矿井瞬变电磁超前探测陷落柱三维可视化技术

邢修举

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西省西安市，710077)

水害问题是煤矿巷道开拓和工作面回采面临的重要威胁，尤其是隐伏型导水陷落柱。瞬变电磁法是一种对导(含)水地质体等低阻体较为敏感的勘探技术，利用磁偶源的小线框收发装置可在巷道掘进工作面对探测区域的地质体进行多方向、多角度的探测，在超前探水方面具有较为明显的技术优势。目前该方法大多使用二维断面进行资料解释，但二维断面并不能完全显示数据场内所包含的地质信息，不能满足解释工作的需要。针对此问题，基于Voxler软件，通过设计多方位数据采集，将解释成果三维立体化，使探测的异常范围更加直观。

1 瞬变电磁法超前探测技术

1.1 瞬变电磁法超前探测原理

矿井瞬变电磁法(简称为MTEM)主要是利用磁偶源在掘进工作面发射一次脉冲电磁场，通过接收装置接收掘进工作面前方和周围被激发的二次场信号。该信号的信息是掘进工作面附近煤层、岩层等地质体的综合信号响应，结合已知地质情况，通过对信号的分析来达到分辨掘进工作面前方地质体的含水分布情况。由于掘进工作面附近是狭小的空间，不同于地面的瞬变电磁探测仅是大地内的响应信号，矿井掘进工作面的瞬变电磁场可近似等效为同时向上、向下及向外扩散电流环，即“双烟圈效应”，如图1所示。

图1 矿井瞬变电磁烟圈效应示意图

1.2 矿井瞬变电磁超前探测技术

瞬变电磁法是分析采集到的地质体感应电动势分布强弱，进而来分析、推断探测区域异常的含(富)水性强弱等情况。由于煤层赋存的层状系地层的沉积序列比较清晰，在正常地层状态下，其导电性特征在纵向上有固定的变化规律，而在横向上相对比较均一，陷落柱的形成会打破地层的电性变化规律。当存在陷落柱构造时，无论其是否富水，对应区域的电性变化规律都会发生较大变化，为矿井瞬变电磁法研究陷落柱的导(含)水状态提供良好的地质条件。

图2 超前探测角度设计示意图

2 矿井瞬变电磁法三维可视化技术

2.1 数据处理

数据处理的过程主要是将采集的原始数据由时间—感应电位关系转换成对应的深度—视电阻率关系，具体步骤如下：

(1)数据预处理。将原始数据室内回放—剔除畸变数据点—数据滤波—视电阻率计算，矿井全空间视电阻率计算公式：

(1)

式中：ρτ——矿井全空间视电阻率，Ω·m；

C——全空间校正系数；

μ0——真空磁导率，NA-2；

S——发射回线单匝面积，m2；

s——接收回线单匝面积，m2；

N——发射回线匝数；

例5 把6mol铜粉投入含8mol硝酸和2mol硫酸的稀溶液中,则标准状况下放出的气体的物质的量为( )。

n——接收回线匝数；

t——接收的二次场衰减时间，s；

UV——接收的归一化二次场电位，V。

(2)时间—视电阻率—深度视电阻率转换。将每个测点的不同时间对应的视电阻率值计算到实际对应的深度过程。全空间瞬变电磁深度计算公式为:

(2)

式中：Hf——不同时刻的探测深度，m；

I——发射电流，A；

L——发射回线边长，m；

ρ——t时刻计算的视电阻率，Ω·m；

η——未供电激励时接收回线单位面积接收到的干扰信号，dB。

(3)坐标转换。将常规的二维扇形坐标转换成三维立体坐标，如图3所示。将每个点的深度—视电阻值换算成对应的扇形坐标系对应的位置，然后把多个扇面的数据离散化到对应的三维空间中。

图3 二维扇形坐标转三维坐标图

2.2 三维可视化的实现

矿井三维可视化的实现是基于Voxler三维成图软件。从时深反演处理得到的视电阻率深度数据转换成三维笛卡尔坐标系下的散点数据。将整理好的三维数据体导入Voxler软件，并利用Voxler软件中的Gridder 插值模块对所获得的离散数据点进行插值处理，然后在三维空间内对数据进行网格化处理，最后基于所获得的网格化数据在三维空间内进行出图。该软件还提供了旋转功能，可以更好地显示异常体的位置及范围，从不同角度研究异常体的分布。

3 工程应用

山西小回沟矿矿井地质条件复杂，大巷在沿2#煤层开拓期间，根据巷道揭露统计共有大小不等的11个陷落柱，大部分陷落柱内由各种岩块杂乱堆积，紧密胶结而成，岩块大小不等，泥质岩块较细呈粉末状，坚硬岩块较大。通过对掘进遇到陷落柱分析，表明多数陷落柱不富水、导水性差，2#煤层直接顶由多层砂岩组成，可直接接受大气降水补给，根据奥灰岩岩溶裂隙发育的不均匀性特点，局部水文地质条件可能复杂，也不排除采动破坏影响而引发延迟导通奥灰水的可能。在2201回风巷揭露一个直径14 m左右的陷落柱，2201瓦斯排放巷在2201回风巷右侧25 m距离，两条巷道平行掘进，2201回风巷落后2201瓦斯排放巷30 m左右，在掘进到2201回风巷HF3导线点前15 m处，即距离2201回风巷揭露陷落柱约25 m的位置，进行瞬变电磁超前探测，来查明掘进巷道前方地质情况。

共采集有效数据6组共54个有效物理点，采用频率12.5 Hz 的10匝2 m×2 m方形线框发射、等效面积为450 m2的磁探头接收采集。扇面采集位于掘进工作面中心点上方0.5 m，自巷道左侧到右侧、巷道顶板到底板。

2201回风巷HF3点前15 m处TEM超前探测的视电阻率等值线拟断面图见图4。从左侧30°、中间0°、右侧30°这3个垂向探测方向可以看出，在左侧30°垂向探测方向上视电阻率值均大于27 Ω·m，视电阻率整体较高，推测该探测方向岩体含水性弱；中间0°垂向探测方向和右侧30°垂向探测方向在掘进工作面前方25～45 m范围内，视电阻率等值线成半封闭型曲线 (即图中浅绿色范围)，其对应区域视电阻率值小于24 Ω·m，为相对低阻反应。从仰角30°、顺煤层、俯角30°这3个探测方向可以看出，仰角30°探测方向上视电阻率值均大于27 Ω·m，视电阻率整体较高，推测该探测方向岩体含水性弱；顺煤层探测方向和俯角30°探测方向在掘进工作面前方20～42 m范围内，视电阻率等值线成封闭型曲线(即图中浅绿色范围)，其对应区域视电阻率值小于24 Ω·m，为相对低阻反应。

图4 二维扇形视电阻率等值线拟断面图

根据垂直顶底板和顺掘进方向水平探测的扇形视电阻率断面结果，在本次探测掘进工作面前方20～45 m，与巷道掘进中轴线水平方向成左侧10 m到右侧25 m和垂向方向顶板20 m到底板45 m范围，存在典型的封闭近似圆柱状相对低阻异常区，推断该探测范围含水构造发育的可能性较大，结合已有的地质条件推测可能是2201瓦斯排放巷揭露的同一陷落柱的延伸，陷落柱的范围从深部煤层向顶部岩层发育，根据视电阻率的分布该陷落柱的含水性与顶板导含水层的水力联系较小。图4中对可能是陷落柱的地质构造发育的范围及空间位置显示不够立体直观，通过将6个扇面的数据联合处理解释，使用Voxler成图软件，经滤波网格化处理后的异常地质体的空间分布如图5所示。从图5可以看出，该等势面图在三维坐标系下呈现出一个典型的漏斗柱状形状，与陷落柱构造的地质发育特征相符。

图5 超前探测异常三维空间显示

综合处理成果报告提交后，矿方在异常区域以仰角30°、顺掘进方向和俯角30°方向均布设了90 m 超前钻孔，其中仰角30°方向钻孔终孔无水；顺掘进方向钻孔在0～21 m是煤、21～47 m是粗质砂岩、47～90 m是煤；俯角30°方向终孔无水。综合巷道揭露情况，本次瞬变电磁法探测区域划定的陷落柱构造位置与实际揭露陷落柱构造发育位置基本吻合，如图6所示。由于资料显示结果陷落柱在仰角45°方向无明显反应，推测陷落柱在探测区域靠近底板位置，减少了矿方布设钻孔数量，为巷道安全掘进采取措施进行了准确的地质预警，排除了矿井安全生产威胁隐患。

图6 巷道开挖后圈定的陷落柱边界范围

4 结论

(1)矿井瞬变电磁法能够较准确地探测巷道前方弱含水的隐伏陷落柱，扇形视电阻等值线拟断面在水平和垂向探测方向能够较准确地显示陷落柱形态。

(2)通过多角度、多扇形断面探测，将深度—视电阻值离散化到笛卡尔空间坐标系中，使用Voxler软件，可以形象、直观地进行全空间异常的3D解释，避免常规二维断面解释对异常体空间分布规律分析不足的弊端，从而实现对煤层及其附近地层电性变化规律和异常体空间展布特征的综合解释。