.《应用地球物理》矿业类高校课程教学内容探讨[J].教育聚焦，2011（11）：22-23.
[责任编辑：陈 明]
