張淑源，時(shí)志浩，周 金

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083；2.中國(guó)中鐵二院集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031）

在煤礦巷道掘進(jìn)過(guò)程中，巷道迎頭致災(zāi)水源對(duì)煤礦回采安全構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅，且是引發(fā)煤礦特大突水的主要原因。目前，多匝小回線裝置形式的礦井瞬變電磁法是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新的井下物理探測(cè)技術(shù)，該技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于體積效應(yīng)小、井下探測(cè)方向性強(qiáng)、儀器分辨率高、特別對(duì)充水低阻體敏感、井下施工方便快捷等，近幾年已應(yīng)用于煤層工作面頂?shù)装鍘r層的富水異常區(qū)探測(cè)、巷道迎頭掘進(jìn)前方的突、導(dǎo)水構(gòu)造預(yù)測(cè)、含水陷落柱探測(cè)等問(wèn)題，并取得了良好的應(yīng)用效果[1，2]。

1 礦井瞬變電磁

1.1 基本原理

瞬變電磁法或稱時(shí)間域電磁法(Time domain electromagnetic methods)，簡(jiǎn)稱TEM，它是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場(chǎng)，在一次脈沖磁場(chǎng)間歇期間，利用線圈或接地電極觀測(cè)二次渦流場(chǎng)的方法[3]。

礦井瞬變電磁法的基本原理與地面瞬變電磁法的基本原理一致。所不同的是由于礦井瞬變電磁法是在地下幾百米深度的礦井巷道中進(jìn)行的，感應(yīng)電磁場(chǎng)呈現(xiàn)出全空間響應(yīng)。因此，礦井瞬變電磁法測(cè)量接收線圈接收到的感應(yīng)信號(hào)是來(lái)自周圍全空間分布的巖石的電性的綜合反映。

1.2 井下探測(cè)方法

礦井瞬變電磁法受井下巷道空間限制，其發(fā)射接收裝置的尺寸很小，但因此限制發(fā)射天線的尺寸使其大大降低了發(fā)射裝置的發(fā)射磁矩，從而影響了信號(hào)強(qiáng)度，導(dǎo)致探測(cè)深度達(dá)不到實(shí)際探測(cè)工作的需求。因此，在井下實(shí)際探測(cè)中須增加發(fā)射線圈匝數(shù)，從而增大發(fā)射天線的的方法來(lái)加大發(fā)射磁矩與有效接收面積即多匝小回線裝置，線圈邊長(zhǎng)為2m，采用重疊回線裝置。

圖1 礦井瞬變電磁頂?shù)装逄綔y(cè)示意圖

工作面頂?shù)装甯凰蕴綔y(cè)中，瞬變電磁測(cè)線布置在工作面回風(fēng)巷、進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)，點(diǎn)距10m。為了能更加全方位探測(cè)目標(biāo)體，可以將發(fā)射回線和接收回線進(jìn)行任意方向任意角度旋轉(zhuǎn)[4，5]，如圖1所示。

巷道迎頭超前探測(cè)工作中，可以根據(jù)探測(cè)任務(wù)要求，通過(guò)調(diào)整線圈法線方向，來(lái)獲取巷道掘進(jìn)頭前方不同層位上的富水信息。測(cè)線布置方式，如圖2所示。

圖2 礦井瞬變電磁超前探測(cè)示意圖

2 礦井瞬變電磁三維可視化

礦井瞬變電磁法由于對(duì)巖層富水區(qū)敏感，探測(cè)裝置輕便，抗干擾較強(qiáng)，是近年來(lái)應(yīng)用較廣的一種地球物理探測(cè)方法。但是目前礦井瞬變電磁探測(cè)成果處理解釋研究還不夠完善，常規(guī)的數(shù)據(jù)處理和解釋都處于二維階段，其主要的探測(cè)成果解釋圖件為二維視電阻率等值線斷面圖，只能展現(xiàn)沿探測(cè)方向上的水平面上的地電信息，而對(duì)垂直面上的巖層地電信息沒(méi)能更好的展現(xiàn)，導(dǎo)致了數(shù)據(jù)的浪費(fèi)[6,7]。而且成果圖直觀性和立體感比較差，對(duì)于異常區(qū)域的劃分與位置的判定都有很大的誤差，對(duì)之后的鉆探設(shè)計(jì)比較困難。對(duì)此，基于Voxler軟件，結(jié)合井下瞬變電磁探測(cè)數(shù)據(jù)，研究井下瞬變電磁探測(cè)的三維可視化，可以立體地展示獲得的成果圖件，從而做出更加準(zhǔn)確、合理的異常解釋[8]。

Voxler是一款專業(yè)的三維可視化軟件，界面友好、功能強(qiáng)大、操作性強(qiáng)、簡(jiǎn)單易學(xué)，主要功能有體積渲染、等高線圖和三維數(shù)據(jù)等勢(shì)面展示等。Voxler軟件是在Surfer的基礎(chǔ)上研發(fā)的三維可視化軟件，它保留了Surfer的繪制功能，還可用于繪制三維等值面圖、流線圖、高程模型圖、散點(diǎn)圖、體積渲染圖以及三維溶解圖等。

采用Voxler繪制三維可視化圖步驟主要包括數(shù)據(jù)整理輸入、數(shù)據(jù)處理和圖形輸出三個(gè)步驟。數(shù)據(jù)輸入之前需要將瞬變電磁探測(cè)數(shù)據(jù)反演后導(dǎo)出的文件（.dat）進(jìn)行整理，將其轉(zhuǎn)化為三維空間數(shù)據(jù)體，即數(shù)據(jù)體的組成為x、y、z三列空間坐標(biāo)信息和一列電阻率信息[9,10]。Voxler能識(shí)別多種數(shù)據(jù)格式，以dat格式為例，運(yùn)行Voxler，將數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入Network管理窗口，完成數(shù)據(jù)輸入。采用Computational（計(jì)算模塊）中的Gridder（網(wǎng)格化模型）模塊，選擇插值方法（Inverse Distance）對(duì)數(shù)據(jù)體進(jìn)行網(wǎng)格化插值計(jì)算，將空間分布不均勻的離散數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)，生成空間分布規(guī)則的三維網(wǎng)格狀數(shù)據(jù)矩陣.將數(shù)據(jù)網(wǎng)格化之后，在Gridder模塊中，右鍵選擇Graphics Outout（圖形輸出模塊）中的Axes（軸線）、BoundingBox（邊界框）、Isosurface（等值面）、VolRender（體積渲染）等子模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維成像。

Voxler視圖軟件可以對(duì)繪制的成果圖進(jìn)行任意角度的旋轉(zhuǎn)，以滿足從最佳角度來(lái)觀測(cè)探測(cè)方向上的異常體形態(tài)、大小以及相對(duì)位置，可以直觀的、立體的觀察探測(cè)區(qū)域的富水情況，相比較常規(guī)的二維視電阻率斷面圖效果更佳，與實(shí)際地質(zhì)情況更為接近，同時(shí)，也提高了礦井瞬變電磁法探測(cè)的資料解釋精度。

3 工程應(yīng)用

利用瞬變電磁法對(duì)山東某煤礦8301工作面頂板進(jìn)行富水性探測(cè)和-980邊界回風(fēng)下山迎頭進(jìn)行超前探測(cè)，且基于Voxler軟件，進(jìn)行礦井三維可視化研究。

3.1 工作面頂板富水性探測(cè)

8301綜放工作面開采煤層為3（3下）煤，煤層穩(wěn)定，煤層厚度4.2m～10.0m，平均煤厚9.06m，煤層傾角0°～11°，平均5°；煤層基本頂為中砂巖，老頂為細(xì)砂巖、泥巖和粉砂巖；直接底為粉砂巖，老底為細(xì)砂巖和砂質(zhì)泥巖。

探測(cè)使用澳大利亞產(chǎn)Terra-TEM型瞬變電磁儀，采用發(fā)射線圈和接收線圈邊長(zhǎng)為2m*2m，重疊回線裝置。根據(jù)工作面采掘條件，為了更為全面探測(cè)煤層頂板上方巖層富水性，在該工作面上平巷與下平巷兩條巷道分別布置測(cè)線，每個(gè)測(cè)點(diǎn)點(diǎn)距10m，每個(gè)巷道設(shè)計(jì)4個(gè)探測(cè)方向，分別為90°、60°、30°和15°，以此探測(cè)頂板巖層富水性情況。

井下探測(cè)得到的瞬變電磁數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)反演軟件處理，得到不同探測(cè)方向不同深度各點(diǎn)的視電阻值。將上平巷和下平巷各四個(gè)方向上的數(shù)據(jù)整理，即將原二維坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成三維坐標(biāo)，其中X方向表示沿巷道測(cè)線方向長(zhǎng)度，Y方向?yàn)樘綔y(cè)深度，Z方向?yàn)樯掀较锱c下平巷距離，即工作面寬度。將數(shù)據(jù)整理成三維成像的散點(diǎn)數(shù)據(jù)，然后使用Voxler軟件進(jìn)行三維可視化實(shí)現(xiàn)。如圖3所示，為礦井瞬變電磁工作面頂板異常體三維等值面圖，從圖中可以很明顯看出，在上平巷樁號(hào)120m～180m位置，探測(cè)深度在20m～40m范圍內(nèi)存在明顯的低阻異常；在下平巷樁號(hào)20m～50m位置，探測(cè)深度50m～60m范圍內(nèi)，存在一相對(duì)低阻區(qū)，而在樁號(hào)190m～240m，探測(cè)深度50m～80m范圍內(nèi)，存在一明顯的低阻異常體，且范圍較大。

經(jīng)過(guò)后期打鉆驗(yàn)證，其實(shí)際工作面頂板富水情況和礦井瞬變電磁探測(cè)成果基本一致。

圖3 工作面頂板異常體三維等值面圖

3.2 巷道迎頭超前探測(cè)

-980邊界回風(fēng)下山迎頭掘進(jìn)的直接充水水含水層是3煤層的頂板砂巖含水層和太原組“三灰”含水層。迎頭掘進(jìn)區(qū)域3煤直接頂粉砂巖、細(xì)砂巖和泥巖；煤層底板為粉砂巖、細(xì)砂巖和泥巖。巷道掘進(jìn)前方216m巷道將穿煤層掘進(jìn)90m，至XF35斷層附近，掘進(jìn)過(guò)程中主要受3煤頂?shù)装迳皫r含水層影響，將以頂板淋水的形式通過(guò)錨桿、錨索眼進(jìn)入巷道，因此，3砂成為巷道充水的最直接充水水源。

探測(cè)使用澳大利亞產(chǎn)Terra-TEM型瞬變電磁儀，采用發(fā)射線圈和接收線圈邊長(zhǎng)為2m*2m，重疊回線裝置。根據(jù)實(shí)際采掘條件，在回風(fēng)巷下山迎頭布置5個(gè)超前探測(cè)方向（仰角45°方向、仰角30°方向、順層方向、俯角30°方向、俯角45°方向），基本上全部覆蓋巷道空間頂?shù)装鍘r層，如圖4所示，以此來(lái)控制迎頭附近含水層位置及含水情況。

圖4 掘進(jìn)面超前探測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)分布圖

圖5 超前探測(cè)異常體三維等值面圖

井下探測(cè)得到的瞬變電磁數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理得到不同探測(cè)方向不同深度各點(diǎn)的視電阻值，轉(zhuǎn)換坐標(biāo)，將數(shù)據(jù)整理成三維成像的三點(diǎn)數(shù)據(jù)，然后使用Voxler軟件進(jìn)行可視化實(shí)現(xiàn)。如圖5所示，其中X方向表示垂直巷道軸線水平方向上的距離。Y方向?yàn)樘綔y(cè)深度，Z方向?yàn)閷?duì)應(yīng)巷道頂?shù)装寰嚯x，（0，0，0）坐標(biāo)處為迎頭位置，從圖中可以明顯看出主要存在3塊較大的異常體。異常區(qū)域在迎頭左側(cè)俯角30°斷面內(nèi)，探測(cè)深度50m～120m范圍內(nèi)，該異常區(qū)域在水平面與超前探測(cè)方向上延伸較大，根據(jù)地質(zhì)資料，前方XF35斷層穿過(guò)該低阻區(qū)，可以判斷該低阻區(qū)域通過(guò)XF35斷層與三砂含水層貫通。而在迎頭右側(cè)探測(cè)60°方向和30°方向，探測(cè)深度80m～120m范圍內(nèi)上分別存在兩個(gè)較小的異常體。

根據(jù)礦井瞬變電磁探測(cè)成果，在巷道迎頭左側(cè)幫俯角30°斷面，巷道軸線左偏35°布置鉆孔進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，其探測(cè)成果與鉆孔揭露的實(shí)際地質(zhì)情況相吻合。

4 結(jié)論

（1）應(yīng)用礦井瞬變電磁法不僅可以對(duì)煤礦掘進(jìn)頭前方含水區(qū)域超前探測(cè)、采掘工作面頂?shù)装甯凰畢^(qū)探測(cè)有著良好的效果，而且還可以探測(cè)迎頭前方導(dǎo)水?dāng)鄬悠扑閹?、裂隙發(fā)育區(qū)、陷落柱等構(gòu)造的賦水性，保障了巷道的安全、快速掘進(jìn)，并對(duì)富水性程度進(jìn)行定性評(píng)價(jià)，從而指導(dǎo)礦方有針對(duì)性的打鉆放水，為工作面安全回采提供有力保障。

（2）Voxler軟件為礦井瞬變電磁探測(cè)三維可視化提供了良好的平臺(tái)，其強(qiáng)大的網(wǎng)格化和顯示功能能直觀展現(xiàn)目標(biāo)異常體的走向、空間位置和展布特征，增強(qiáng)對(duì)探測(cè)成果的三維顯示效果，避免了常規(guī)二維斷面解釋對(duì)異常體分布分析不足的弊端，方便對(duì)異常體的準(zhǔn)確圈定，優(yōu)勢(shì)明顯。

目前三維可視化技術(shù)正處于不斷發(fā)展之中，本文僅僅對(duì)電法數(shù)據(jù)體的三維可視化做了初步嘗試。隨著地質(zhì)解釋工作要求的不斷提高，對(duì)于異常體更為精細(xì)的三維刻畫將成為趨勢(shì)。