礦井瞬變電磁超前探測陷落柱三維可視化技術

邢修舉

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西省西安市，710077)

水害問題是煤礦巷道開拓和工作面回采面臨的重要威脅，尤其是隱伏型導水陷落柱。瞬變電磁法是一種對導(含)水地質體等低阻體較為敏感的勘探技術，利用磁偶源的小線框收發裝置可在巷道掘進工作面對探測區域的地質體進行多方向、多角度的探測，在超前探水方面具有較為明顯的技術優勢。目前該方法大多使用二維斷面進行資料解釋，但二維斷面并不能完全顯示數據場內所包含的地質信息，不能滿足解釋工作的需要。針對此問題，基于Voxler軟件，通過設計多方位數據采集，將解釋成果三維立體化，使探測的異常范圍更加直觀。

1 瞬變電磁法超前探測技術

1.1 瞬變電磁法超前探測原理

礦井瞬變電磁法(簡稱為MTEM)主要是利用磁偶源在掘進工作面發射一次脈沖電磁場，通過接收裝置接收掘進工作面前方和周圍被激發的二次場信號。該信號的信息是掘進工作面附近煤層、巖層等地質體的綜合信號響應，結合已知地質情況，通過對信號的分析來達到分辨掘進工作面前方地質體的含水分布情況。由于掘進工作面附近是狹小的空間，不同于地面的瞬變電磁探測僅是大地內的響應信號，礦井掘進工作面的瞬變電磁場可近似等效為同時向上、向下及向外擴散電流環，即“雙煙圈效應”，如圖1所示。

圖1 礦井瞬變電磁煙圈效應示意圖

1.2 礦井瞬變電磁超前探測技術

瞬變電磁法是分析采集到的地質體感應電動勢分布強弱，進而來分析、推斷探測區域異常的含(富)水性強弱等情況。由于煤層賦存的層狀系地層的沉積序列比較清晰，在正常地層狀態下，其導電性特征在縱向上有固定的變化規律，而在橫向上相對比較均一，陷落柱的形成會打破地層的電性變化規律。當存在陷落柱構造時，無論其是否富水，對應區域的電性變化規律都會發生較大變化，為礦井瞬變電磁法研究陷落柱的導(含)水狀態提供良好的地質條件。

圖2 超前探測角度設計示意圖

2 礦井瞬變電磁法三維可視化技術

2.1 數據處理

數據處理的過程主要是將采集的原始數據由時間—感應電位關系轉換成對應的深度—視電阻率關系，具體步驟如下：

(1)數據預處理。將原始數據室內回放—剔除畸變數據點—數據濾波—視電阻率計算，礦井全空間視電阻率計算公式：

(1)

式中：ρτ——礦井全空間視電阻率，Ω·m；

C——全空間校正系數；

μ0——真空磁導率，NA-2；

S——發射回線單匝面積，m2；

s——接收回線單匝面積，m2；

N——發射回線匝數；

例5 把6mol銅粉投入含8mol硝酸和2mol硫酸的稀溶液中,則標準狀況下放出的氣體的物質的量為( )。

n——接收回線匝數；

t——接收的二次場衰減時間，s；

UV——接收的歸一化二次場電位，V。

(2)時間—視電阻率—深度視電阻率轉換。將每個測點的不同時間對應的視電阻率值計算到實際對應的深度過程。全空間瞬變電磁深度計算公式為:

(2)

式中：Hf——不同時刻的探測深度，m；

I——發射電流，A；

L——發射回線邊長，m；

ρ——t時刻計算的視電阻率，Ω·m；

η——未供電激勵時接收回線單位面積接收到的干擾信號，dB。

(3)坐標轉換。將常規的二維扇形坐標轉換成三維立體坐標，如圖3所示。將每個點的深度—視電阻值換算成對應的扇形坐標系對應的位置，然后把多個扇面的數據離散化到對應的三維空間中。

圖3 二維扇形坐標轉三維坐標圖

2.2 三維可視化的實現

礦井三維可視化的實現是基于Voxler三維成圖軟件。從時深反演處理得到的視電阻率深度數據轉換成三維笛卡爾坐標系下的散點數據。將整理好的三維數據體導入Voxler軟件，并利用Voxler軟件中的Gridder 插值模塊對所獲得的離散數據點進行插值處理，然后在三維空間內對數據進行網格化處理，最后基于所獲得的網格化數據在三維空間內進行出圖。該軟件還提供了旋轉功能，可以更好地顯示異常體的位置及范圍，從不同角度研究異常體的分布。

3 工程應用

山西小回溝礦礦井地質條件復雜，大巷在沿2#煤層開拓期間，根據巷道揭露統計共有大小不等的11個陷落柱，大部分陷落柱內由各種巖塊雜亂堆積，緊密膠結而成，巖塊大小不等，泥質巖塊較細呈粉末狀，堅硬巖塊較大。通過對掘進遇到陷落柱分析，表明多數陷落柱不富水、導水性差，2#煤層直接頂由多層砂巖組成，可直接接受大氣降水補給，根據奧灰巖巖溶裂隙發育的不均勻性特點，局部水文地質條件可能復雜，也不排除采動破壞影響而引發延遲導通奧灰水的可能。在2201回風巷揭露一個直徑14 m左右的陷落柱，2201瓦斯排放巷在2201回風巷右側25 m距離，兩條巷道平行掘進，2201回風巷落后2201瓦斯排放巷30 m左右，在掘進到2201回風巷HF3導線點前15 m處，即距離2201回風巷揭露陷落柱約25 m的位置，進行瞬變電磁超前探測，來查明掘進巷道前方地質情況。

共采集有效數據6組共54個有效物理點，采用頻率12.5 Hz 的10匝2 m×2 m方形線框發射、等效面積為450 m2的磁探頭接收采集。扇面采集位于掘進工作面中心點上方0.5 m，自巷道左側到右側、巷道頂板到底板。

2201回風巷HF3點前15 m處TEM超前探測的視電阻率等值線擬斷面圖見圖4。從左側30°、中間0°、右側30°這3個垂向探測方向可以看出，在左側30°垂向探測方向上視電阻率值均大于27 Ω·m，視電阻率整體較高，推測該探測方向巖體含水性弱；中間0°垂向探測方向和右側30°垂向探測方向在掘進工作面前方25～45 m范圍內，視電阻率等值線成半封閉型曲線 (即圖中淺綠色范圍)，其對應區域視電阻率值小于24 Ω·m，為相對低阻反應。從仰角30°、順煤層、俯角30°這3個探測方向可以看出，仰角30°探測方向上視電阻率值均大于27 Ω·m，視電阻率整體較高，推測該探測方向巖體含水性弱；順煤層探測方向和俯角30°探測方向在掘進工作面前方20～42 m范圍內，視電阻率等值線成封閉型曲線(即圖中淺綠色范圍)，其對應區域視電阻率值小于24 Ω·m，為相對低阻反應。

圖4 二維扇形視電阻率等值線擬斷面圖

根據垂直頂底板和順掘進方向水平探測的扇形視電阻率斷面結果，在本次探測掘進工作面前方20～45 m，與巷道掘進中軸線水平方向成左側10 m到右側25 m和垂向方向頂板20 m到底板45 m范圍，存在典型的封閉近似圓柱狀相對低阻異常區，推斷該探測范圍含水構造發育的可能性較大，結合已有的地質條件推測可能是2201瓦斯排放巷揭露的同一陷落柱的延伸，陷落柱的范圍從深部煤層向頂部巖層發育，根據視電阻率的分布該陷落柱的含水性與頂板導含水層的水力聯系較小。圖4中對可能是陷落柱的地質構造發育的范圍及空間位置顯示不夠立體直觀，通過將6個扇面的數據聯合處理解釋，使用Voxler成圖軟件，經濾波網格化處理后的異常地質體的空間分布如圖5所示。從圖5可以看出，該等勢面圖在三維坐標系下呈現出一個典型的漏斗柱狀形狀，與陷落柱構造的地質發育特征相符。

圖5 超前探測異常三維空間顯示

綜合處理成果報告提交后，礦方在異常區域以仰角30°、順掘進方向和俯角30°方向均布設了90 m 超前鉆孔，其中仰角30°方向鉆孔終孔無水；順掘進方向鉆孔在0～21 m是煤、21～47 m是粗質砂巖、47～90 m是煤；俯角30°方向終孔無水。綜合巷道揭露情況，本次瞬變電磁法探測區域劃定的陷落柱構造位置與實際揭露陷落柱構造發育位置基本吻合，如圖6所示。由于資料顯示結果陷落柱在仰角45°方向無明顯反應，推測陷落柱在探測區域靠近底板位置，減少了礦方布設鉆孔數量，為巷道安全掘進采取措施進行了準確的地質預警，排除了礦井安全生產威脅隱患。

圖6 巷道開挖后圈定的陷落柱邊界范圍

4 結論

(1)礦井瞬變電磁法能夠較準確地探測巷道前方弱含水的隱伏陷落柱，扇形視電阻等值線擬斷面在水平和垂向探測方向能夠較準確地顯示陷落柱形態。

(2)通過多角度、多扇形斷面探測，將深度—視電阻值離散化到笛卡爾空間坐標系中，使用Voxler軟件，可以形象、直觀地進行全空間異常的3D解釋，避免常規二維斷面解釋對異常體空間分布規律分析不足的弊端，從而實現對煤層及其附近地層電性變化規律和異常體空間展布特征的綜合解釋。