基于ParaView的礦井瞬變電磁超前探測三維可視化研究

王 宇，閆圓圓，孫文斌

（北京探創(chuàng)資源科技有限公司，北京 100067）

為保障煤礦巷道的安全掘進，根據(jù)《煤礦防止水細則》，本著“有疑必探，先探后掘”的原則，通常采用礦井瞬變電磁法來探明巷道迎頭前方的富含水情況。瞬變電磁法具有對低阻體反應靈敏、分層性好、施工方式高效簡單、探測精度高等優(yōu)勢[1]，自推廣應用以來，均取得了良好的效果。

1 基本原理

瞬變電磁法（Transient-electromagnetic method）又稱時間域電磁法（Time domain electromagnetic method），簡稱TEM，屬于電磁感應類探測方法，它遵循電磁感應原理。其機理是利用一個不接地的回線或磁偶極子向目標方向發(fā)射脈沖電磁波作為激發(fā)場源（“一次場”），脈沖電磁波結束后，探測目標體受激發(fā)場作用產(chǎn)生感生渦流，渦流大小受目標體的空間特征和電性特征、激發(fā)場的特征等因素影響，且會因能量損耗逐漸衰減至消失。利用專門儀器觀測這種渦流產(chǎn)生的電磁場（“二次場”）的強弱、空間分布特性和時間特性，經(jīng)過分析處理后即可得到探測方向的水文地質信息。礦井瞬變電磁超前探測是由地面瞬變電磁法發(fā)展而來，與地面方法具有相同的機理，與之不同的是，在礦井中探測時受到巷道的影響，得到的信息是全空間分布巖層的電性的綜合反映[2]（圖1）。

圖1 礦井瞬變電磁超前探測全空間煙圈效應及探測方向示意圖

2 施工方法

巷道迎頭做超前探測具體施工時，從巷道迎頭的一側開始，首先使探測回線裝置的法線垂直巷道側面進行測量，然后旋轉回線裝置，使裝置的法線方向與巷道的側幫依次成固定、逐漸增大的夾角進行探測；當回線裝置的法線方向與巷道迎頭界面垂直時，根據(jù)其主迎頭斷面的寬度布置2～3個測點；到巷道迎頭另一側時再同剛才一樣旋轉回線裝置，使回線裝置的法線方向完成180°的旋轉角度。同時還可以將回線裝置的法線方向分別向上和向下與水平面成大約45°角，然后再進行如上的旋轉探測，由此便可得到一個以巷道迎頭位置為中心，向掘進方向一定深度的半球體探測數(shù)據(jù)體（圖2）。

圖2 礦井瞬變電磁超前探測測點布置及探測范圍示意圖

3 探測成果三維可視化

VTK是Kitware公司開發(fā)的一個可視化工具包，是一個開源的圖形庫，可供C++、Python、Java等多種編程語言實用。ParaView基于VTK開發(fā)的交互軟件，允許不編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)和可視化的輸入。Para View可以處理結構、非結構等多種數(shù)據(jù)類型，可以指定以點顯示、以面顯示、網(wǎng)線顯示等多種顯示方式。ParaView的界面圖形交互人性化，處理過程不繁復，與基于Matlab、Voxler等實現(xiàn)三維成圖的方法相比，插值方式更簡便合理，操作更加便捷；其次允許用戶以個人需要設置過濾器的參數(shù)，突出顯示所需觀測的部分圖像；另外，可利用屬性面板設置所需顏色、顯示方式和透明度等，同時可以使用鼠標控制縮放、移動、旋轉。上述功能完全滿足瞬變電磁三維可視化的要求[3]。

在使用ParaView繪制三維可視化圖步驟前，需將實測二維視深數(shù)據(jù)轉化為三維數(shù)據(jù)體，較為普遍的有使用Matlab、Python等數(shù)據(jù)處理工具進行轉換，或利用Excel文件中三角函數(shù)工具自行轉換等方式，將其轉換為含有X、Y、Z坐標和視電阻率值ρ的數(shù)據(jù)，即二維數(shù)據(jù)離散成為三維散點。在通常使用terraTEM儀器采集的數(shù)據(jù)通常具有每個探測方向和每一層探測角度具有固定數(shù)量的特點，按照.vtk數(shù)據(jù)格式進行排列便可導入數(shù)據(jù)成圖。在導入.vtk格式的數(shù)據(jù)后，根據(jù)用戶需求選擇apparent_resiste ncy、surface模式，應用所選模式后，通過Choose Pre set編輯視電阻率色譜，突出異常體形態(tài)及分布特征，即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)整體三維可視化。ParaView中運用Filters模塊，可分別選擇Contour、Clip、Slice三種模式選取異常區(qū)、部分塊段或切片，同時用鼠標對圖像進行旋轉至最佳觀測角度，相比于傳統(tǒng)的切片三維成像，此種方式所得的切片圖或等值面圖等更貼近實際。

4 工程案例

4.1 工程概況

本研究對內(nèi)蒙古自治區(qū)某煤礦膠運順槽迎頭的煤巖層含水性使用瞬變電磁法進行超前探測，利用ParaView軟件實現(xiàn)三維可視化指導礦方生產(chǎn)。

該巷道直接充含水層為Ⅱ-3煤頂?shù)装迳皫r含水組，工作面附近對ZK6708鉆孔進行了抽水試驗。工作面頂?shù)装迳皫r含水組的含水層總厚度為21.39 m。直接頂為泥質粉砂巖，基本頂為中砂巖、泥質粉砂巖和分砂質泥巖，直接底為泥質粉砂巖。該條巷道地質構造簡單，探測范圍內(nèi)未見斷層影響。因此該條巷道主要充含水層為頂?shù)装迳皫r含水層。

4.2 方法布置

本次勘探使用terraTEM瞬變電磁儀，重疊回線裝置，收、發(fā)射裝置回線為2 m×2 m回線框，探測距離為28～112 m。在迎頭布置頂板45°、順層和底板45°三個探測方向，將得到的原始二維數(shù)據(jù)經(jīng)過三角函數(shù)變化，形成三維數(shù)據(jù)，按照.vtk文件的頂順底坐標和視電阻率的順序排好，導入ParaView得到目標三維數(shù)據(jù)體（圖3-圖5）。

圖3 超前探測異常區(qū)分布顯示圖

圖4 超前探測三維立體圖

圖5 超前探測三維立體切片圖

4.3 解釋與驗證

從圖中可以讀出，在巷道迎頭正前方頂板上方有一視電阻率低阻異常區(qū)，已探測位置為原點，巷道兩幫為X方向（左幫為負，右?guī)蜑檎┚唧w位置為X：-40～10 m，Y：75～110 m，發(fā)育高度為50～70 m。后經(jīng)礦方在巷道迎頭正前方上方46°布置施工探放水孔70 m，出水量約3 m3/h，探測成果與鉆孔揭露的實際地質情況相互吻合，證明此方法有效，且能提升探測精度，可為一線生產(chǎn)提供更直觀、清晰的參考資料。

5 結論

（1）瞬變電磁超前探測三維可視化對礦井水害防治具有良好的效果，在指導礦方掘前放水具有良好的指示作用，為巷道的安全掘進提供了有力保障。

（2）ParaView軟件能清晰地展示瞬變電磁探測結果中的視電阻率三維立體圖，并使用Contour功能展示目標視電阻率低值中心，為礦方后續(xù)工作提供更精確的指導作用。