瞬變電磁三維顯示技術(shù)在立井井筒超前探測中的應(yīng)用＊

李新華 劉耀寧 龐玉璽

（1.陽煤集團壽陽開元礦業(yè)有限責(zé)任公司，山西省陽泉市，045400；2.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇省徐州市，221116）

煤礦立井開拓過程中的斷層破碎帶、裂隙發(fā)育區(qū)、巖溶等含水構(gòu)造易引發(fā)突水、側(cè)幫垮塌等事故，給井筒的安全掘進造成嚴(yán)重威脅，因此，準(zhǔn)確地預(yù)測井筒掘進前方含水構(gòu)造具有非常重要的意義。礦井瞬變電磁法超前探測技術(shù)施工效率高，廣泛應(yīng)用于煤礦水文地質(zhì)超前探測預(yù)報工作中，然而瞬變電磁資料解釋過程中多使用二維視電阻率斷面等值線圖 （剖面圖），其反映的是橫向延展面上視電阻率的分布情況，對垂向延展面上的視電阻率變化特征體現(xiàn)的不夠明顯，數(shù)據(jù)利用率低，地質(zhì)信息量不足，不易作出直觀而準(zhǔn)確的判斷，因此有必要研究瞬變電磁三維顯示技術(shù)，充分利用所采集數(shù)據(jù)，提高瞬變電磁法超前探測精度和顯示效果。

1 立井井筒超前探測設(shè)計

1.1 裝置參數(shù)選擇

參數(shù)的選擇將直接影響測量結(jié)果，瞬變電磁裝置參數(shù)主要有回線邊長、回線匝數(shù)、疊加次數(shù)、終端窗口和增益等。線圈邊長越小，其體積效應(yīng)也越小，縱、橫向分辨率也愈高，但邊長太小會影響到發(fā)射磁矩，使得勘探深度大大降低。在回線邊長確定的情況下，回線匝數(shù)愈多發(fā)射磁矩愈大，接收回線感應(yīng)信號也愈強，相應(yīng)探測深度加大。考慮到井筒施工范圍的限制，同時為保證足夠的發(fā)射功率采集到有用的感應(yīng)信號，確定采用回線邊長2 m×2 m 的多匝數(shù)方形重疊回線測量裝置，34 個時窗，疊加次數(shù)64，采用標(biāo)準(zhǔn)時間序列，以實現(xiàn)有效探測距離。礦井瞬變電磁超前探測技術(shù)多次實踐效果表明，采用此類裝置具有輕便快捷、與井筒掘進前方異常構(gòu)造耦合好、信噪比高等優(yōu)點。

1.2 測點布置

立井井筒空間具有特殊性，不同于巷道空間，為保證不漏探前方含水低阻構(gòu)造，同時保證施工效率，考慮到瞬變電磁體積效應(yīng)的影響，經(jīng)設(shè)計并進行數(shù)值模擬實驗對比分析，采用如圖1所示立井井筒瞬變電磁超前探測技術(shù)測點布置圖。

圖1 立井井筒超前探測點布置及探測方向示意圖

如圖1 （a）所示，探測時沿井壁等間距布置若干個測點，并布置NS、WE兩條十字交叉測線，每條測線上均勻布置N 個測點，點距1m。測點可以根據(jù)實際地質(zhì)情況進行整體或者局部加密，以達到有效的探測目的。沿井壁布置的測點按兩個方向探測，如圖1 （b）所示，環(huán)形鉛錘探測方向，探測井筒掘進正前方的水文地質(zhì)情況；環(huán)形傾斜與鉛錘方向成30°角探測方向，探測井筒掘進前方外圍一定范圍內(nèi)的水文地質(zhì)情況；十字交叉測線上的測點沿鉛錘探測方向，必要時通過調(diào)整天線法向與井筒底板的夾角，可以更加精密探測井筒底板及井筒周圍一定范圍內(nèi)的地下介質(zhì)電性變化情況。

采用上述數(shù)據(jù)采集方式最終形成圓臺形的三維數(shù)據(jù)體，有利于對探測成果的三維顯示。

2 瞬變電磁數(shù)據(jù)三維顯示實現(xiàn)

2.1 建立三維模型

根據(jù)上述井筒瞬變電磁超前探測技術(shù)中各測點的位置及探測方向，利用Matlab編制程序建立以井筒底部中心為原點，正北方為X 軸正向，正東方為Y 軸正向，鉛直向下為Z 軸正向的三維空間模型，如圖2所示。

采用圖3所示的三維柵格數(shù)據(jù)模型將圖2所示的瞬變電磁三維圓臺勘探區(qū)域劃分成若干個單元，該三維柵格數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法簡單，對體內(nèi)的不均一性具有很好的表達能力，疊加分析、緩沖區(qū)分析都很容易實現(xiàn)。

劃分的若干個單元空間位置以X，Y，Z 表示，在X 軸上分割成l 個單元，在Y 軸上分割成m 個單元，在Z 軸上分割成n 個單元。研究對象可用l×m×n 個單元來表示，這些單元按照自身空間的位置組合即構(gòu)成研究對象的三維形態(tài)。

2.2 選取三維插值算法

地質(zhì)問題往往涉及的是真三維海量數(shù)據(jù)的空間插值，問題可以歸結(jié)為在某個空間域T （T∈R，R 是三維歐氏空間）內(nèi)有n個測量點的測量值，需要求出空間域T 中任意一個點P 的值V。已有的勘探數(shù)據(jù)采樣點的分布較密，且分布較為均勻，因此選取將二維曲線擬合與Shepard插值方法 （與距離成反比的加權(quán)法）擴展到三維空間，衍生出三維空間插值算法，即測量點的測量值與計算值之間的誤差在最小二乘意義下達到最小。

設(shè)三維地層空間T 中存在采樣點Pi，其值為Vi，其采樣點的位置坐標(biāo)是 （xi，yi，zi） （i=1，2，3，…，n），為求出T 中網(wǎng)格任意位置點P 屬性值V，可以設(shè)定一個關(guān)于x，y，z 的三次多項式：

式中：ui（i=1，2，3，…，20）——待定系數(shù)。

通過選取適當(dāng)?shù)陌淳嚯x加權(quán)的最小二乘函數(shù)，求出系數(shù)ui，即可以通過式（1）求出該空間內(nèi)任意一點的屬性值。將經(jīng)過網(wǎng)格分割后的每個單元所在位置坐標(biāo)（x，y，z）代入式（1），即可得到相應(yīng)的屬性值。這種算法適用于大規(guī)模的散亂數(shù)據(jù)且精度較高、計算量相對較小的情況，可顯著提高計算速度。

2.3 數(shù)據(jù)體三維顯示實現(xiàn)方法

如圖4所示，首先對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理及時深轉(zhuǎn)換，然后基于三維柵格數(shù)據(jù)模型進行三維空間插值，形成光滑的三維數(shù)據(jù)體，導(dǎo)出Matlab插值后產(chǎn)生的三維數(shù)據(jù)體，利用Voxler軟件進行三維顯示，并對圖像的色彩、光線、視角、透明度等特性進行處理，重點突出相對低阻異常體區(qū)域，達到最佳的三維顯示效果。

圖4 三維顯示流程圖

3 應(yīng)用實例

圖5為沿井壁布置的系列測點視電阻率等值線二維斷面圖 （剖面圖）。瞬變電磁勘探采集的數(shù)據(jù)是一定體積內(nèi)的電阻率的綜合反映，視電阻率等值線二維斷面圖無法直觀、精確地表達含水低阻構(gòu)造的空間位置而且降低了數(shù)據(jù)的利用效率。

圖5 視電阻率等值線二維斷面圖 （剖面圖）

視電阻率三維顯示如圖6所示，對采集的數(shù)據(jù)進行了立體插值，使得數(shù)據(jù)利用率得到了極大提高，三維圖直觀、信息量豐富，與真實地質(zhì)體電性分布情況吻合，能明確劃分出低阻含水構(gòu)造的空間分布范圍。

圖6清晰地表明在X 軸-20～5m，Y 軸20～40m，Z 軸60～110m 所圈定的范圍內(nèi)存在一處相對低阻異常區(qū)，判斷該區(qū)域為含水的巖石破碎帶，后經(jīng)打鉆驗證，該區(qū)域為含水的裂隙破碎帶，出水量1.1m3／h，物探結(jié)果與實際揭露情況吻合較好。

圖6 井筒瞬變電磁超前探測三維圖像顯示

4 結(jié)論

（1）針對井筒的半空間特性和形態(tài)結(jié)構(gòu)特征所設(shè)計的數(shù)據(jù)采集方法能滿足立井超前探測三維顯示數(shù)據(jù)采集技術(shù)的要求。

（2）通過選擇合適的插值方法，將數(shù)據(jù)體進行了三維柵格插值并綜合運用matlab 語言編程及Voxler軟件顯示，實現(xiàn)了探測成果的三維顯示，提高了數(shù)據(jù)的利用率，增強了探測成果的顯示效果。

（3）實例表明，三維顯示技術(shù)更能清晰地展示地質(zhì)異常體的幾何形態(tài)特征及空間分布范圍，方便對異常體及范圍進行圈定，優(yōu)勢明顯。

［1］ 劉樹才，岳建華，劉志新.煤礦水文物探技術(shù)與應(yīng)用 ［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2005

［2］ 于景邨.礦井瞬變電磁法勘探 ［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2007

［3］ 姜志海，岳建華，劉樹才.多匝重疊小回線裝置的礦井瞬變電磁觀測系統(tǒng) ［J］.煤炭學(xué)報，2007（11）

［4］ 吳寶杰，姬美秀.基于matlab的探地雷達數(shù)據(jù)三維顯示 ［J］.物探與化探，2009（3）

［5］ 閆龍.立體視覺技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用 ［J］.機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2010（4）

［6］ 劉志新.礦井瞬變電磁場分布規(guī)律與應(yīng)用研究［D］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2008

［7］ 張華，曹軍，孫海.瞬變電磁法多匝重疊小回線裝置實驗研究 ［J］.地震地質(zhì)，2010（1）

［8］ 劉志新，岳建華，劉仰光.扇形探測技術(shù)在超前探測中的應(yīng)用研究 ［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007（6）

［9］ 胡水清，侯慧群.基于體素模型的三維顯示技術(shù)［J］.物探與化探，2005（3）

［10］ 趙顯毅，吳春陽等.礦井瞬變電磁法應(yīng)用于立井探水 ［J］.建井技術(shù)，2012 （1）

［11］ 陳云誠，李斌.三維空間插值在巖性數(shù)據(jù)可視化中的應(yīng)用 ［J］.沈陽建筑工程學(xué)院學(xué)報，2000（4）

［12］ 蘇茂鑫，李術(shù)才，李貅等.瞬變電磁三維成像技術(shù)在地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用 ［J］ .山東大學(xué)學(xué)報 （工學(xué)版），2009（4）

［13］ 張長明，劉英，劉耀寧.綜合物探技術(shù)在礦井工作面底板巖層含水性探測中的應(yīng)用［J］.中國煤炭，2012 （9）

［14］ 曹靜，岳建華，劉英.多層采空區(qū)綜合物探方法研究 ［J］.中國煤炭，2012 （8）