输水隧洞瞬变电磁法勘察的三维可视化分析

渠继明

（山西省水利水电勘测设计研究院　山西　太原　030024）



输水隧洞瞬变电磁法勘察的三维可视化分析

渠继明

（山西省水利水电勘测设计研究院山西太原030024）

摘要瞬变电磁法勘察所得到的二维断面图，对于复杂的异常体较难圈定其连通性及空间分布状态，针对这一特定问题，利用Voxler软件实现瞬变电磁法勘察剖面的三维可视化，使得瞬变电磁法勘察对地下复杂异常体的分析解释得到明显提高。

关键词输水隧洞；采空区；瞬变电磁法；三维可视化

1　序言

山西是一个产煤大省，随着煤炭资源的大量开采，留下了大量的煤矿采空区。山西又是一个多山的省份，有很多长距离的输水隧洞经过煤矿采空区，显然煤矿采空区对输水隧洞构成巨大威胁，尤其是无图纸、无规律的私挖乱采形成的采空区对输水隧洞具有更大的安全隐患。因此煤矿采空区的勘察就显得格外重要。瞬变电磁法作为煤矿采空区勘察的较有效方法，在煤矿采空区勘察中发挥着重要作用，但瞬变电磁法的二维勘察形成的是独立的断面，断面之间异常的连通性在二维断面上得不到反映，通过Voxler软件实现瞬变电磁法勘察剖面的三维可视化，使得二维断面上的异常在空间展布情况得到直观的反映。

2　方法与技术

2.1基本原理

瞬变电磁法（简称TEM）是一种时间域的电磁感应方法，其探测的基本原理是以不接地的发射线框中加以脉冲电流，在一次场的激励下，地质体产生涡流，其大小与地质体的导电程度有关。在一次场消失后，该涡流不会立即消失，它是一个逐渐衰减的过程，该衰减过程又产生衰减的二次磁场向地表传播，由在地表布设的接收线框接收二次磁场，此二次磁场的变化反映了地下地质体的电性特征。瞬变电磁法就是基于上述原理来测量地质体的电导率来达到解决实际问题的目的。

涡旋场在大地中扩散传播，在传播过程中，二次电磁场的能量直接在导电介质中传播而逐渐消耗。由于趋肤效应，低频部分传播到深部，而高频部分主要集中在浅部，且其分布范围是源下面的局部，其传播速度和深度为：

式中t为传播时间；σ为介质电导率；μ0为介质中的磁导率。

依据上述原理，根据观测的感应电压值随时间的特定的变化关系，便可反演得到不同深度的地层的视电阻率值。

2.2地球物理特征

当地层中的煤层未被采动时，地层呈现纵向的成层性和横向的连续性，反映在视电阻率断面图上为视电阻率等值线在横向上呈近似水平或呈一定倾角的特征，在纵向上呈近似层状的特征。煤层被采空后，破坏了原有地层的连续性、完整性，反映在视电阻率断面图上表现为视电阻率等值线出现扭曲和变形，出现圈闭等现象。如果采空区被水充填，则在视电阻率等值线图中表现为局部低阻异常圈，如果采空区未被充填，则表现为局部高阻异常圈。

2.3数据预处理与反演

资料处理采用EMRS瞬变电磁处理软件。处理流程为：数据传输→资料预处理→数据转换→绘制图件→定性解释、定量解释。在资料处理之前须进行资料的预处理，包括：

（1）关断时间的影响及其校正。理论上发射波形应为阶跃波，但在实际工作中由于发射线框与大地间存在电容和线框存在电感，导致发射电流关断时不为阶跃波，而为一个有一定后延时间的关断波形，因此须将其校正到理想波形状态。

（2）曲线的圆滑。由于各类干扰的影响，往往使实测V/I曲线尾支出现波动，为此必须对实测曲线进行圆滑处理。

（3）将经过预处理的实测数据反演成与深度对应的视电阻率值，通过视电阻率二维等值线断面图或三维可视化分析进行定性和定量的解释。

2.4三维数据处理与可视化

传统的瞬变电磁法成果为二维视电阻率等值线图，它反映的是同一测线上不同深度的视电阻率变化特征，在进行资料解释时，仅靠二维视电阻率等值线图很难对异常的空间展布及不同剖面上的异常变化特征作出直观而准确的判定。Voxler软件的出现使得物探数据的三维可视化分析成为可能，Voxler主要针对三维数据的显示和体积的渲染，利用离散点数据以及二维DEM网格化数据和二维图像进行三维成图，可以形成矢量图、等值线图、切片图、三维散点图和体积渲染图等。使用Voxler输出的三维模型，可以通过鼠标操作改变视角，也可以被任意的角度切片或显示。

目前瞬变电磁法数据的采集本质上是二维采集，然后叠加形成三维数据，因此前期的数据处理与反演仍沿用传统的处理解释方法。在二维测线的数据处理时选用统一的处理方法和参数，这样在后期的三维可视化处理时测线与测线之间才会保持一致性，当每条测线反演完毕之后即可进行三维化处理。首先，把每条测线上各个测点对应的桩号或距离转换成测网对应的平面坐标(x,y)，把测线上各点的深度经过高程换算转换为高程数据，再把测网内的所有测线的数据合并在一起，便形成一个瞬变电磁法的三维数据体。

三维数据体形成后便可进行网格化，数据经网格化后会形成一个三维模型，然后便可利用Voxler软件对三维模型进行可视化分析。

3　工程实例

山西省某引水工程是山西省“十二五规划”大水网建设中一项重要的工程，其中有很大一部分输水管线穿越煤层或煤矿采空区域，为了确保输水管线的安全，须对煤矿采空区进行详细勘察并加以治理。受某引水工程管理局的委托，对该引水工程的某段输水管线区域进行了瞬变电磁法物探勘察。

根据地质资料，勘察区内地层自上而下为第四系、第三系、石炭系和奥陶系地层。正常情况下，纵向上第四系表层视电阻率较高；第三系、石炭系砂岩等煤系地层一般为表现为低阻，奥陶系地层以灰岩为主，视电阻率值较高。整套地层的电阻率在纵向上呈现为高～低～高的特征反映。该区域采空区埋深约80m～90m，未被水充填，属于私挖乱采形成的古空区，因此采空区无任何规律性。为了对采空区进行详细的勘察，在勘察区域内，瞬变电磁点剖面采用小点距、小线距布设，为了基于Voxler辅助条件下对采空区三维可视化分析的方便，在外业测试过程中保持采集参数不变。

3.1勘察成果二维分析：

图1、图2、图3所示为在勘察区域内a2～a2'剖面、a5～a5'剖面、a8～a8'剖面3个TEM剖面的视电阻率等值线图，从图中可看出：在a2～a2'剖面的深度80m～90m、水平距离25m～35m出现高阻异常区；在a5～a5'剖面的深度80m～90m、水平距离15m～35m出现高阻异常区，在a8～a8'剖面的深度80m～90m、水平距离16m～23m呈现高阻异常。从选取的3个视电阻率等值线断面图可看出：在3个剖面上均存在高阻异常区，结合地质资料推断为煤矿采空区引起的，但3个剖面之间采空区的空间展布如何，异常之间是否连通，在二维剖面上显然无法反映出来。

图1　a2- a2'TEM视电阻率等值线断面图

图2　a5- a5'TEM视电阻率等值线断面图

图3　a8- a8'TEM视电阻率等值线断面图

3.2三维可视化分析

在二维图像上，三个剖面均存在高阻异常区域，但异常仅独立展现在三个二维剖面上，异常的空间形态及其连通性难以确定，经过三维可视化处理后，三个剖面的异常的连通性在三维等值面图下的空间展布形态有了清晰的展示，且可进行水平方向不同深度或垂直方向不同位置的切片，便于对采空区综合分析。因此，经过Voxler软件三维可视化处理后的资料，突出了异常在三维空间的展布情况，具有较好的实用性。

图4　三维等值面图与a2～a2'断面的切片

图5　三维等值面图与a5～a5'断面的切片

图6　三维等值面图与a8～a8'断面的切片

3.3应用效果

为了对采空区域进行治理并验证Voxler辅助条件下的三维可视化数据处理的有效性，在物探勘察区域布置钻孔进行验证并对采空区范围布设注浆孔进行注浆处理。

图7为利用Voxler输出的三维模型在异常体的中心的水平切片图（图中深色部分为推断的煤矿采空区），图8为钻孔验证与注浆孔确认的采空区平面分布图，从二者的对比来看，利用Voxler输出的三维模型划定的采空区与钻孔确认的范围基本吻合，说明了在Voxler辅助条件下的三维可视化数据处理的有效性和实用性。

图7　三维模型异常体中心水平切片图

图8　经钻孔验证后的采空区分布图

4　结语

（1）本文通过具体的工程实例对瞬变电磁数据的二维数据处理与基于Voxler辅助条件下的三维数据分析进行了对比分析；传统的二维等值线断面图仅能反映沿剖面方向的异常体的分布；而经过Voxler软件处理后的瞬变电磁数据，不仅能够反映异常体沿剖面方向展布情况，而且能够直观地反映剖面之间异常体的空间展布，并可人机交互实现对异常体的全方位观测。

（2）虽然利用Voxler软件三维可视化分析可直观地反映瞬变电磁法勘察的异常体三维空间的展布情况，但处理效果仍依赖于二维资料的精度，并不能从根本上提高资料的解释精度。陕西水利

参考文献：

[1]李永铭，杨新明.电磁波井间层析三维可视化分析[J]《工程物探》.2014年第2期

[2]芦安贵，李法滨.EH4三维数据采集处理与可视化[J]《工程物探》.2015年第2期

（责任编辑：畅妮）

中图分类号：P631

文献标识码：A