瞬變電磁井下探測三維可視化解釋應用研究

張淑源，時志浩，周 金

（1.中國礦業大學（北京）地球科學與測繪工程學院，北京 100083；2.中國中鐵二院集團有限責任公司，四川 成都 610031）

在煤礦巷道掘進過程中，巷道迎頭致災水源對煤礦回采安全構成了嚴重的威脅，且是引發煤礦特大突水的主要原因。目前，多匝小回線裝置形式的礦井瞬變電磁法是近年來發展起來的一種新的井下物理探測技術，該技術優勢在于體積效應小、井下探測方向性強、儀器分辨率高、特別對充水低阻體敏感、井下施工方便快捷等，近幾年已應用于煤層工作面頂底板巖層的富水異常區探測、巷道迎頭掘進前方的突、導水構造預測、含水陷落柱探測等問題，并取得了良好的應用效果[1，2]。

1 礦井瞬變電磁

1.1 基本原理

瞬變電磁法或稱時間域電磁法(Time domain electromagnetic methods)，簡稱TEM，它是利用不接地回線或接地線源向地下發射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間，利用線圈或接地電極觀測二次渦流場的方法[3]。

礦井瞬變電磁法的基本原理與地面瞬變電磁法的基本原理一致。所不同的是由于礦井瞬變電磁法是在地下幾百米深度的礦井巷道中進行的，感應電磁場呈現出全空間響應。因此，礦井瞬變電磁法測量接收線圈接收到的感應信號是來自周圍全空間分布的巖石的電性的綜合反映。

1.2 井下探測方法

礦井瞬變電磁法受井下巷道空間限制，其發射接收裝置的尺寸很小，但因此限制發射天線的尺寸使其大大降低了發射裝置的發射磁矩，從而影響了信號強度，導致探測深度達不到實際探測工作的需求。因此，在井下實際探測中須增加發射線圈匝數，從而增大發射天線的的方法來加大發射磁矩與有效接收面積即多匝小回線裝置，線圈邊長為2m，采用重疊回線裝置。

圖1 礦井瞬變電磁頂底板探測示意圖

工作面頂底板富水性探測中，瞬變電磁測線布置在工作面回風巷、進風巷內，點距10m。為了能更加全方位探測目標體，可以將發射回線和接收回線進行任意方向任意角度旋轉[4，5]，如圖1所示。

巷道迎頭超前探測工作中，可以根據探測任務要求，通過調整線圈法線方向，來獲取巷道掘進頭前方不同層位上的富水信息。測線布置方式，如圖2所示。

圖2 礦井瞬變電磁超前探測示意圖

2 礦井瞬變電磁三維可視化

礦井瞬變電磁法由于對巖層富水區敏感，探測裝置輕便，抗干擾較強，是近年來應用較廣的一種地球物理探測方法。但是目前礦井瞬變電磁探測成果處理解釋研究還不夠完善，常規的數據處理和解釋都處于二維階段，其主要的探測成果解釋圖件為二維視電阻率等值線斷面圖，只能展現沿探測方向上的水平面上的地電信息，而對垂直面上的巖層地電信息沒能更好的展現，導致了數據的浪費[6,7]。而且成果圖直觀性和立體感比較差，對于異常區域的劃分與位置的判定都有很大的誤差，對之后的鉆探設計比較困難。對此，基于Voxler軟件，結合井下瞬變電磁探測數據，研究井下瞬變電磁探測的三維可視化，可以立體地展示獲得的成果圖件，從而做出更加準確、合理的異常解釋[8]。

Voxler是一款專業的三維可視化軟件，界面友好、功能強大、操作性強、簡單易學，主要功能有體積渲染、等高線圖和三維數據等勢面展示等。Voxler軟件是在Surfer的基礎上研發的三維可視化軟件，它保留了Surfer的繪制功能，還可用于繪制三維等值面圖、流線圖、高程模型圖、散點圖、體積渲染圖以及三維溶解圖等。

采用Voxler繪制三維可視化圖步驟主要包括數據整理輸入、數據處理和圖形輸出三個步驟。數據輸入之前需要將瞬變電磁探測數據反演后導出的文件（.dat）進行整理，將其轉化為三維空間數據體，即數據體的組成為x、y、z三列空間坐標信息和一列電阻率信息[9,10]。Voxler能識別多種數據格式，以dat格式為例，運行Voxler，將數據文件導入Network管理窗口，完成數據輸入。采用Computational（計算模塊）中的Gridder（網格化模型）模塊，選擇插值方法（Inverse Distance）對數據體進行網格化插值計算，將空間分布不均勻的離散數據進行插補，生成空間分布規則的三維網格狀數據矩陣.將數據網格化之后，在Gridder模塊中，右鍵選擇Graphics Outout（圖形輸出模塊）中的Axes（軸線）、BoundingBox（邊界框）、Isosurface（等值面）、VolRender（體積渲染）等子模型對數據進行三維成像。

Voxler視圖軟件可以對繪制的成果圖進行任意角度的旋轉，以滿足從最佳角度來觀測探測方向上的異常體形態、大小以及相對位置，可以直觀的、立體的觀察探測區域的富水情況，相比較常規的二維視電阻率斷面圖效果更佳，與實際地質情況更為接近，同時，也提高了礦井瞬變電磁法探測的資料解釋精度。

3 工程應用

利用瞬變電磁法對山東某煤礦8301工作面頂板進行富水性探測和-980邊界回風下山迎頭進行超前探測，且基于Voxler軟件，進行礦井三維可視化研究。

3.1 工作面頂板富水性探測

8301綜放工作面開采煤層為3（3下）煤，煤層穩定，煤層厚度4.2m～10.0m，平均煤厚9.06m，煤層傾角0°～11°，平均5°；煤層基本頂為中砂巖，老頂為細砂巖、泥巖和粉砂巖；直接底為粉砂巖，老底為細砂巖和砂質泥巖。

探測使用澳大利亞產Terra-TEM型瞬變電磁儀，采用發射線圈和接收線圈邊長為2m*2m，重疊回線裝置。根據工作面采掘條件，為了更為全面探測煤層頂板上方巖層富水性，在該工作面上平巷與下平巷兩條巷道分別布置測線，每個測點點距10m，每個巷道設計4個探測方向，分別為90°、60°、30°和15°，以此探測頂板巖層富水性情況。

井下探測得到的瞬變電磁數據經過反演軟件處理，得到不同探測方向不同深度各點的視電阻值。將上平巷和下平巷各四個方向上的數據整理，即將原二維坐標數據轉換成三維坐標，其中X方向表示沿巷道測線方向長度，Y方向為探測深度，Z方向為上平巷與下平巷距離，即工作面寬度。將數據整理成三維成像的散點數據，然后使用Voxler軟件進行三維可視化實現。如圖3所示，為礦井瞬變電磁工作面頂板異常體三維等值面圖，從圖中可以很明顯看出，在上平巷樁號120m～180m位置，探測深度在20m～40m范圍內存在明顯的低阻異常；在下平巷樁號20m～50m位置，探測深度50m～60m范圍內，存在一相對低阻區，而在樁號190m～240m，探測深度50m～80m范圍內，存在一明顯的低阻異常體，且范圍較大。

經過后期打鉆驗證，其實際工作面頂板富水情況和礦井瞬變電磁探測成果基本一致。

圖3 工作面頂板異常體三維等值面圖

3.2 巷道迎頭超前探測

-980邊界回風下山迎頭掘進的直接充水水含水層是3煤層的頂板砂巖含水層和太原組“三灰”含水層。迎頭掘進區域3煤直接頂粉砂巖、細砂巖和泥巖；煤層底板為粉砂巖、細砂巖和泥巖。巷道掘進前方216m巷道將穿煤層掘進90m，至XF35斷層附近，掘進過程中主要受3煤頂底板砂巖含水層影響，將以頂板淋水的形式通過錨桿、錨索眼進入巷道，因此，3砂成為巷道充水的最直接充水水源。

探測使用澳大利亞產Terra-TEM型瞬變電磁儀，采用發射線圈和接收線圈邊長為2m*2m，重疊回線裝置。根據實際采掘條件，在回風巷下山迎頭布置5個超前探測方向（仰角45°方向、仰角30°方向、順層方向、俯角30°方向、俯角45°方向），基本上全部覆蓋巷道空間頂底板巖層，如圖4所示，以此來控制迎頭附近含水層位置及含水情況。

圖4 掘進面超前探測數據點分布圖

圖5 超前探測異常體三維等值面圖

井下探測得到的瞬變電磁數據經過處理得到不同探測方向不同深度各點的視電阻值，轉換坐標，將數據整理成三維成像的三點數據，然后使用Voxler軟件進行可視化實現。如圖5所示，其中X方向表示垂直巷道軸線水平方向上的距離。Y方向為探測深度，Z方向為對應巷道頂底板距離，（0，0，0）坐標處為迎頭位置，從圖中可以明顯看出主要存在3塊較大的異常體。異常區域在迎頭左側俯角30°斷面內，探測深度50m～120m范圍內，該異常區域在水平面與超前探測方向上延伸較大，根據地質資料，前方XF35斷層穿過該低阻區，可以判斷該低阻區域通過XF35斷層與三砂含水層貫通。而在迎頭右側探測60°方向和30°方向，探測深度80m～120m范圍內上分別存在兩個較小的異常體。

根據礦井瞬變電磁探測成果，在巷道迎頭左側幫俯角30°斷面，巷道軸線左偏35°布置鉆孔進行鉆探驗證，其探測成果與鉆孔揭露的實際地質情況相吻合。

4 結論

（1）應用礦井瞬變電磁法不僅可以對煤礦掘進頭前方含水區域超前探測、采掘工作面頂底板富水區探測有著良好的效果，而且還可以探測迎頭前方導水斷層破碎帶、裂隙發育區、陷落柱等構造的賦水性，保障了巷道的安全、快速掘進，并對富水性程度進行定性評價，從而指導礦方有針對性的打鉆放水，為工作面安全回采提供有力保障。

（2）Voxler軟件為礦井瞬變電磁探測三維可視化提供了良好的平臺，其強大的網格化和顯示功能能直觀展現目標異常體的走向、空間位置和展布特征，增強對探測成果的三維顯示效果，避免了常規二維斷面解釋對異常體分布分析不足的弊端，方便對異常體的準確圈定，優勢明顯。

目前三維可視化技術正處于不斷發展之中，本文僅僅對電法數據體的三維可視化做了初步嘗試。隨著地質解釋工作要求的不斷提高，對于異常體更為精細的三維刻畫將成為趨勢。