基于ParaView的矿井瞬变电磁超前探测三维可视化研究

王 宇，闫圆圆，孙文斌

（北京探创资源科技有限公司，北京 100067）

为保障煤矿巷道的安全掘进，根据《煤矿防止水细则》，本着“有疑必探，先探后掘”的原则，通常采用矿井瞬变电磁法来探明巷道迎头前方的富含水情况。瞬变电磁法具有对低阻体反应灵敏、分层性好、施工方式高效简单、探测精度高等优势[1]，自推广应用以来，均取得了良好的效果。

1 基本原理

瞬变电磁法（Transient-electromagnetic method）又称时间域电磁法（Time domain electromagnetic method），简称TEM，属于电磁感应类探测方法，它遵循电磁感应原理。其机理是利用一个不接地的回线或磁偶极子向目标方向发射脉冲电磁波作为激发场源（“一次场”），脉冲电磁波结束后，探测目标体受激发场作用产生感生涡流，涡流大小受目标体的空间特征和电性特征、激发场的特征等因素影响，且会因能量损耗逐渐衰减至消失。利用专门仪器观测这种涡流产生的电磁场（“二次场”）的强弱、空间分布特性和时间特性，经过分析处理后即可得到探测方向的水文地质信息。矿井瞬变电磁超前探测是由地面瞬变电磁法发展而来，与地面方法具有相同的机理，与之不同的是，在矿井中探测时受到巷道的影响，得到的信息是全空间分布岩层的电性的综合反映[2]（图1）。

图1 矿井瞬变电磁超前探测全空间烟圈效应及探测方向示意图

2 施工方法

巷道迎头做超前探测具体施工时，从巷道迎头的一侧开始，首先使探测回线装置的法线垂直巷道侧面进行测量，然后旋转回线装置，使装置的法线方向与巷道的侧帮依次成固定、逐渐增大的夹角进行探测；当回线装置的法线方向与巷道迎头界面垂直时，根据其主迎头断面的宽度布置2～3个测点；到巷道迎头另一侧时再同刚才一样旋转回线装置，使回线装置的法线方向完成180°的旋转角度。同时还可以将回线装置的法线方向分别向上和向下与水平面成大约45°角，然后再进行如上的旋转探测，由此便可得到一个以巷道迎头位置为中心，向掘进方向一定深度的半球体探测数据体（图2）。

图2 矿井瞬变电磁超前探测测点布置及探测范围示意图

3 探测成果三维可视化

VTK是Kitware公司开发的一个可视化工具包，是一个开源的图形库，可供C++、Python、Java等多种编程语言实用。ParaView基于VTK开发的交互软件，允许不编程实现数据和可视化的输入。Para View可以处理结构、非结构等多种数据类型，可以指定以点显示、以面显示、网线显示等多种显示方式。ParaView的界面图形交互人性化，处理过程不繁复，与基于Matlab、Voxler等实现三维成图的方法相比，插值方式更简便合理，操作更加便捷；其次允许用户以个人需要设置过滤器的参数，突出显示所需观测的部分图像；另外，可利用属性面板设置所需颜色、显示方式和透明度等，同时可以使用鼠标控制缩放、移动、旋转。上述功能完全满足瞬变电磁三维可视化的要求[3]。

在使用ParaView绘制三维可视化图步骤前，需将实测二维视深数据转化为三维数据体，较为普遍的有使用Matlab、Python等数据处理工具进行转换，或利用Excel文件中三角函数工具自行转换等方式，将其转换为含有X、Y、Z坐标和视电阻率值ρ的数据，即二维数据离散成为三维散点。在通常使用terraTEM仪器采集的数据通常具有每个探测方向和每一层探测角度具有固定数量的特点，按照.vtk数据格式进行排列便可导入数据成图。在导入.vtk格式的数据后，根据用户需求选择apparent_resiste ncy、surface模式，应用所选模式后，通过Choose Pre set编辑视电阻率色谱，突出异常体形态及分布特征，即可实现数据整体三维可视化。ParaView中运用Filters模块，可分别选择Contour、Clip、Slice三种模式选取异常区、部分块段或切片，同时用鼠标对图像进行旋转至最佳观测角度，相比于传统的切片三维成像，此种方式所得的切片图或等值面图等更贴近实际。

4 工程案例

4.1 工程概况

本研究对内蒙古自治区某煤矿胶运顺槽迎头的煤岩层含水性使用瞬变电磁法进行超前探测，利用ParaView软件实现三维可视化指导矿方生产。

该巷道直接充含水层为Ⅱ-3煤顶底板砂岩含水组，工作面附近对ZK6708钻孔进行了抽水试验。工作面顶底板砂岩含水组的含水层总厚度为21.39 m。直接顶为泥质粉砂岩，基本顶为中砂岩、泥质粉砂岩和分砂质泥岩，直接底为泥质粉砂岩。该条巷道地质构造简单，探测范围内未见断层影响。因此该条巷道主要充含水层为顶底板砂岩含水层。

4.2 方法布置

本次勘探使用terraTEM瞬变电磁仪，重叠回线装置，收、发射装置回线为2 m×2 m回线框，探测距离为28～112 m。在迎头布置顶板45°、顺层和底板45°三个探测方向，将得到的原始二维数据经过三角函数变化，形成三维数据，按照.vtk文件的顶顺底坐标和视电阻率的顺序排好，导入ParaView得到目标三维数据体（图3-图5）。

图3 超前探测异常区分布显示图

图4 超前探测三维立体图

图5 超前探测三维立体切片图

4.3 解释与验证

从图中可以读出，在巷道迎头正前方顶板上方有一视电阻率低阻异常区，已探测位置为原点，巷道两帮为X方向（左帮为负，右帮为正）具体位置为X：-40～10 m，Y：75～110 m，发育高度为50～70 m。后经矿方在巷道迎头正前方上方46°布置施工探放水孔70 m，出水量约3 m3/h，探测成果与钻孔揭露的实际地质情况相互吻合，证明此方法有效，且能提升探测精度，可为一线生产提供更直观、清晰的参考资料。

5 结论

（1）瞬变电磁超前探测三维可视化对矿井水害防治具有良好的效果，在指导矿方掘前放水具有良好的指示作用，为巷道的安全掘进提供了有力保障。

（2）ParaView软件能清晰地展示瞬变电磁探测结果中的视电阻率三维立体图，并使用Contour功能展示目标视电阻率低值中心，为矿方后续工作提供更精确的指导作用。