矿井工作面瞬变电磁探测数据三维可视化方法研究

牛云飞,杜雯莉,李长江

(北京探创资源科技有限公司,山东 济宁 273500)

近年来,随着我国各大矿区矿井开采纷纷向深部进行,生产过程中遇到的地质问题越来越复杂,井巷开拓及工作面生产中面临的防治水任务也越来越艰巨[1]。矿井瞬变电磁法施工快捷、体积效应小、探测距离大、方向性好、对含水低阻体敏感,在对巷道掘进前方及工作面隐伏含水体、断层、陷落柱等的探测中取得了良好效果[2]。

三维可视化是用于显示和描述空间现象特征的一种技术,是现实世界在计算机内的三维显示,实现三维可视化有助于人们对抽象事物的理解[3]。三维可视化技术起初主要研究和应用在军事方面,后来逐渐转为民用,在航空航天、城市建设、矿井矿山、地质地貌等方面得到了长足的发展[4]。目前地球科学领域三维可视化方面出现了许多用于采矿、石油和工程地质的商业软件,例如国外PC2Mine,GOCAD,MineMap,M2Keagles,Lyn等,国内SuperMap软件公司、北京超维等公司也开发了相应产品[5],但这些商业软件功能繁多、操作复杂、价格昂贵,对于仅仅是物探数据三维可视化的需求来说成本也过高。

国内外学者也对物探领域三维可视化技术进行了一系列研究。郑福龙等[6-8]对地面电法数据三维可视化进行了研究,实现了地面电法数据三维显示：张震等[9]实现了矿山微震数据三维可视化；刘策[10]对地震数据三维可视化技术进行了系统研究；张淑源等[11-12]对矿井瞬变电磁法超前探测数据三维可视化进行了研究。但对于回采工作面瞬变电磁勘探,由于井下环境复杂,工作面形状往往为不规则多边形,其探测装置形式、测点布置更加灵活多变,需要考虑的情况更加复杂,更加具有研究意义。本文以山东某矿93上15工作面瞬变电磁勘探为例,对回采工作面瞬变电磁三维可视化方法进行了系统研究,取得了较好效果。

1 工程概况

1.1 工作面概况

93上15工作面主采3上煤,地面位置位于矿井南部,井下位置位于九采区西部,北侧为九采区西部3上轨道巷,南侧为邻矿的183上07面采空区,东侧为93上13面采空区,西部为设计的93上18工作面,工作面下方为93下11运输顺槽。主要含煤地层为石炭-二叠系太原组和山西组,本次探测主要涉及的地层为山西组和太原组。

93上15工作面标高-718.9～-767.6 m,平均-743.25 m,地面标高+33.34～+33.42 m,平均+33.38 m,工作面面长527.2 m,面宽402.5 m,工作面总面积212 883.3 m2。3上煤层厚度1.1～3.9 m,平均2.45 m，煤层结构复杂,煤层倾角2°～13°,平均5°。

93上15工作面地质条件较复杂,北部临近煤层冲刷区,煤层较薄,东南部煤层较厚;工作面东南部发育有一向斜,断层走向以近NNW—NW向为主。两顺槽和切眼在掘进过程中共揭露落差0.6～28 m的断层26条。其中，12条在回采范围内,落差0.6～5.1 m。

工作面直接充水水源为3上煤顶底板砂岩水、三灰水,间接充水水源为上侏罗统砂岩水。工作面东侧、南侧存在采空区,采空区积水对工作面回采有一定影响。

综上,本次探测影响工作面回采的主要充水因素为顶板50 m高度范围内的砂岩含水层，底板下方80 m范围内砂岩和三灰含水层及相邻采空区积水。

1.2 瞬变电磁法基本原理

瞬变电磁法是一种电磁感应类探测方法,探测时利用一个不接地的回线向地下发射脉冲电磁波(一次场),大地或探测目标体在一次场作用下,其内部会产生感生涡流,然后利用不接地回线等仪器观测其产生的电磁场(二次场)的特性,通过分析二次场的信息即可得到相关的水文地质信息。

矿井瞬变电磁法主要在煤矿井下巷道内进行探测,测点间距一般为10 m,也可根据现场条件和探测任务适当加密或减少测点。多匝小回线探测方向性较好,探测时线框平面法线方向即为探测方向。因此,将线框平面法线方向分别对准煤层顶板、底板不同角度或平行煤层方向,就可得到煤层顶底一定范围内的地质异常信息。

1.3 测点布置与勘探工作量

本次探测采用重叠回线装置,发射和接收线框采用多匝2.5 m×2.5 m矩形回线,其中发射线圈匝数为30匝、接收线圈匝数为45匝。采样时窗为1～34,叠加次数32,探测深度154 m,时间采用标准时间序列。

根据矿方需要,在93上15工作面轨道顺槽、运输顺槽及切眼分别布置测线一条,具体如下:

1)轨道顺槽探测起点位于切眼,测点间距10 m,共探测560 m,共布置物理测点57个,采集数据点285个。

2)运输顺槽探测起点位于切眼,测点间距10 m,共探测1 620 m,共布置物理测点163个,采集数据点815。

3)切眼探测起点位于轨道顺槽,终点位于运输顺槽,测点间距10 m,共探测320 m,共布置物理测点33个,采集数据点165。

4)每个测点探测顶板30°、60°、90°,底板30°、60°5个探测方向,对工作面顶底板富水性情况进行探测,3条巷道共布置测线2 500 m,物理测点253个,采集数据点1 265个(图1—图2)。

图1 93上15工作面瞬变电磁施工测点布置图

图2 探测方向示意图

1.4 质量保障措施

本次93上15工作面瞬变电磁探测布置物理测点253个,数据采集点1 265个,质量检测点76个。施工时为保证原始资料质量,严格按照《煤炭电法勘探规范》(MT/T 898—2000)进行施工,对现场积水、淋水等地段均进行了记录。

76个检测点均方误差为:

(1)

76个检查点总的均方误差为:

(2)

对76个检查点进行统计,单点均方相对误差1.89%～10.35%,总的均方误差为7.38%,没有超出复测允许的±15%的范围。本次井下施工甲级点1 206个,占95.3%,乙级点59个,占4.7%,无弃点,全区质量评级为优秀。

2 瞬变电磁数据处理解释

2.1 数据处理与资料解释流程

首先,对采集到的瞬变电磁法探测数据进行去噪,然后根据晚期场公式计算视电阻率并进行滤波、平滑,得到各测线视电阻率断面图,最后根据探测区的地球物理特征、响应时间特性和空间分布特征,结合矿井地质资料进行综合解释,划分岩层富水异常区分布范围。

进行资料解释时,富水异常区的划分主要依据视电阻率等值线断面图中电阻率值的大小、分布范围、围岩富水体的赋存特点和以往探测经验。

2.2 视电阻率等值线断面图解释

本次探测利用多方向探测法在工作面顶底板形成一个完整的立体探测区域。因此,一处富水异常区会在多处成果图上得到反映,从而从多角度反映了富水异常区的范围,提高探测准确率。图3—图4为93上15工作面运输顺槽和轨道顺槽视电阻率等值线断面图。

图3 运输顺槽视电阻率等值线断面图

图4 轨道顺槽视电阻率等值线断面图

分析两顺槽视电阻率等值线断面图,共圈定相对低阻区域(蓝色区域)10处,其中:

1)运输顺槽680～720 m，划分Y1-1、Y2-2、Y3-2等3处异常区。

2)运输顺槽1 550～1 620 m，划分Y2-1、Y3-1等2处异常区。

3)轨道顺槽0～30 m，划分G1-1、G2-1、G3-1、G4-1、G5-1等5处异常区。

3 三维可视化

3.1 三维可视化基本原理

三维可视化是显示、描述地下及地面地质体特征的一种表达方式,在地质和地球物理学的所有领域均有广泛应用。三维可视化是三维数据体的一种表达形式,可以充分利用地质、地球物理学的大量探测数据,为检查资料的连续性、鉴别资料真伪,发现和提取有用异常提供便利,对降低多学科交流协作门槛起到积极作用。

三维可视化解释还可对传统二维剖面解释查漏补缺。三维可视化解释时采用不同颜色或透明度对地质体的地球物理特征进行标注、区分,可帮助解释人员快速锁定异常,并对各种复杂的地质现象进行分析解释。

矿井瞬变电磁三维可视化是利用探测得到的视电阻率及其空间坐标建立三维数据体,并设置数据体的颜色或透明度,生成三维模型。它是地下地质体视电阻率值在三维空间分布情况的综合反映。分析过程中,还可以对数据体进行任意切片或将异常体提取出来进行单独展示。工作面顶底板低阻异常区的空间位置等信息都可以通过这种“进去看”的方式来分析。

矿井瞬变电磁探法通过布置多个方向的测线在工作面顶底板形成一个完整的立体探测区域,可以通过三维可视化技术对探测结果进行直观、全方位展示,可直观判断探测区域内是否存在低阻异常体,以及探测范围内低阻异常体的空间位置及大小等信息。

3.2 三维可视化分析解释

利用Matlab软件读取工作面两顺槽5个探测方向数据,对各数据点坐标重新计算并进行插值,形成三维数据体,然后利用2 m×2 m×2 m或其他分辨率的规则网格获取该三维数据体在各网格节点处的视电阻率值并写入Vtk文件,然后利用ParaView软件实现三维可视化成图,具体流程见图5所示。

图5 瞬变电磁探测数据三维可视化流程

本次探测三维可视化成果图具体见图6—图9,在图中可以更直观地显示出断面图分析得到的低阻异常区。

图6为不同角度展示的93上15工作面瞬变电磁探测三维成果图,可以直观地观察到工作面顶底板低阻区域(蓝色区域)分布情况。

图6 工作面三维成果图

图7—图8为93上15工作面纵向切片图,可以观察到轨道顺槽切眼附近有较明显的低阻区域。

图7 工作面三维数据体切片图1

图8 工作面三维数据体切片图2

图9为93上15工作面顶板40 m至底板40 m水平方向切片图,可以观察到顶底板40 m范围内较明显低阻区域主要分布在切眼和运输顺槽700 m附近,主要对应等值线断面图中运输顺槽680～720 m处Y1-1、Y2-2、Y3-2等3处异常区，和轨道顺槽0～30 m处G1-1、G2-1、G3-1、G4-1、G5-1等5处异常区。

图9 工作面三维数据体顶底板切片图3(自上而下分别为顶板40 m、20 m、0 m、底板20 m、40 m切片)

1)顶板相对低阻异常区。结合视电阻率图及三维可视化成果图,根据工作面相关水文地质资料及现场施工情况,对93上15工作面顶板含水层相对低阻异常区划分如下:

a.G1-1、G2-1、G3-1等3处异常区位于轨道顺槽0～30 m(切眼为0点)范围内,该处也为93上15工作面低洼点,在三维成果图及各角度切片上均有较明显低阻反映,划分该区域为D-I相对低阻异常区。根据钻孔资料,对93上15工作面顶板岩性进行统计,可知在顶板探测范围内细粒砂岩占3.7%,粉砂岩占3.3%,中砂岩占6.7%,剩余86.3%为泥岩和砂质泥岩。一般位于导水裂隙带发育高度范围内的含水层对工作面回采影响相对较大,根据工作面相关地质资料可知该工作面导水裂隙带高度最大为46.61 m,主要涉及泥岩、粉砂岩等弱富水性岩层,结合各方向视电阻率等值线断面图,推断其发育高度为22.5～46.61 m。

b.Y2-1、Y3-1等2处异常区发育高度为50～130 m,不在导水裂隙带范围内,对工作面回采无影响。Y1-1、Y2-2、Y3-2等3处异常区仅在700 m位置存在低阻异常,且存在金属干扰,推断该异常为金属干扰引起的假异常。

2)底板相对低阻异常区。结合视电阻率图及三维可视化成果图,根据工作面相关水文地质资料及现场施工情况,对93上15工作面底板含水层相对低阻异常区划分为:G4-1、G5-1等2处低阻异常区域位于轨道顺槽距切眼0～30 m(以切眼为0点)范围内,两处区域位置较为接近。根据工作面相关地质资料可知，该低阻区域可能是由于3下煤巷道底板少量积水造成的,由于探测前矿方已对该区域进行打钻疏放93下11巷道积水,目前已排除该区域水患灾害。因此,本次探测不再划分底板低阻异常区。

综上所述,93上15工作面瞬变电磁法勘探共划分相对低阻异常区1处:D-I号相对低阻异常区，位于轨道顺槽0～30 m范围内,结合岩性、工作面导水裂隙带发育高度等因素推断其发育高度为22.5～46.61 m(图10)。

图10 异常区三维数据体切片图

4 结论

本文以山东某矿93上15工作面瞬变电磁勘探为例,对回采工作面瞬变电磁探测数据三维可视化方法进行了研究,最终划分相对低阻异常区1处,经矿方验证,异常区划分准确。

与二维视电阻率等值线断面图相比,三维可视化能够更加直观地对异常区空间位置及延展范围作出判断,方便物探技术人员进行资料解释,同时也大大方便了非物探专业技术人员对相关成果的判断理解,具有明显技术优势。