礦井瞬變電磁法三維立體探測技術(shù)應(yīng)用*

崔江偉，羅榮榮，王施智，萬宏偉

(陜西省煤田物探測繪有限公司，陜西 西安 710005)

0 引言

礦井瞬變電磁法是中國礦業(yè)大學(xué)于1998年將地面瞬變電磁法移植到礦井巷道中而得出的一種井下勘探方法，因該方法具有對低阻體敏感、橫向分辨率較高、體積效應(yīng)較小等優(yōu)點，在煤礦水害探測預(yù)報中得到了廣泛的應(yīng)用[1-4]。目前，礦井瞬變電磁法主要用于二維結(jié)構(gòu)剖面的探測。由于預(yù)測目標(biāo)體大都是復(fù)雜而又交錯的各種類型的含水體或采空區(qū)，都具有三維展布特征。所以，僅靠簡單的二維剖面圖像是不能直觀反映出預(yù)測目標(biāo)的空間分布。為解決該問題，眾多專家學(xué)者做了大量研究。如李新華等于2013年根據(jù)立井井筒空間分布形態(tài)的特點，設(shè)計了相關(guān)的數(shù)據(jù)采集方法，最終結(jié)合Matlab語言和Voxler軟件實現(xiàn)了對探測效果的顯示，該方式為礦井瞬變電磁勘探的三維可視化提供了新思路[5]。隨后董遠(yuǎn)浪(2015)、田浩(2017)、李東林(2017)等分別將礦井瞬變電磁法三維可視化技術(shù)用于煤礦工作面探測中，實現(xiàn)了異常體的空間立體顯示[6-8]。但是他們都是針對煤礦工作面進行的探測與分析，并沒有針對掘進迎頭進行分析，而掘進迎頭是最先且最易受到含水威脅或突水危險的區(qū)域，因此準(zhǔn)確有效地預(yù)測預(yù)報掘進迎頭附近含水體或采空區(qū)的空間分布就可以有效避免礦井突水災(zāi)害的發(fā)生。

結(jié)合在掘進迎頭處礦井瞬變電磁的施工特點，設(shè)計相關(guān)的三維數(shù)據(jù)采集方式，并利用Voxler軟件平臺實現(xiàn)三維數(shù)據(jù)場的可視化。

1 礦井瞬變電磁法三維立體探測技術(shù)概述

礦井瞬變電磁法三維立體探測技術(shù)的基礎(chǔ)是礦井瞬變電磁法，礦井瞬變電磁法與地面瞬變電磁法一樣，采用儀器和測量數(shù)據(jù)的各種裝置形式和時間窗口也相同。由于礦井瞬變電磁法勘探環(huán)境的限制，測量線圈大小有限，其勘探深度不如地面深。地面瞬變電磁法為半空間瞬變響應(yīng)，這種瞬變響應(yīng)來自于地表以下半空間地層；而礦井瞬變電磁法為全空間瞬變響應(yīng)，這種瞬變響應(yīng)是來自于回線平面上下(或兩側(cè))地層，對確定異常體的位置帶來困難。實際資料解釋中，必須結(jié)合具體地質(zhì)和水文地質(zhì)情況綜合分析[9]。

a-測點布置示意圖；b-觀測方向布置示意圖圖1 礦井瞬變電磁觀測方式示意圖

由于受巷道迎頭空間的限制，礦井瞬變電磁法的發(fā)射和接收線圈的幾何尺寸受到了一定的制約，只能采用多匝小回線的發(fā)射和接收裝置形式，即邊長為1～3 m。測點布置在巷道外側(cè)，在實際工作過程中對于每個發(fā)射點，也可調(diào)整天線的法線與巷道底板的夾角大小，以探測巷道頂板、順層方向的圍巖變化情況，在多個角度采集數(shù)據(jù)，從而獲得盡可能完整的前方空間信息。

為了能更加全面地了解煤層頂板及前方的電性分布情況，在實際探測過程中，可將每個探測點都布置13個測點(以15°為間隔)，每個探測點均觀測10個探測方向(以10°為間隔，如圖1所示)。

2 三維立體解釋方法

數(shù)據(jù)處理采用福州華虹智能科技股份有限公司研發(fā)的“YCS512瞬變電磁解譯系統(tǒng)”，成圖軟件為Voxler軟件，主要過程如下。

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

首先按照觀測方向提取原始數(shù)據(jù)，將原始數(shù)據(jù)按照采集參數(shù)進行歸一化處理，將歸一化后的感應(yīng)電動勢進行濾波處理或干擾校正處理。

2.2 電阻率計算與時深轉(zhuǎn)換

將歸一化后的感應(yīng)電動勢導(dǎo)入后即用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)內(nèi)置算法進行電阻率計算和時深轉(zhuǎn)換，該軟件計算公式是參考于景邨在礦井瞬變電磁法勘探中所提出的電阻率計算和時間與深度的轉(zhuǎn)換公式[10]。

2.3 繪制三維圖件

將所有探測方向的數(shù)據(jù)導(dǎo)出后，基于Voxler軟件平臺實現(xiàn)礦井瞬變電磁法數(shù)據(jù)三維成圖，根據(jù)需要可繪制相關(guān)的切片圖、體積渲染圖等，進而實現(xiàn)數(shù)據(jù)立體可視化。

2.4 數(shù)據(jù)解釋

根據(jù)上述三維圖件和Voxler軟件中的旋轉(zhuǎn)功能，再結(jié)合巖礦石電阻率與富水性的關(guān)系，即可對迎頭及其附近巖層電性變化規(guī)律和異常體空間展布特征進行三維立體分析。

3 復(fù)雜采空區(qū)應(yīng)用實例

本探測區(qū)所存在的采空區(qū)，主要是由個體施工人員開采湖南郴州境內(nèi)的石墨礦和無煙煤而形成的空洞，它不同于國有礦山按照統(tǒng)一規(guī)劃掘進、開采而形成的采空區(qū)，具有規(guī)模不同、深度不一、形態(tài)復(fù)雜、采掘及回填情況不明的特點，屬于電性復(fù)雜類型的采空區(qū)[11-12]。

井下施工時，所采用的探測儀器為YCS512礦井瞬變電磁儀，測量采用重疊回線裝置，線框大小為1 m×1 m，發(fā)射線圈為20匝，接收線圈為40匝，發(fā)射電流3.2 A。

數(shù)據(jù)處理的三維地質(zhì)模型如圖2所示。其中，地質(zhì)模型從紅色到藍(lán)色表示視電阻率值從高到低，該三維模型可以任意旋轉(zhuǎn)，還可以自定義旋轉(zhuǎn)模型方向。從地質(zhì)勘查結(jié)果來看，藍(lán)色低阻部位對應(yīng)可疑含水體，紅色區(qū)域?qū)?yīng)致密巖層或采空區(qū)。

圖2 礦井瞬變電磁三維數(shù)據(jù)體

圖3為礦井瞬變電磁三維切片圖，根據(jù)電阻率的大小結(jié)合本區(qū)水文地質(zhì)特征，圈定異常位置兩處，并建議布置鉆孔驗證。為了驗證物探成果的準(zhǔn)確性，礦方在迎頭位置布置了多個鉆孔，其中1號異常區(qū)位置處的鉆孔出水量較大，約為3.6 m3/h，2號異常區(qū)位置鉆孔出水量為1.0 m3/h，為了安全起見，礦方在沒有異常的正前方也布置了相同深度的鉆孔，該鉆孔未見明顯流水現(xiàn)象，從而驗證了該物探成果的可靠性。

圖3 礦井瞬變電磁法三維切片圖

4 結(jié)論

(1)Voxler軟件為礦井瞬變電磁三維立體探測技術(shù)提供了便利，充分利用Voxler軟件強大的三維顯示功能，可直觀、形象地對礦井瞬變電磁三維數(shù)據(jù)進行解釋，避免了二維扇面(斷面)對異常體空間展布分析不足的弊端。

(2)通過在掘進巷道迎頭中的實際應(yīng)用，表明該技術(shù)可以有效地預(yù)報迎頭前方地質(zhì)體分布特征，進而保證掘進安全。