基于ParaView的礦井瞬變電磁超前探測三維可視化研究

王 宇，閆圓圓，孫文斌

（北京探創資源科技有限公司，北京 100067）

為保障煤礦巷道的安全掘進，根據《煤礦防止水細則》，本著“有疑必探，先探后掘”的原則，通常采用礦井瞬變電磁法來探明巷道迎頭前方的富含水情況。瞬變電磁法具有對低阻體反應靈敏、分層性好、施工方式高效簡單、探測精度高等優勢[1]，自推廣應用以來，均取得了良好的效果。

1 基本原理

瞬變電磁法（Transient-electromagnetic method）又稱時間域電磁法（Time domain electromagnetic method），簡稱TEM，屬于電磁感應類探測方法，它遵循電磁感應原理。其機理是利用一個不接地的回線或磁偶極子向目標方向發射脈沖電磁波作為激發場源（“一次場”），脈沖電磁波結束后，探測目標體受激發場作用產生感生渦流，渦流大小受目標體的空間特征和電性特征、激發場的特征等因素影響，且會因能量損耗逐漸衰減至消失。利用專門儀器觀測這種渦流產生的電磁場（“二次場”）的強弱、空間分布特性和時間特性，經過分析處理后即可得到探測方向的水文地質信息。礦井瞬變電磁超前探測是由地面瞬變電磁法發展而來，與地面方法具有相同的機理，與之不同的是，在礦井中探測時受到巷道的影響，得到的信息是全空間分布巖層的電性的綜合反映[2]（圖1）。

圖1 礦井瞬變電磁超前探測全空間煙圈效應及探測方向示意圖

2 施工方法

巷道迎頭做超前探測具體施工時，從巷道迎頭的一側開始，首先使探測回線裝置的法線垂直巷道側面進行測量，然后旋轉回線裝置，使裝置的法線方向與巷道的側幫依次成固定、逐漸增大的夾角進行探測；當回線裝置的法線方向與巷道迎頭界面垂直時，根據其主迎頭斷面的寬度布置2～3個測點；到巷道迎頭另一側時再同剛才一樣旋轉回線裝置，使回線裝置的法線方向完成180°的旋轉角度。同時還可以將回線裝置的法線方向分別向上和向下與水平面成大約45°角，然后再進行如上的旋轉探測，由此便可得到一個以巷道迎頭位置為中心，向掘進方向一定深度的半球體探測數據體（圖2）。

圖2 礦井瞬變電磁超前探測測點布置及探測范圍示意圖

3 探測成果三維可視化

VTK是Kitware公司開發的一個可視化工具包，是一個開源的圖形庫，可供C++、Python、Java等多種編程語言實用。ParaView基于VTK開發的交互軟件，允許不編程實現數據和可視化的輸入。Para View可以處理結構、非結構等多種數據類型，可以指定以點顯示、以面顯示、網線顯示等多種顯示方式。ParaView的界面圖形交互人性化，處理過程不繁復，與基于Matlab、Voxler等實現三維成圖的方法相比，插值方式更簡便合理，操作更加便捷；其次允許用戶以個人需要設置過濾器的參數，突出顯示所需觀測的部分圖像；另外，可利用屬性面板設置所需顏色、顯示方式和透明度等，同時可以使用鼠標控制縮放、移動、旋轉。上述功能完全滿足瞬變電磁三維可視化的要求[3]。

在使用ParaView繪制三維可視化圖步驟前，需將實測二維視深數據轉化為三維數據體，較為普遍的有使用Matlab、Python等數據處理工具進行轉換，或利用Excel文件中三角函數工具自行轉換等方式，將其轉換為含有X、Y、Z坐標和視電阻率值ρ的數據，即二維數據離散成為三維散點。在通常使用terraTEM儀器采集的數據通常具有每個探測方向和每一層探測角度具有固定數量的特點，按照.vtk數據格式進行排列便可導入數據成圖。在導入.vtk格式的數據后，根據用戶需求選擇apparent_resiste ncy、surface模式，應用所選模式后，通過Choose Pre set編輯視電阻率色譜，突出異常體形態及分布特征，即可實現數據整體三維可視化。ParaView中運用Filters模塊，可分別選擇Contour、Clip、Slice三種模式選取異常區、部分塊段或切片，同時用鼠標對圖像進行旋轉至最佳觀測角度，相比于傳統的切片三維成像，此種方式所得的切片圖或等值面圖等更貼近實際。

4 工程案例

4.1 工程概況

本研究對內蒙古自治區某煤礦膠運順槽迎頭的煤巖層含水性使用瞬變電磁法進行超前探測，利用ParaView軟件實現三維可視化指導礦方生產。

該巷道直接充含水層為Ⅱ-3煤頂底板砂巖含水組，工作面附近對ZK6708鉆孔進行了抽水試驗。工作面頂底板砂巖含水組的含水層總厚度為21.39 m。直接頂為泥質粉砂巖，基本頂為中砂巖、泥質粉砂巖和分砂質泥巖，直接底為泥質粉砂巖。該條巷道地質構造簡單，探測范圍內未見斷層影響。因此該條巷道主要充含水層為頂底板砂巖含水層。

4.2 方法布置

本次勘探使用terraTEM瞬變電磁儀，重疊回線裝置，收、發射裝置回線為2 m×2 m回線框，探測距離為28～112 m。在迎頭布置頂板45°、順層和底板45°三個探測方向，將得到的原始二維數據經過三角函數變化，形成三維數據，按照.vtk文件的頂順底坐標和視電阻率的順序排好，導入ParaView得到目標三維數據體（圖3-圖5）。

圖3 超前探測異常區分布顯示圖

圖4 超前探測三維立體圖

圖5 超前探測三維立體切片圖

4.3 解釋與驗證

從圖中可以讀出，在巷道迎頭正前方頂板上方有一視電阻率低阻異常區，已探測位置為原點，巷道兩幫為X方向（左幫為負，右幫為正）具體位置為X：-40～10 m，Y：75～110 m，發育高度為50～70 m。后經礦方在巷道迎頭正前方上方46°布置施工探放水孔70 m，出水量約3 m3/h，探測成果與鉆孔揭露的實際地質情況相互吻合，證明此方法有效，且能提升探測精度，可為一線生產提供更直觀、清晰的參考資料。

5 結論

（1）瞬變電磁超前探測三維可視化對礦井水害防治具有良好的效果，在指導礦方掘前放水具有良好的指示作用，為巷道的安全掘進提供了有力保障。

（2）ParaView軟件能清晰地展示瞬變電磁探測結果中的視電阻率三維立體圖，并使用Contour功能展示目標視電阻率低值中心，為礦方后續工作提供更精確的指導作用。