三维成像技术在采煤工作面探测中的应用

田 浩

(晋煤集团技术研究院 物探工程分公司,山西 晋城 048000)

三维成像技术在采煤工作面探测中的应用

田 浩

(晋煤集团技术研究院 物探工程分公司,山西 晋城 048000)

瞬变电磁勘探在井下超前探测中得到了广泛应用,但在回采工作面探测中应用较少,且对资料结果的解释还处于常规二维成像阶段,无法对探测异常体的空间位置分布进行精细化定位,不利于矿井对异常区进行验证。介绍了工作面三维成像技术的基本流程,在赵庄二号井1309回采工作面得以应用,对比常规二维解释图件表明:三维成像技术有助于提高回采工作面瞬变电磁资料解释的精度。

瞬变电磁法；回采工作面；三维成像

随着煤矿开采技术不断提高,煤矿开采过程中综采工作面所占的比例逐渐增大,准确探测并预报回采工作面内的陷落柱、断层、小窑采空区、岩溶裂隙等富水区域地质异常区域,成为煤矿安全生产的首要任务[1-3]。瞬变电磁法由于井下施工效率高,纯二次场的数据观测对探测区域内低阻异常体反应灵敏、探测方向性强等特点,在煤矿井下掘进头超前探测中得到了广泛应用[4-5],但在回采工作面异常区探测中应用较少,且对资料结果的解释还不成熟。结合三维成像平台Voxler[6-7],将瞬变电磁法对回采工作面的一维探测结果进行三维成像拟合,对比常规二维成像图件,结果表明三维成像技术对工作面内异常体的空间位置分布更加精细、直观,有效提高了对工作面内低阻异常体探测、识别的准确性,为煤矿井下工作面回采提供了有效的地质保障资料。

1 瞬变电磁法原理和工作面探测方案设计

1.1 瞬变电磁原理

瞬变电磁法是利用不接地线圈或接地线源向采掘空间周围的煤岩体发射一次脉冲磁场,通过一次脉冲磁场间歇期间,利用线圈或接地电极观测煤岩体中电性不均匀体感应产生的二次涡流场随时间变化的分布特征,来达到探测各种地质异常体的方法[8]。通过接收到断电后各个时间段的纯二次场,分析二次场衰减曲线的分布特征,结合相关地质资料,达到对井下目标异常体电性特征和空间分布的准确判断。

1.2 瞬变电磁工作面探测方案设计

在井下瞬变电磁回采工作面探测中,为保证回采工作面探测所采集数据能够完全反应工作面内部电性差异,结合煤矿井下工作面探测目的,应在回采工作面内两条顺槽内设计不同探测角度,以此布置不同角度的探测测线。为保证不同角度探测测线所探测结果位置相对应,将两条顺槽内切眼位置统一规定为探测起点,规定测点间距为10 m,并逐渐向巷道开口进行标点。采集数据时统一从探测起点开始,沿着现场标点位置逐渐向巷道开口进行测线探测。工作面测点布置图,见图1。

图1 工作面测点布置图Fig.1 Layout of measuring points on working face

2 三维成像软件和工作面三维成像技术

2.1 三维成像软件

Voxler是一款专业的三维数据可视化软件,由Golden Software公司在2016年推出,支持从多种文件格式中导入数据,方便软件与其它软件数据和文件的交流和转换。使用Voxler可以展示出流线图、矢量图、三维等值线图、三维等值面、三维方向切片图、三维散点分布图、高程模型图、综合模型图等,其三维成像图形可以进行任意角度旋转,方便使用者进行观测。

2.2 工作面三维成像流程

1)二维数据获取:按照瞬变电磁工作面探测方案设计,使用井下矿用瞬变电磁仪对回采工作面进行工作面瞬变电磁数据采集,通过对所采集工作面瞬变电磁数据进行数据预处理、时深转换、深度校正等流程,最终获取得到工作面瞬变电磁二维数据:x轴(测线点号)、y轴(探测距离)、视电阻率值三列数据，见图2。

图2 二维坐标系统Fig.2 2D coordinate system

2)三维坐标系统建立:二维数据探测结果中,y轴数据为直线探测距离,在实际井下施工过程中,探测线圈与巷道顶底板存在一定的夹角θ,需要将二维数据中的y轴数据拆分为yi和zi,其中yi=y×cosθ,zi=y×sinθ。通过与二维y轴数据中相对应的x轴和视电阻率值轴进行整理的过程,便构成了三维坐标系统San.dat，见图3。

图3 三维坐标系统Fig.3 3D coordinate system

3)三维数据处理:借助Voxler三维成图软件,点击File菜单下的Load Data,将建立好的三维坐标数据系统San.dat导入Network工作区、点击San.dat运行Computataional菜单下的Gridder,建立Gridder模型,在Gridder模型的属性窗口中调整x轴、y轴、z轴的相应参数,选择合适的差之方法后点击Begin Gridding运行程序,将网格化后的数据保存至Gridder模型中。

4)三维图件成图:点击Gridder模型下的Save Date按钮,将文件已Dat格式进行保存,生成三维坐标数据系统San.dat的各水平切片,对所生成的各水平切片文件进行视电阻率值色标方案设计,在surfer软件中进行成图,最终得到回采工作面瞬变电磁后期解释所需的图件资料。

3 三维成像技术在煤矿井下工作面探测中的实例

3.1 矿井工作面地质情况和瞬变电磁方案设计

赵庄二号井矿1309回采工作面位于矿井3号煤层东盘区,工作面煤层底板标高为+542 m～+590 m,煤层总厚度5.28 m,煤层倾角3°～8°,平均5°,工作面走向长930 m,倾向长159 m,工作面两条顺槽13091巷和13092巷在掘进过程中伴随有顶板砂岩水。根据矿井东盘区地面三维地震、瞬变等成果资料解释:工作面内部发育有正断层DF39,对工作面回采影响较大;13091巷可能揭露正断层F75,13092巷可能揭露正断层DF37;此外工作面可能受正断层DF38、正断层DF32、正断层F74和正断层F76影响,附近可能伴生一系列小断层。

为确保1309工作面在回采过程中安全、有效回采,特对13091巷停采线至工作面切眼段和13092巷停采线至工作面切眼段各设计瞬变电磁测线7条,统一规定1309工作面切眼位置为探测起点,探测角度分别为顶板90°、顶板60°、顶板30°、顺层0°、底板30°、底板60°和底板90°，工作面探测角度示意图见图4,单条测线长度为930 m,两条巷道内测线总长为18 700 m。

图4 工作面探测角度示意图Fig.4 Detection angles for working face

3.2 瞬变电磁二维解释成果

通过对所采集数据进行转化,分选、消噪、视电阻率计算及深度反演等步骤得出13091巷和13092巷内7个探测方向的视电阻率分布图，见图5、图6,视电阻率分布图中从冷色调到暖色调表示视电阻率值不断升高,即从蓝色到红色表示视电阻率不断升高。

图5 13091巷各探测方向矿井瞬变电磁法探测视电阻率等值线拟断面图叠加图Fig.5 Stacking chart of apparent resistivity pseudo-section map with TEM at different directions in No.13091 roadway

图6 13092巷各探测方向矿井瞬变电磁法探测视电阻率等值线拟断面图叠加图Fig.6 Stacking chart of apparent resistivity pseudo-section map with TEM at different directions in No.13092 roadway

综合13091巷和13092巷内各探测角度结果和干扰情况分析:在13091巷120 m～190 m、220 m～280 m、410 m～490 m、570 m左右区域和13092巷280 m～360 m、700 m～780 m、840 m～880 m左右区域视电阻率值较低,存在相对低阻异常区域,但低阻异常区域在两条巷道内各方向视电阻率拟断面图内对应不明显,巷道内各类干扰因素影响无法排除,造成对低阻异常区域无法进行准确、精细化解释。

3.3 瞬变电磁三维解释成果

结合1309工作面内13091巷和13092巷瞬变电磁的探测点布置和各测线的探测方向,对一维瞬变电磁探测结果进行二维数据获取、三维坐标系统建立、三维数据处理和三维图件成图流程,建立1309工作面三维数据体模型见图7和1309工作面顶板30 m至底板30 m深度切片图件见图8,结合13091巷和13092巷掘进过程中的地质情况,绘制1309工作面三维视电阻率分布图见图9,综合对比工作面内部现场干扰情况,最终分析得到工作面内部三维瞬变解释成果见图10。

图7 1309工作面三维数据体模型Fig.7 3D data model of No.1309 working face

图8 1309工作面水平切片三维数据模型Fig.8 Horizontal slice 3D data model of No.1309 working face

图9 1309工作面内视电阻率值低于14 Ω·m分布Fig.9 Distribution of Apparent resistivity less than 14 Ω·m on No.1309 working face

图10 1309工作面异常区位置平面图Fig.10 Location of abnormal areas of No.1309 working face

结合1309工作面顶板30 m至底板30 m深度的切片成果图和巷道内各类干扰因素进行综合对比分析,得出工作面内部存在3个较为明显低阻异常区域:低阻异常1位于1309工作面内距离探测起点280 m～360 m区段,深度距13092巷34 m～66 m,低阻异常2位于1309工作面内距离探测起点740 m～810 m区段,深度距13092巷36 m～70 m,低阻异常3位于1309工作面内距离探测起点840 m～900 m区段,深度距13092巷36 m～78 m。

3.4 效果对比分析

对比1309工作面三维视电阻率拟合图与巷道内二维视电阻率剖面图解释结果可得:

1)1309工作面的三维视电阻率分布图中的低阻异常区域较少,且二维视电阻率剖面图中范围较小的低阻异常区域在三维视电阻率分布图中没有显示。

2)1309工作面的三维视电阻率分布图中圈定的低阻异常区域与巷道内二维视电阻率剖面图中的低阻异常区域相对应,但低阻异常区域范围较之在二维视电阻率剖面的中的异常区域位置更为精确。

3)1309工作面的三维视电阻率分布图中的低阻异常2范围与矿方采掘工程平面图内的地面三维地震勘探中的DF39位置相对应。

4 结论

工作面三维成像技术相比常规二维拟合分析,对异常区范围分布更为精细,提高了数据解释的精度;对异常区空间位置分布更为直观,有助于异常区结果的解释和后期钻探验证。因此,工作面三维成像技术对于探测结果直观性、立体感的解释,对工作面安全、效率的回采提供了更加有效的地质资料,随着国内外相关技术的不断深入和进步,三维成像技术必将在矿井工作面水害防治应用中进一步得到推广,并发挥越来越重要的作用。

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(编辑：武晓平)

Applicationof3DImaginginDetectionofMiningFace

TIANHao

(GeophysicalEngineeringBranchofTechnologyResearchInstitute,JinchengCoalGroup,Jincheng048000,China)

Transient electromagnetic method (TEM) has been widely used in early exploration in mines, but relatively less in caving face detection. Besides, the interpretation of data is still in the stage of conventional 2D imaging, which could not achieve the fine positioning of the spatial distribution of abnormal bodies and could not verify abnormal areas. The paper introduces the basic flow of 3D imaging technique and its application in No.1309 working face in No.2 well in Zhaozhuang Mine. Compared with 2D imaging, 3D imaging could improve the interpretation accuracy of TEM data in caving face.

Transient Electromagnetic Method；caving face；3D imaging

P631.3

A

1672-5050(2017)01-0026-05

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.02.008

2016-09-21

田浩(1988-),男,山西晋城人,大学本科，助理工程师，从事防治水方面工作。