瞬变电磁三维显示技术在立井井筒超前探测中的应用＊

2013-04-20李新华刘耀宁庞玉玺

中国煤炭 2013年2期

李新华刘耀宁庞玉玺

（1.阳煤集团寿阳开元矿业有限责任公司，山西省阳泉市，045400；2.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏省徐州市，221116）

煤矿立井开拓过程中的断层破碎带、裂隙发育区、岩溶等含水构造易引发突水、侧帮垮塌等事故，给井筒的安全掘进造成严重威胁，因此，准确地预测井筒掘进前方含水构造具有非常重要的意义。矿井瞬变电磁法超前探测技术施工效率高，广泛应用于煤矿水文地质超前探测预报工作中，然而瞬变电磁资料解释过程中多使用二维视电阻率断面等值线图（剖面图），其反映的是横向延展面上视电阻率的分布情况，对垂向延展面上的视电阻率变化特征体现的不够明显，数据利用率低，地质信息量不足，不易作出直观而准确的判断，因此有必要研究瞬变电磁三维显示技术，充分利用所采集数据，提高瞬变电磁法超前探测精度和显示效果。

1 立井井筒超前探测设计

1.1 装置参数选择

参数的选择将直接影响测量结果，瞬变电磁装置参数主要有回线边长、回线匝数、叠加次数、终端窗口和增益等。线圈边长越小，其体积效应也越小，纵、横向分辨率也愈高，但边长太小会影响到发射磁矩，使得勘探深度大大降低。在回线边长确定的情况下，回线匝数愈多发射磁矩愈大，接收回线感应信号也愈强，相应探测深度加大。考虑到井筒施工范围的限制，同时为保证足够的发射功率采集到有用的感应信号，确定采用回线边长2 m×2 m 的多匝数方形重叠回线测量装置，34 个时窗，叠加次数64，采用标准时间序列，以实现有效探测距离。矿井瞬变电磁超前探测技术多次实践效果表明，采用此类装置具有轻便快捷、与井筒掘进前方异常构造耦合好、信噪比高等优点。

1.2 测点布置

立井井筒空间具有特殊性，不同于巷道空间，为保证不漏探前方含水低阻构造，同时保证施工效率，考虑到瞬变电磁体积效应的影响，经设计并进行数值模拟实验对比分析，采用如图1所示立井井筒瞬变电磁超前探测技术测点布置图。

图1 立井井筒超前探测点布置及探测方向示意图

如图1 （a）所示，探测时沿井壁等间距布置若干个测点，并布置NS、WE两条十字交叉测线，每条测线上均匀布置N 个测点，点距1m。测点可以根据实际地质情况进行整体或者局部加密，以达到有效的探测目的。沿井壁布置的测点按两个方向探测，如图1 （b）所示，环形铅锤探测方向，探测井筒掘进正前方的水文地质情况；环形倾斜与铅锤方向成30°角探测方向，探测井筒掘进前方外围一定范围内的水文地质情况；十字交叉测线上的测点沿铅锤探测方向，必要时通过调整天线法向与井筒底板的夹角，可以更加精密探测井筒底板及井筒周围一定范围内的地下介质电性变化情况。

采用上述数据采集方式最终形成圆台形的三维数据体，有利于对探测成果的三维显示。

2 瞬变电磁数据三维显示实现

2.1 建立三维模型

根据上述井筒瞬变电磁超前探测技术中各测点的位置及探测方向，利用Matlab编制程序建立以井筒底部中心为原点，正北方为X 轴正向，正东方为Y 轴正向，铅直向下为Z 轴正向的三维空间模型，如图2所示。

采用图3所示的三维栅格数据模型将图2所示的瞬变电磁三维圆台勘探区域划分成若干个单元，该三维栅格数据模型数据结构和算法简单，对体内的不均一性具有很好的表达能力，叠加分析、缓冲区分析都很容易实现。

划分的若干个单元空间位置以X，Y，Z 表示，在X 轴上分割成l 个单元，在Y 轴上分割成m 个单元，在Z 轴上分割成n 个单元。研究对象可用l×m×n 个单元来表示，这些单元按照自身空间的位置组合即构成研究对象的三维形态。

2.2 选取三维插值算法

地质问题往往涉及的是真三维海量数据的空间插值，问题可以归结为在某个空间域T （T∈R，R 是三维欧氏空间）内有n个测量点的测量值，需要求出空间域T 中任意一个点P 的值V。已有的勘探数据采样点的分布较密，且分布较为均匀，因此选取将二维曲线拟合与Shepard插值方法（与距离成反比的加权法）扩展到三维空间，衍生出三维空间插值算法，即测量点的测量值与计算值之间的误差在最小二乘意义下达到最小。

设三维地层空间T 中存在采样点Pi，其值为Vi，其采样点的位置坐标是（xi，yi，zi）（i=1，2，3，…，n），为求出T 中网格任意位置点P 属性值V，可以设定一个关于x，y，z 的三次多项式：