瞬變電磁三維顯示技術在立井井筒超前探測中的應用＊

李新華 劉耀寧 龐玉璽

（1.陽煤集團壽陽開元礦業有限責任公司，山西省陽泉市，045400；2.中國礦業大學資源與地球科學學院，江蘇省徐州市，221116）

煤礦立井開拓過程中的斷層破碎帶、裂隙發育區、巖溶等含水構造易引發突水、側幫垮塌等事故，給井筒的安全掘進造成嚴重威脅，因此，準確地預測井筒掘進前方含水構造具有非常重要的意義。礦井瞬變電磁法超前探測技術施工效率高，廣泛應用于煤礦水文地質超前探測預報工作中，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的不夠明顯，數據利用率低，地質信息量不足，不易作出直觀而準確的判斷，因此有必要研究瞬變電磁三維顯示技術，充分利用所采集數據，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計

1.1 裝置參數選擇

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

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造，同時保證施工效率，考慮到瞬變電磁體積效應的影響，經設計并進行數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。測點可以根據實際地質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，環形鉛錘探測方向，探測井筒掘進正前方的水文地質情況；環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的水文地質情況；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的地下介質電性變化情況。

采用上述數據采集方式最終形成圓臺形的三維數據體，有利于對探測成果的三維顯示。

2 瞬變電磁數據三維顯示實現

2.1 建立三維模型

根據上述井筒瞬變電磁超前探測技術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所示的三維柵格數據模型將圖2所示的瞬變電磁三維圓臺勘探區域劃分成若干個單元，該三維柵格數據模型數據結構和算法簡單，對體內的不均一性具有很好的表達能力，疊加分析、緩沖區分析都很容易實現。

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成研究對象的三維形態。

2.2 選取三維插值算法

地質問題往往涉及的是真三維海量數據的空間插值，問題可以歸結為在某個空間域T （T∈R，R 是三維歐氏空間）內有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。已有的勘探數據采樣點的分布較密，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是 （xi，yi，zi） （i=1，2，3，…，n），為求出T 中網格任意位置點P 屬性值V，可以設定一個關于x，y，z 的三次多項式：

式中：ui（i=1，2，3，…，20）——待定系數。

通過選取適當的按距離加權的最小二乘函數，求出系數ui，即可以通過式（1）求出該空間內任意一點的屬性值。將經過網格分割后的每個單元所在位置坐標（x，y，z）代入式（1），即可得到相應的屬性值。這種算法適用于大規模的散亂數據且精度較高、計算量相對較小的情況，可顯著提高計算速度。

2.3 數據體三維顯示實現方法

如圖4所示，首先對數據進行預處理及時深轉換，然后基于三維柵格數據模型進行三維空間插值，形成光滑的三維數據體，導出Matlab插值后產生的三維數據體，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域，達到最佳的三維顯示效果。

圖4 三維顯示流程圖

3 應用實例

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據是一定體積內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造的空間位置而且降低了數據的利用效率。

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，對采集的數據進行了立體插值，使得數據利用率得到了極大提高，三維圖直觀、信息量豐富，與真實地質體電性分布情況吻合，能明確劃分出低阻含水構造的空間分布范圍。

圖6清晰地表明在X 軸-20～5m，Y 軸20～40m，Z 軸60～110m 所圈定的范圍內存在一處相對低阻異常區，判斷該區域為含水的巖石破碎帶，后經打鉆驗證，該區域為含水的裂隙破碎帶，出水量1.1m3／h，物探結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 結論

（1）針對井筒的半空間特性和形態結構特征所設計的數據采集方法能滿足立井超前探測三維顯示數據采集技術的要求。

（2）通過選擇合適的插值方法，將數據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，實現了探測成果的三維顯示，提高了數據的利用率，增強了探測成果的顯示效果。

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

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