礦井瞬變電磁法三維可視化探測陷落柱應(yīng)用研究＊

周嗣輝 于景邨，2 蔣宗霖 蘇本玉，2 常江浩 邢修舉 周璇

（1.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；2.深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221008；3.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西省西安市，710000）

目前研究陷落柱發(fā)育規(guī)律的物探方法主要有三維地震勘探、無線電波透視法、礦井直流電測深法和礦井瞬變電磁法等。在三維地震勘探中，由于地震波被煤層反射嚴(yán)重，導(dǎo)致煤層底板以下的陷落柱發(fā)育特征無法準(zhǔn)確查明；無線電波透視法只能確定工作面內(nèi)的局部構(gòu)造發(fā)育，不能研究其與深部巖層的連續(xù)性；直流電測深法在多角度探測上也存在缺陷；瞬變電磁法可以實(shí)現(xiàn)對不同煤巖層層位的多角度探測，研究陷落柱發(fā)育的多種特征，彌補(bǔ)了以上勘探方法的不足，但目前的研究大多還都處于二維的分析研究上，本文基于瞬變電磁法基礎(chǔ)理論，采用自然鄰點(diǎn)插值方法，實(shí)現(xiàn)陷落柱發(fā)育形態(tài)的三維可視化，為礦井安全生產(chǎn)提供可靠依據(jù)。

1 陷落柱發(fā)育特征及探測原理

1.1 陷落柱發(fā)育特征

煤系或者其下伏地層中含有可溶性巖礦層，由于這些巖層或礦層極易被地下水溶蝕形成溶孔、溶洞，并且會伴隨地下水的不間斷活動溶蝕空間逐漸增大。含煤區(qū)域內(nèi)，發(fā)育有良好的地下水通道（主要是指斷層、裂隙和透水性較好的張扭性斷裂），它們溝通地下含水層與可溶性巖、礦層之間的水力聯(lián)系，因此極易導(dǎo)通深部含水層。如果礦井巷道掘進(jìn)或者工作面回采工程中遭遇導(dǎo)含水陷落柱，短時間內(nèi)會導(dǎo)致大量的水涌進(jìn)巷道，甚至?xí)?dǎo)致淹井事故發(fā)生，給礦井安全生產(chǎn)帶來極大威脅，因此準(zhǔn)確地探查陷落柱構(gòu)造的存在及其導(dǎo)含水性意義重大。

1.2 礦井瞬變電磁探測陷落柱原理

礦井瞬變電磁法是利用不接地回線向采掘空間周圍的煤巖體中發(fā)射電磁場，通過在發(fā)射間歇測量煤巖體中電性不均勻體感應(yīng)產(chǎn)生的電場隨時間的變化，來達(dá)到查明各種地質(zhì)目標(biāo)體的目的。由于煤系地層的沉積序列比較清晰，在原生地層狀態(tài)下，其導(dǎo)電性特征在縱向上有固定的變化規(guī)律，而在橫向上相對比較均一，陷落柱的形成會打破地層的電性變化規(guī)律。當(dāng)存在陷落柱構(gòu)造時，若是陷落柱不含水，對應(yīng)位置巖石導(dǎo)電變差，局部的視電阻率值明顯變大；若是陷落柱含水，則其導(dǎo)電性變好，局部的視電阻率值會明顯降低，為礦井瞬變電磁法研究陷落柱的導(dǎo)含水狀態(tài)提供良好的地質(zhì)條件。

2 陷落柱三維顯示技術(shù)

2.1 三維數(shù)學(xué)計(jì)算方法

地質(zhì)問題一般都涉及多方向多角度的測量，因此采集到的大量數(shù)據(jù)必須經(jīng)過科學(xué)計(jì)算，而實(shí)現(xiàn)三維顯示需要較為準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)插值方法。一般多采用克里格方法、自然鄰點(diǎn)法、多項(xiàng)式回歸法等等。而自然鄰點(diǎn)插值方法是一種基于Voronoi Diagram的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格插值方法，該方法對于處理在空間上高度離散化分布的不規(guī)則礦井瞬變電磁探測數(shù)據(jù)，以及描述數(shù)據(jù)在空間尺度上的劇烈變化具有良好的效果，因此本次三維顯示空間插值采用自然鄰點(diǎn)法。

2.2 三維可視化技術(shù)

一般的礦井瞬變電磁法探測成果圖為反映探測方向橫向延拓面上的二維視電阻率等值線擬斷面圖，而由于巷道空間以及探測裝置的限制，無法反映垂直煤巖層方向的視電阻率變化情況。因此在進(jìn)行礦井瞬變電磁資料處理解釋的時候，如果只對橫向上的多角度視電阻率等值線擬斷面圖分析則難以對在垂直方向上煤巖層電性特征發(fā)生變化的陷落柱進(jìn)行空間定位和影響范圍的確定。

為了反應(yīng)垂直方向陷落柱影響范圍，并對異常區(qū)域進(jìn)行三維顯示，需4個步驟完成。

（1）對礦井下采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，把采集到的時間——?dú)w一化感應(yīng)電位信息轉(zhuǎn)化為探測深度——視電阻率信息，并把離散的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到三維坐標(biāo)系中。

（2）對水平方向的數(shù)據(jù)離散點(diǎn)進(jìn)行自然鄰點(diǎn)法插值，生成橫向的二維視電阻率等值線擬斷面圖，從橫向的視電阻率變化趨勢上找出可能為地質(zhì)異常區(qū)域的位置。

（3）對于疑似地質(zhì)異常區(qū)域的位置，提取多個同一探測深度垂直方向的數(shù)據(jù)離散點(diǎn)，并進(jìn)行自然鄰點(diǎn)法插值，生成垂向的二維視電阻率等值線擬斷面圖，分析地質(zhì)異常在垂直方向的變化范圍。

（4）綜合對比分析步驟（2）和步驟（3）生成的視電阻率等值線擬斷面圖，劃定地質(zhì)異常區(qū)域范圍，并把相應(yīng)的低阻異常區(qū)域經(jīng)過自然鄰點(diǎn)法插值后用三維可視化技術(shù)顯示出來，給出更為準(zhǔn)確的地球物理學(xué)解釋。

3 工程應(yīng)用

Ⅳ6210綜采工作面為淮北礦業(yè)集團(tuán)袁莊礦的主力回采工作面，該工作面走向長620 m，傾向長170 m。煤層平均厚度1.8 m。采煤工作面沿走向開采，回采至距離聯(lián)巷口200 m位置時，水平距離工作面運(yùn)輸巷40～70 m位置揭露矸石，經(jīng)地質(zhì)調(diào)查，確定為陷落柱。為保證礦井安全生產(chǎn)，需查明陷落柱導(dǎo)含水性。從采煤工作面開始沿運(yùn)輸巷共布置22個測點(diǎn)，測點(diǎn)間距為5 m，共計(jì)105 m，進(jìn)行礦井瞬變電磁法探測。每個測點(diǎn)分別對綜采工作面煤層底板進(jìn)行4個方向的探測，探測角度α依次為探測線圈法線方向與煤層底板夾角為－15°，－30°，－45°，－60°，如圖1所示。儀器采用澳大利亞Terra TEM型瞬變電磁儀，采樣時間為100 ms，疊加次數(shù)32次，時間采用標(biāo)準(zhǔn)時間序列，發(fā)射線框?yàn)檫呴L2 m×2 m×40匝，接收線框?yàn)檫呴L2 m×2 m×60匝的重疊回線裝置。

圖1 探測方向示意圖

圖2為采用礦井瞬變電磁法在Ⅳ6210運(yùn)輸巷對工作面煤層底板進(jìn)行陷落柱探測的視電阻率等值線擬斷面圖，單位Ω·m；X坐標(biāo)為對應(yīng)的巷道內(nèi)測點(diǎn)位置，Y坐標(biāo)為沿探測方向的探測距離。從上至下的4個探測方向顯示結(jié)果中可以看出，在X坐標(biāo)0～100 m，Y坐標(biāo)小于40 m范圍內(nèi)，視電阻率等值線變化均勻，從10Ω·m遞減到3Ω·m，為相對高阻反應(yīng)區(qū)域；而在X坐標(biāo)50～100 m，Y坐標(biāo)40～100 m范圍內(nèi)，視電阻率等值線成封閉型曲線（即圖中顏色最深部分），其對應(yīng)區(qū)域視電阻率值小于2Ω·m，為相對低阻反應(yīng)。從上至下探測角度依次增大、探測深度逐漸加深的4個探測方向成果圖，視電阻率值小于2Ω·m的低阻區(qū)域隨著深度的加大逐漸變?。磮D中顏色最深部分面積從上至下依次變?。?，推斷該位置賦含水構(gòu)造發(fā)育的可能性極大，但埋藏從淺部到深部煤巖層賦含水性逐漸減弱，與深部的導(dǎo)含水層聯(lián)系不大。參照已知水文地質(zhì)資料表明，X坐標(biāo)50～90 m，Y坐標(biāo)45～90 m位置對應(yīng)已經(jīng)揭露的陷落柱構(gòu)造。為更具體了解陷落柱構(gòu)造造成的礦井瞬變電磁法低視電阻率探測結(jié)果，研究該處低阻異常影響在縱向上的變化規(guī)律，在該探測成果的基礎(chǔ)上依次提取3個縱向切片，對應(yīng)的切片位置為圖2中X＝50 m、65 m、80 m 3個斷面，提取斷面數(shù)據(jù)并采用自然鄰點(diǎn)插值方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算成圖，見圖3。綜合分析異常區(qū)域在縱向上變化規(guī)律，加強(qiáng)地球物理解釋。

圖3為3個縱向斷面進(jìn)行自然鄰點(diǎn)法數(shù)據(jù)插值后的視電阻率等值線擬斷面圖，單位Ω·m；X坐標(biāo)為沿探測方向的探測距離，Y坐標(biāo)為相對縱向探測距離。3個切片圖從左至右依次反應(yīng)不同測點(diǎn)坐標(biāo)沿探測方向的視電阻率變化情況，圖中顏色最深部分為視電阻率值小于2Ω·m的低阻反應(yīng)區(qū)域，呈上大下小的漏斗狀或似漏斗狀，是典型的陷落柱構(gòu)造軸線方向剖面形態(tài)，由此可以明顯地看出該陷落柱的縱向剖面發(fā)育形態(tài)，陷落柱的邊界位置也能較為準(zhǔn)確的圈定。

圖2 橫向探測結(jié)果視電阻率等值線圖

圖3 縱向自然鄰點(diǎn)法插值后視電阻率等值線圖

圖2和圖3分別從橫向和縱向?qū)υ撎綔y區(qū)域的陷落柱構(gòu)造發(fā)育形態(tài)進(jìn)行了剖分成像，為研究該陷落柱構(gòu)造在三維空間上發(fā)育形態(tài)，采用自然鄰點(diǎn)法空間插值法對該探測范圍內(nèi)視電阻率數(shù)值小于2Ω·m的低阻區(qū)域進(jìn)行空間三維成像描述，生成如圖4中深顏色部分所示的陷落柱構(gòu)造發(fā)育特征的三維立體視電阻率顯示圖，可以形象地看出，該深顏色部分為一個典型的漏斗體型陷落柱構(gòu)造發(fā)育，與陷落柱構(gòu)造的地質(zhì)發(fā)育特征相符。后經(jīng)采掘現(xiàn)場分析確認(rèn)，探測區(qū)域劃定的陷落柱構(gòu)造位置與實(shí)際揭露陷落柱構(gòu)造發(fā)育位置基本吻合，對本次探測結(jié)果進(jìn)行了準(zhǔn)確的驗(yàn)證。由于礦井瞬變電磁法測得的低阻異常體與陷落柱構(gòu)造發(fā)育特征相一致，推斷該陷落柱構(gòu)造充含水，但低阻異常范圍從淺部到深部逐漸減小，說明該陷落柱構(gòu)造賦含水性從淺部到深部依次逐漸減弱，且與深部含水層水力聯(lián)系不大，不會將深部含水層的水導(dǎo)入回采工作面，排除了礦井安全生產(chǎn)威脅隱患。

圖4 陷落柱發(fā)育特征三維視電阻率顯示圖

針對此次礦井瞬變電磁探測結(jié)果，礦方結(jié)合工作面設(shè)計(jì)回采范圍，在圖2中X＝65 m設(shè)計(jì)兩個鉆探賦含水探查孔對該陷落柱位置低阻異常區(qū)進(jìn)行驗(yàn)證。鉆孔 1 方位角 128°，俯角 54°，孔深78.2 m，終孔層位二灰底板向下5.6 m。施工過程中，出水2 m3。鉆孔2方位角311°，俯角75°，孔深65.4 m，終孔層位二灰底板向下5.7 m。施工過程中，出水1 m3。經(jīng)水質(zhì)化驗(yàn)表明所充水為頂板砂巖水，與深部含水層無水力聯(lián)系，后對兩鉆孔均按照要求進(jìn)行了注漿封孔。

4 結(jié)論

（1）自然鄰點(diǎn)插值方法能準(zhǔn)確計(jì)算出離散數(shù)據(jù)體各個區(qū)間的視電阻率值，能夠?qū)ΧS橫向視電阻率斷面圖進(jìn)行縱向插值，并實(shí)現(xiàn)三維可視化顯示，直觀對陷落柱的賦含水情況、空間特征及延拓范圍作出判定。

（2）礦井瞬變電磁法研究的是地質(zhì)體的綜合視電阻率反應(yīng)，某一方向探測受到其它地質(zhì)體的影響，因此需要結(jié)合其它鉆探、巷探以及地球物理勘探方法等加以驗(yàn)證，更好地為礦井安全生產(chǎn)服務(wù)。

（3）由于發(fā)射電磁場信號的影響，礦井瞬變電磁法探查陷落柱構(gòu)造存在一定的盲區(qū)，范圍20 m左右，從發(fā)射電磁場信號中提取感應(yīng)電磁場信號，增大探測范圍是今后的研究方向。

［1］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

［2］龍榮生.礦井地質(zhì)學(xué) ［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，1991

［3］于景邨，劉志新.用瞬變電磁法探查綜放工作面頂板水體的研究 ［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007（4）

［4］高洋，張健.基于自然鄰點(diǎn)插值的數(shù)據(jù)處理方法［J］.中國科學(xué)院研究生院學(xué)報，2005（3）

［5］郭艷軍.自然鄰點(diǎn)插值方法在三維地質(zhì)建模中的應(yīng)用 ［J］.解放軍理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012（10）

［6］周嗣輝.綜采工作面切眼外側(cè)斷層賦水性監(jiān)測預(yù)報研究 ［J］.中國煤炭，2013（5）

［7］李明星，程久龍，王玉和等.礦井瞬變電磁超前探測地質(zhì)異常三維可視化 ［J］.煤礦安全，2011（11）

［8］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（工版），2009（8）

［9］李新華.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 ［J］.中國煤炭，2013（2）

［10］劉明偉.礦井三維瞬變電磁技術(shù)及其應(yīng)用 ［J］.中國煤炭地質(zhì)，2013（14）

［11］蔣宗霖，于景邨，孫偉濤.礦井瞬變電磁法低阻體的全空間響應(yīng)影響研究 ［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2012（8）

［12］許云磊，劉志新，王東偉等.瞬變電磁法對工作面底板注漿工程的穩(wěn)定性評判 ［J］.中國煤炭，2011（12）