礦井工作面瞬變電磁探測(cè)數(shù)據(jù)三維可視化方法研究

牛云飛,杜雯莉,李長(zhǎng)江

(北京探創(chuàng)資源科技有限公司,山東 濟(jì)寧 273500)

近年來(lái),隨著我國(guó)各大礦區(qū)礦井開(kāi)采紛紛向深部進(jìn)行,生產(chǎn)過(guò)程中遇到的地質(zhì)問(wèn)題越來(lái)越復(fù)雜,井巷開(kāi)拓及工作面生產(chǎn)中面臨的防治水任務(wù)也越來(lái)越艱巨[1]。礦井瞬變電磁法施工快捷、體積效應(yīng)小、探測(cè)距離大、方向性好、對(duì)含水低阻體敏感,在對(duì)巷道掘進(jìn)前方及工作面隱伏含水體、斷層、陷落柱等的探測(cè)中取得了良好效果[2]。

三維可視化是用于顯示和描述空間現(xiàn)象特征的一種技術(shù),是現(xiàn)實(shí)世界在計(jì)算機(jī)內(nèi)的三維顯示,實(shí)現(xiàn)三維可視化有助于人們對(duì)抽象事物的理解[3]。三維可視化技術(shù)起初主要研究和應(yīng)用在軍事方面,后來(lái)逐漸轉(zhuǎn)為民用,在航空航天、城市建設(shè)、礦井礦山、地質(zhì)地貌等方面得到了長(zhǎng)足的發(fā)展[4]。目前地球科學(xué)領(lǐng)域三維可視化方面出現(xiàn)了許多用于采礦、石油和工程地質(zhì)的商業(yè)軟件,例如國(guó)外PC2Mine,GOCAD,MineMap,M2Keagles,Lyn等,國(guó)內(nèi)SuperMap軟件公司、北京超維等公司也開(kāi)發(fā)了相應(yīng)產(chǎn)品[5],但這些商業(yè)軟件功能繁多、操作復(fù)雜、價(jià)格昂貴,對(duì)于僅僅是物探數(shù)據(jù)三維可視化的需求來(lái)說(shuō)成本也過(guò)高。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者也對(duì)物探領(lǐng)域三維可視化技術(shù)進(jìn)行了一系列研究。鄭福龍等[6-8]對(duì)地面電法數(shù)據(jù)三維可視化進(jìn)行了研究,實(shí)現(xiàn)了地面電法數(shù)據(jù)三維顯示：張震等[9]實(shí)現(xiàn)了礦山微震數(shù)據(jù)三維可視化；劉策[10]對(duì)地震數(shù)據(jù)三維可視化技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究；張淑源等[11-12]對(duì)礦井瞬變電磁法超前探測(cè)數(shù)據(jù)三維可視化進(jìn)行了研究。但對(duì)于回采工作面瞬變電磁勘探,由于井下環(huán)境復(fù)雜,工作面形狀往往為不規(guī)則多邊形,其探測(cè)裝置形式、測(cè)點(diǎn)布置更加靈活多變,需要考慮的情況更加復(fù)雜,更加具有研究意義。本文以山東某礦93上15工作面瞬變電磁勘探為例,對(duì)回采工作面瞬變電磁三維可視化方法進(jìn)行了系統(tǒng)研究,取得了較好效果。

1 工程概況

1.1 工作面概況

93上15工作面主采3上煤,地面位置位于礦井南部,井下位置位于九采區(qū)西部,北側(cè)為九采區(qū)西部3上軌道巷,南側(cè)為鄰礦的183上07面采空區(qū),東側(cè)為93上13面采空區(qū),西部為設(shè)計(jì)的93上18工作面,工作面下方為93下11運(yùn)輸順槽。主要含煤地層為石炭-二疊系太原組和山西組,本次探測(cè)主要涉及的地層為山西組和太原組。

93上15工作面標(biāo)高-718.9～-767.6 m,平均-743.25 m,地面標(biāo)高+33.34～+33.42 m,平均+33.38 m,工作面面長(zhǎng)527.2 m,面寬402.5 m,工作面總面積212 883.3 m2。3上煤層厚度1.1～3.9 m,平均2.45 m，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜,煤層傾角2°～13°,平均5°。

93上15工作面地質(zhì)條件較復(fù)雜,北部臨近煤層沖刷區(qū),煤層較薄,東南部煤層較厚;工作面東南部發(fā)育有一向斜,斷層走向以近NNW—NW向?yàn)橹鳌身槻酆颓醒墼诰蜻M(jìn)過(guò)程中共揭露落差0.6～28 m的斷層26條。其中，12條在回采范圍內(nèi),落差0.6～5.1 m。

工作面直接充水水源為3上煤頂?shù)装迳皫r水、三灰水,間接充水水源為上侏羅統(tǒng)砂巖水。工作面東側(cè)、南側(cè)存在采空區(qū),采空區(qū)積水對(duì)工作面回采有一定影響。

綜上,本次探測(cè)影響工作面回采的主要充水因素為頂板50 m高度范圍內(nèi)的砂巖含水層，底板下方80 m范圍內(nèi)砂巖和三灰含水層及相鄰采空區(qū)積水。

1.2 瞬變電磁法基本原理

瞬變電磁法是一種電磁感應(yīng)類探測(cè)方法,探測(cè)時(shí)利用一個(gè)不接地的回線向地下發(fā)射脈沖電磁波(一次場(chǎng)),大地或探測(cè)目標(biāo)體在一次場(chǎng)作用下,其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生感生渦流,然后利用不接地回線等儀器觀測(cè)其產(chǎn)生的電磁場(chǎng)(二次場(chǎng))的特性,通過(guò)分析二次場(chǎng)的信息即可得到相關(guān)的水文地質(zhì)信息。

礦井瞬變電磁法主要在煤礦井下巷道內(nèi)進(jìn)行探測(cè),測(cè)點(diǎn)間距一般為10 m,也可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件和探測(cè)任務(wù)適當(dāng)加密或減少測(cè)點(diǎn)。多匝小回線探測(cè)方向性較好,探測(cè)時(shí)線框平面法線方向即為探測(cè)方向。因此,將線框平面法線方向分別對(duì)準(zhǔn)煤層頂板、底板不同角度或平行煤層方向,就可得到煤層頂?shù)滓欢ǚ秶鷥?nèi)的地質(zhì)異常信息。

1.3 測(cè)點(diǎn)布置與勘探工作量

本次探測(cè)采用重疊回線裝置,發(fā)射和接收線框采用多匝2.5 m×2.5 m矩形回線,其中發(fā)射線圈匝數(shù)為30匝、接收線圈匝數(shù)為45匝。采樣時(shí)窗為1～34,疊加次數(shù)32,探測(cè)深度154 m,時(shí)間采用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間序列。

根據(jù)礦方需要,在93上15工作面軌道順槽、運(yùn)輸順槽及切眼分別布置測(cè)線一條,具體如下:

1)軌道順槽探測(cè)起點(diǎn)位于切眼,測(cè)點(diǎn)間距10 m,共探測(cè)560 m,共布置物理測(cè)點(diǎn)57個(gè),采集數(shù)據(jù)點(diǎn)285個(gè)。

2)運(yùn)輸順槽探測(cè)起點(diǎn)位于切眼,測(cè)點(diǎn)間距10 m,共探測(cè)1 620 m,共布置物理測(cè)點(diǎn)163個(gè),采集數(shù)據(jù)點(diǎn)815。

3)切眼探測(cè)起點(diǎn)位于軌道順槽,終點(diǎn)位于運(yùn)輸順槽,測(cè)點(diǎn)間距10 m,共探測(cè)320 m,共布置物理測(cè)點(diǎn)33個(gè),采集數(shù)據(jù)點(diǎn)165。

4)每個(gè)測(cè)點(diǎn)探測(cè)頂板30°、60°、90°,底板30°、60°5個(gè)探測(cè)方向,對(duì)工作面頂?shù)装甯凰郧闆r進(jìn)行探測(cè),3條巷道共布置測(cè)線2 500 m,物理測(cè)點(diǎn)253個(gè),采集數(shù)據(jù)點(diǎn)1 265個(gè)(圖1—圖2)。

圖1 93上15工作面瞬變電磁施工測(cè)點(diǎn)布置圖

圖2 探測(cè)方向示意圖

1.4 質(zhì)量保障措施

本次93上15工作面瞬變電磁探測(cè)布置物理測(cè)點(diǎn)253個(gè),數(shù)據(jù)采集點(diǎn)1 265個(gè),質(zhì)量檢測(cè)點(diǎn)76個(gè)。施工時(shí)為保證原始資料質(zhì)量,嚴(yán)格按照《煤炭電法勘探規(guī)范》(MT/T 898—2000)進(jìn)行施工,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)積水、淋水等地段均進(jìn)行了記錄。

76個(gè)檢測(cè)點(diǎn)均方誤差為:

(1)

76個(gè)檢查點(diǎn)總的均方誤差為:

(2)

對(duì)76個(gè)檢查點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),單點(diǎn)均方相對(duì)誤差1.89%～10.35%,總的均方誤差為7.38%,沒(méi)有超出復(fù)測(cè)允許的±15%的范圍。本次井下施工甲級(jí)點(diǎn)1 206個(gè),占95.3%,乙級(jí)點(diǎn)59個(gè),占4.7%,無(wú)棄點(diǎn),全區(qū)質(zhì)量評(píng)級(jí)為優(yōu)秀。

2 瞬變電磁數(shù)據(jù)處理解釋

2.1 數(shù)據(jù)處理與資料解釋流程

首先,對(duì)采集到的瞬變電磁法探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪,然后根據(jù)晚期場(chǎng)公式計(jì)算視電阻率并進(jìn)行濾波、平滑,得到各測(cè)線視電阻率斷面圖,最后根據(jù)探測(cè)區(qū)的地球物理特征、響應(yīng)時(shí)間特性和空間分布特征,結(jié)合礦井地質(zhì)資料進(jìn)行綜合解釋,劃分巖層富水異常區(qū)分布范圍。

進(jìn)行資料解釋時(shí),富水異常區(qū)的劃分主要依據(jù)視電阻率等值線斷面圖中電阻率值的大小、分布范圍、圍巖富水體的賦存特點(diǎn)和以往探測(cè)經(jīng)驗(yàn)。

2.2 視電阻率等值線斷面圖解釋

本次探測(cè)利用多方向探測(cè)法在工作面頂?shù)装逍纬梢粋€(gè)完整的立體探測(cè)區(qū)域。因此,一處富水異常區(qū)會(huì)在多處成果圖上得到反映,從而從多角度反映了富水異常區(qū)的范圍,提高探測(cè)準(zhǔn)確率。圖3—圖4為93上15工作面運(yùn)輸順槽和軌道順槽視電阻率等值線斷面圖。

圖3 運(yùn)輸順槽視電阻率等值線斷面圖

圖4 軌道順槽視電阻率等值線斷面圖

分析兩順槽視電阻率等值線斷面圖,共圈定相對(duì)低阻區(qū)域(藍(lán)色區(qū)域)10處,其中:

1)運(yùn)輸順槽680～720 m，劃分Y1-1、Y2-2、Y3-2等3處異常區(qū)。

2)運(yùn)輸順槽1 550～1 620 m，劃分Y2-1、Y3-1等2處異常區(qū)。

3)軌道順槽0～30 m，劃分G1-1、G2-1、G3-1、G4-1、G5-1等5處異常區(qū)。

3 三維可視化

3.1 三維可視化基本原理

三維可視化是顯示、描述地下及地面地質(zhì)體特征的一種表達(dá)方式,在地質(zhì)和地球物理學(xué)的所有領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。三維可視化是三維數(shù)據(jù)體的一種表達(dá)形式,可以充分利用地質(zhì)、地球物理學(xué)的大量探測(cè)數(shù)據(jù),為檢查資料的連續(xù)性、鑒別資料真?zhèn)?發(fā)現(xiàn)和提取有用異常提供便利,對(duì)降低多學(xué)科交流協(xié)作門檻起到積極作用。

三維可視化解釋還可對(duì)傳統(tǒng)二維剖面解釋查漏補(bǔ)缺。三維可視化解釋時(shí)采用不同顏色或透明度對(duì)地質(zhì)體的地球物理特征進(jìn)行標(biāo)注、區(qū)分,可幫助解釋人員快速鎖定異常,并對(duì)各種復(fù)雜的地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行分析解釋。

礦井瞬變電磁三維可視化是利用探測(cè)得到的視電阻率及其空間坐標(biāo)建立三維數(shù)據(jù)體,并設(shè)置數(shù)據(jù)體的顏色或透明度,生成三維模型。它是地下地質(zhì)體視電阻率值在三維空間分布情況的綜合反映。分析過(guò)程中,還可以對(duì)數(shù)據(jù)體進(jìn)行任意切片或?qū)惓ｓw提取出來(lái)進(jìn)行單獨(dú)展示。工作面頂?shù)装宓妥璁惓^(qū)的空間位置等信息都可以通過(guò)這種“進(jìn)去看”的方式來(lái)分析。

礦井瞬變電磁探法通過(guò)布置多個(gè)方向的測(cè)線在工作面頂?shù)装逍纬梢粋€(gè)完整的立體探測(cè)區(qū)域,可以通過(guò)三維可視化技術(shù)對(duì)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行直觀、全方位展示,可直觀判斷探測(cè)區(qū)域內(nèi)是否存在低阻異常體,以及探測(cè)范圍內(nèi)低阻異常體的空間位置及大小等信息。

3.2 三維可視化分析解釋

利用Matlab軟件讀取工作面兩順槽5個(gè)探測(cè)方向數(shù)據(jù),對(duì)各數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)重新計(jì)算并進(jìn)行插值,形成三維數(shù)據(jù)體,然后利用2 m×2 m×2 m或其他分辨率的規(guī)則網(wǎng)格獲取該三維數(shù)據(jù)體在各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處的視電阻率值并寫入Vtk文件,然后利用ParaView軟件實(shí)現(xiàn)三維可視化成圖,具體流程見(jiàn)圖5所示。

圖5 瞬變電磁探測(cè)數(shù)據(jù)三維可視化流程

本次探測(cè)三維可視化成果圖具體見(jiàn)圖6—圖9,在圖中可以更直觀地顯示出斷面圖分析得到的低阻異常區(qū)。

圖6為不同角度展示的93上15工作面瞬變電磁探測(cè)三維成果圖,可以直觀地觀察到工作面頂?shù)装宓妥鑵^(qū)域(藍(lán)色區(qū)域)分布情況。

圖6 工作面三維成果圖

圖7—圖8為93上15工作面縱向切片圖,可以觀察到軌道順槽切眼附近有較明顯的低阻區(qū)域。

圖7 工作面三維數(shù)據(jù)體切片圖1

圖8 工作面三維數(shù)據(jù)體切片圖2

圖9為93上15工作面頂板40 m至底板40 m水平方向切片圖,可以觀察到頂?shù)装?0 m范圍內(nèi)較明顯低阻區(qū)域主要分布在切眼和運(yùn)輸順槽700 m附近,主要對(duì)應(yīng)等值線斷面圖中運(yùn)輸順槽680～720 m處Y1-1、Y2-2、Y3-2等3處異常區(qū)，和軌道順槽0～30 m處G1-1、G2-1、G3-1、G4-1、G5-1等5處異常區(qū)。

圖9 工作面三維數(shù)據(jù)體頂?shù)装迩衅瑘D3(自上而下分別為頂板40 m、20 m、0 m、底板20 m、40 m切片)

1)頂板相對(duì)低阻異常區(qū)。結(jié)合視電阻率圖及三維可視化成果圖,根據(jù)工作面相關(guān)水文地質(zhì)資料及現(xiàn)場(chǎng)施工情況,對(duì)93上15工作面頂板含水層相對(duì)低阻異常區(qū)劃分如下:

a.G1-1、G2-1、G3-1等3處異常區(qū)位于軌道順槽0～30 m(切眼為0點(diǎn))范圍內(nèi),該處也為93上15工作面低洼點(diǎn),在三維成果圖及各角度切片上均有較明顯低阻反映,劃分該區(qū)域?yàn)镈-I相對(duì)低阻異常區(qū)。根據(jù)鉆孔資料,對(duì)93上15工作面頂板巖性進(jìn)行統(tǒng)計(jì),可知在頂板探測(cè)范圍內(nèi)細(xì)粒砂巖占3.7%,粉砂巖占3.3%,中砂巖占6.7%,剩余86.3%為泥巖和砂質(zhì)泥巖。一般位于導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度范圍內(nèi)的含水層對(duì)工作面回采影響相對(duì)較大,根據(jù)工作面相關(guān)地質(zhì)資料可知該工作面導(dǎo)水裂隙帶高度最大為46.61 m,主要涉及泥巖、粉砂巖等弱富水性巖層,結(jié)合各方向視電阻率等值線斷面圖,推斷其發(fā)育高度為22.5～46.61 m。

b.Y2-1、Y3-1等2處異常區(qū)發(fā)育高度為50～130 m,不在導(dǎo)水裂隙帶范圍內(nèi),對(duì)工作面回采無(wú)影響。Y1-1、Y2-2、Y3-2等3處異常區(qū)僅在700 m位置存在低阻異常,且存在金屬干擾,推斷該異常為金屬干擾引起的假異常。

2)底板相對(duì)低阻異常區(qū)。結(jié)合視電阻率圖及三維可視化成果圖,根據(jù)工作面相關(guān)水文地質(zhì)資料及現(xiàn)場(chǎng)施工情況,對(duì)93上15工作面底板含水層相對(duì)低阻異常區(qū)劃分為:G4-1、G5-1等2處低阻異常區(qū)域位于軌道順槽距切眼0～30 m(以切眼為0點(diǎn))范圍內(nèi),兩處區(qū)域位置較為接近。根據(jù)工作面相關(guān)地質(zhì)資料可知，該低阻區(qū)域可能是由于3下煤巷道底板少量積水造成的,由于探測(cè)前礦方已對(duì)該區(qū)域進(jìn)行打鉆疏放93下11巷道積水,目前已排除該區(qū)域水患災(zāi)害。因此,本次探測(cè)不再劃分底板低阻異常區(qū)。

綜上所述,93上15工作面瞬變電磁法勘探共劃分相對(duì)低阻異常區(qū)1處:D-I號(hào)相對(duì)低阻異常區(qū)，位于軌道順槽0～30 m范圍內(nèi),結(jié)合巖性、工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度等因素推斷其發(fā)育高度為22.5～46.61 m(圖10)。

圖10 異常區(qū)三維數(shù)據(jù)體切片圖

4 結(jié)論

本文以山東某礦93上15工作面瞬變電磁勘探為例,對(duì)回采工作面瞬變電磁探測(cè)數(shù)據(jù)三維可視化方法進(jìn)行了研究,最終劃分相對(duì)低阻異常區(qū)1處,經(jīng)礦方驗(yàn)證,異常區(qū)劃分準(zhǔn)確。

與二維視電阻率等值線斷面圖相比,三維可視化能夠更加直觀地對(duì)異常區(qū)空間位置及延展范圍作出判斷,方便物探技術(shù)人員進(jìn)行資料解釋,同時(shí)也大大方便了非物探專業(yè)技術(shù)人員對(duì)相關(guān)成果的判斷理解,具有明顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)。