礦井瞬變電磁超前探測陷落柱三維可視化技術(shù)

邢修舉

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西省西安市，710077)

水害問題是煤礦巷道開拓和工作面回采面臨的重要威脅，尤其是隱伏型導(dǎo)水陷落柱。瞬變電磁法是一種對導(dǎo)(含)水地質(zhì)體等低阻體較為敏感的勘探技術(shù)，利用磁偶源的小線框收發(fā)裝置可在巷道掘進(jìn)工作面對探測區(qū)域的地質(zhì)體進(jìn)行多方向、多角度的探測，在超前探水方面具有較為明顯的技術(shù)優(yōu)勢。目前該方法大多使用二維斷面進(jìn)行資料解釋，但二維斷面并不能完全顯示數(shù)據(jù)場內(nèi)所包含的地質(zhì)信息，不能滿足解釋工作的需要。針對此問題，基于Voxler軟件，通過設(shè)計多方位數(shù)據(jù)采集，將解釋成果三維立體化，使探測的異常范圍更加直觀。

1 瞬變電磁法超前探測技術(shù)

1.1 瞬變電磁法超前探測原理

礦井瞬變電磁法(簡稱為MTEM)主要是利用磁偶源在掘進(jìn)工作面發(fā)射一次脈沖電磁場，通過接收裝置接收掘進(jìn)工作面前方和周圍被激發(fā)的二次場信號。該信號的信息是掘進(jìn)工作面附近煤層、巖層等地質(zhì)體的綜合信號響應(yīng)，結(jié)合已知地質(zhì)情況，通過對信號的分析來達(dá)到分辨掘進(jìn)工作面前方地質(zhì)體的含水分布情況。由于掘進(jìn)工作面附近是狹小的空間，不同于地面的瞬變電磁探測僅是大地內(nèi)的響應(yīng)信號，礦井掘進(jìn)工作面的瞬變電磁場可近似等效為同時向上、向下及向外擴(kuò)散電流環(huán)，即“雙煙圈效應(yīng)”，如圖1所示。

圖1 礦井瞬變電磁煙圈效應(yīng)示意圖

1.2 礦井瞬變電磁超前探測技術(shù)

瞬變電磁法是分析采集到的地質(zhì)體感應(yīng)電動勢分布強(qiáng)弱，進(jìn)而來分析、推斷探測區(qū)域異常的含(富)水性強(qiáng)弱等情況。由于煤層賦存的層狀系地層的沉積序列比較清晰，在正常地層狀態(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，無論其是否富水，對應(yīng)區(qū)域的電性變化規(guī)律都會發(fā)生較大變化，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。

圖2 超前探測角度設(shè)計示意圖

2 礦井瞬變電磁法三維可視化技術(shù)

2.1 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理的過程主要是將采集的原始數(shù)據(jù)由時間—感應(yīng)電位關(guān)系轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的深度—視電阻率關(guān)系，具體步驟如下：

(1)數(shù)據(jù)預(yù)處理。將原始數(shù)據(jù)室內(nèi)回放—剔除畸變數(shù)據(jù)點—數(shù)據(jù)濾波—視電阻率計算，礦井全空間視電阻率計算公式：

(1)

式中：ρτ——礦井全空間視電阻率，Ω·m；

C——全空間校正系數(shù)；

μ0——真空磁導(dǎo)率，NA-2；

S——發(fā)射回線單匝面積，m2；

s——接收回線單匝面積，m2；

N——發(fā)射回線匝數(shù)；

例5 把6mol銅粉投入含8mol硝酸和2mol硫酸的稀溶液中,則標(biāo)準(zhǔn)狀況下放出的氣體的物質(zhì)的量為( )。

n——接收回線匝數(shù)；

t——接收的二次場衰減時間，s；

UV——接收的歸一化二次場電位，V。

(2)時間—視電阻率—深度視電阻率轉(zhuǎn)換。將每個測點的不同時間對應(yīng)的視電阻率值計算到實際對應(yīng)的深度過程。全空間瞬變電磁深度計算公式為:

(2)

式中：Hf——不同時刻的探測深度，m；

I——發(fā)射電流，A；

L——發(fā)射回線邊長，m；

ρ——t時刻計算的視電阻率，Ω·m；

η——未供電激勵時接收回線單位面積接收到的干擾信號，dB。

(3)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。將常規(guī)的二維扇形坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成三維立體坐標(biāo)，如圖3所示。將每個點的深度—視電阻值換算成對應(yīng)的扇形坐標(biāo)系對應(yīng)的位置，然后把多個扇面的數(shù)據(jù)離散化到對應(yīng)的三維空間中。

圖3 二維扇形坐標(biāo)轉(zhuǎn)三維坐標(biāo)圖

2.2 三維可視化的實現(xiàn)

礦井三維可視化的實現(xiàn)是基于Voxler三維成圖軟件。從時深反演處理得到的視電阻率深度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成三維笛卡爾坐標(biāo)系下的散點數(shù)據(jù)。將整理好的三維數(shù)據(jù)體導(dǎo)入Voxler軟件，并利用Voxler軟件中的Gridder 插值模塊對所獲得的離散數(shù)據(jù)點進(jìn)行插值處理，然后在三維空間內(nèi)對數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化處理，最后基于所獲得的網(wǎng)格化數(shù)據(jù)在三維空間內(nèi)進(jìn)行出圖。該軟件還提供了旋轉(zhuǎn)功能，可以更好地顯示異常體的位置及范圍，從不同角度研究異常體的分布。

3 工程應(yīng)用

山西小回溝礦礦井地質(zhì)條件復(fù)雜，大巷在沿2#煤層開拓期間，根據(jù)巷道揭露統(tǒng)計共有大小不等的11個陷落柱，大部分陷落柱內(nèi)由各種巖塊雜亂堆積，緊密膠結(jié)而成，巖塊大小不等，泥質(zhì)巖塊較細(xì)呈粉末狀，堅硬巖塊較大。通過對掘進(jìn)遇到陷落柱分析，表明多數(shù)陷落柱不富水、導(dǎo)水性差，2#煤層直接頂由多層砂巖組成，可直接接受大氣降水補(bǔ)給，根據(jù)奧灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育的不均勻性特點，局部水文地質(zhì)條件可能復(fù)雜，也不排除采動破壞影響而引發(fā)延遲導(dǎo)通奧灰水的可能。在2201回風(fēng)巷揭露一個直徑14 m左右的陷落柱，2201瓦斯排放巷在2201回風(fēng)巷右側(cè)25 m距離，兩條巷道平行掘進(jìn)，2201回風(fēng)巷落后2201瓦斯排放巷30 m左右，在掘進(jìn)到2201回風(fēng)巷HF3導(dǎo)線點前15 m處，即距離2201回風(fēng)巷揭露陷落柱約25 m的位置，進(jìn)行瞬變電磁超前探測，來查明掘進(jìn)巷道前方地質(zhì)情況。

共采集有效數(shù)據(jù)6組共54個有效物理點，采用頻率12.5 Hz 的10匝2 m×2 m方形線框發(fā)射、等效面積為450 m2的磁探頭接收采集。扇面采集位于掘進(jìn)工作面中心點上方0.5 m，自巷道左側(cè)到右側(cè)、巷道頂板到底板。

2201回風(fēng)巷HF3點前15 m處TEM超前探測的視電阻率等值線擬斷面圖見圖4。從左側(cè)30°、中間0°、右側(cè)30°這3個垂向探測方向可以看出，在左側(cè)30°垂向探測方向上視電阻率值均大于27 Ω·m，視電阻率整體較高，推測該探測方向巖體含水性弱；中間0°垂向探測方向和右側(cè)30°垂向探測方向在掘進(jìn)工作面前方25～45 m范圍內(nèi)，視電阻率等值線成半封閉型曲線 (即圖中淺綠色范圍)，其對應(yīng)區(qū)域視電阻率值小于24 Ω·m，為相對低阻反應(yīng)。從仰角30°、順煤層、俯角30°這3個探測方向可以看出，仰角30°探測方向上視電阻率值均大于27 Ω·m，視電阻率整體較高，推測該探測方向巖體含水性弱；順煤層探測方向和俯角30°探測方向在掘進(jìn)工作面前方20～42 m范圍內(nèi)，視電阻率等值線成封閉型曲線(即圖中淺綠色范圍)，其對應(yīng)區(qū)域視電阻率值小于24 Ω·m，為相對低阻反應(yīng)。

圖4 二維扇形視電阻率等值線擬斷面圖

根據(jù)垂直頂?shù)装搴晚樉蜻M(jìn)方向水平探測的扇形視電阻率斷面結(jié)果，在本次探測掘進(jìn)工作面前方20～45 m，與巷道掘進(jìn)中軸線水平方向成左側(cè)10 m到右側(cè)25 m和垂向方向頂板20 m到底板45 m范圍，存在典型的封閉近似圓柱狀相對低阻異常區(qū)，推斷該探測范圍含水構(gòu)造發(fā)育的可能性較大，結(jié)合已有的地質(zhì)條件推測可能是2201瓦斯排放巷揭露的同一陷落柱的延伸，陷落柱的范圍從深部煤層向頂部巖層發(fā)育，根據(jù)視電阻率的分布該陷落柱的含水性與頂板導(dǎo)含水層的水力聯(lián)系較小。圖4中對可能是陷落柱的地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育的范圍及空間位置顯示不夠立體直觀，通過將6個扇面的數(shù)據(jù)聯(lián)合處理解釋，使用Voxler成圖軟件，經(jīng)濾波網(wǎng)格化處理后的異常地質(zhì)體的空間分布如圖5所示。從圖5可以看出，該等勢面圖在三維坐標(biāo)系下呈現(xiàn)出一個典型的漏斗柱狀形狀，與陷落柱構(gòu)造的地質(zhì)發(fā)育特征相符。

圖5 超前探測異常三維空間顯示

綜合處理成果報告提交后，礦方在異常區(qū)域以仰角30°、順掘進(jìn)方向和俯角30°方向均布設(shè)了90 m 超前鉆孔，其中仰角30°方向鉆孔終孔無水；順掘進(jìn)方向鉆孔在0～21 m是煤、21～47 m是粗質(zhì)砂巖、47～90 m是煤；俯角30°方向終孔無水。綜合巷道揭露情況，本次瞬變電磁法探測區(qū)域劃定的陷落柱構(gòu)造位置與實際揭露陷落柱構(gòu)造發(fā)育位置基本吻合，如圖6所示。由于資料顯示結(jié)果陷落柱在仰角45°方向無明顯反應(yīng)，推測陷落柱在探測區(qū)域靠近底板位置，減少了礦方布設(shè)鉆孔數(shù)量，為巷道安全掘進(jìn)采取措施進(jìn)行了準(zhǔn)確的地質(zhì)預(yù)警，排除了礦井安全生產(chǎn)威脅隱患。

圖6 巷道開挖后圈定的陷落柱邊界范圍

4 結(jié)論

(1)礦井瞬變電磁法能夠較準(zhǔn)確地探測巷道前方弱含水的隱伏陷落柱，扇形視電阻等值線擬斷面在水平和垂向探測方向能夠較準(zhǔn)確地顯示陷落柱形態(tài)。

(2)通過多角度、多扇形斷面探測，將深度—視電阻值離散化到笛卡爾空間坐標(biāo)系中，使用Voxler軟件，可以形象、直觀地進(jìn)行全空間異常的3D解釋，避免常規(guī)二維斷面解釋對異常體空間分布規(guī)律分析不足的弊端，從而實現(xiàn)對煤層及其附近地層電性變化規(guī)律和異常體空間展布特征的綜合解釋。