矿井瞬变电磁法三维立体探测技术应用*

2019-08-08崔江伟罗荣荣王施智万宏伟

陕西煤炭 2019年4期

崔江伟，罗荣荣，王施智，万宏伟

(陕西省煤田物探测绘有限公司，陕西西安 710005)

0 引言

矿井瞬变电磁法是中国矿业大学于1998年将地面瞬变电磁法移植到矿井巷道中而得出的一种井下勘探方法，因该方法具有对低阻体敏感、横向分辨率较高、体积效应较小等优点，在煤矿水害探测预报中得到了广泛的应用[1-4]。目前，矿井瞬变电磁法主要用于二维结构剖面的探测。由于预测目标体大都是复杂而又交错的各种类型的含水体或采空区，都具有三维展布特征。所以，仅靠简单的二维剖面图像是不能直观反映出预测目标的空间分布。为解决该问题，众多专家学者做了大量研究。如李新华等于2013年根据立井井筒空间分布形态的特点，设计了相关的数据采集方法，最终结合Matlab语言和Voxler软件实现了对探测效果的显示，该方式为矿井瞬变电磁勘探的三维可视化提供了新思路[5]。随后董远浪(2015)、田浩(2017)、李东林(2017)等分别将矿井瞬变电磁法三维可视化技术用于煤矿工作面探测中，实现了异常体的空间立体显示[6-8]。但是他们都是针对煤矿工作面进行的探测与分析，并没有针对掘进迎头进行分析，而掘进迎头是最先且最易受到含水威胁或突水危险的区域，因此准确有效地预测预报掘进迎头附近含水体或采空区的空间分布就可以有效避免矿井突水灾害的发生。

结合在掘进迎头处矿井瞬变电磁的施工特点，设计相关的三维数据采集方式，并利用Voxler软件平台实现三维数据场的可视化。

1 矿井瞬变电磁法三维立体探测技术概述

矿井瞬变电磁法三维立体探测技术的基础是矿井瞬变电磁法，矿井瞬变电磁法与地面瞬变电磁法一样，采用仪器和测量数据的各种装置形式和时间窗口也相同。由于矿井瞬变电磁法勘探环境的限制，测量线圈大小有限，其勘探深度不如地面深。地面瞬变电磁法为半空间瞬变响应，这种瞬变响应来自于地表以下半空间地层；而矿井瞬变电磁法为全空间瞬变响应，这种瞬变响应是来自于回线平面上下(或两侧)地层，对确定异常体的位置带来困难。实际资料解释中，必须结合具体地质和水文地质情况综合分析[9]。

a-测点布置示意图；b-观测方向布置示意图图1 矿井瞬变电磁观测方式示意图

由于受巷道迎头空间的限制，矿井瞬变电磁法的发射和接收线圈的几何尺寸受到了一定的制约，只能采用多匝小回线的发射和接收装置形式，即边长为1～3 m。测点布置在巷道外侧，在实际工作过程中对于每个发射点，也可调整天线的法线与巷道底板的夹角大小，以探测巷道顶板、顺层方向的围岩变化情况，在多个角度采集数据，从而获得尽可能完整的前方空间信息。

为了能更加全面地了解煤层顶板及前方的电性分布情况，在实际探测过程中，可将每个探测点都布置13个测点(以15°为间隔)，每个探测点均观测10个探测方向(以10°为间隔，如图1所示)。

2 三维立体解释方法

数据处理采用福州华虹智能科技股份有限公司研发的“YCS512瞬变电磁解译系统”，成图软件为Voxler软件，主要过程如下。

2.1 数据预处理

首先按照观测方向提取原始数据，将原始数据按照采集参数进行归一化处理，将归一化后的感应电动势进行滤波处理或干扰校正处理。

2.2 电阻率计算与时深转换

将归一化后的感应电动势导入后即用数据处理系统内置算法进行电阻率计算和时深转换，该软件计算公式是参考于景邨在矿井瞬变电磁法勘探中所提出的电阻率计算和时间与深度的转换公式[10]。

2.3 绘制三维图件

将所有探测方向的数据导出后，基于Voxler软件平台实现矿井瞬变电磁法数据三维成图，根据需要可绘制相关的切片图、体积渲染图等，进而实现数据立体可视化。

2.4 数据解释

根据上述三维图件和Voxler软件中的旋转功能，再结合岩矿石电阻率与富水性的关系，即可对迎头及其附近岩层电性变化规律和异常体空间展布特征进行三维立体分析。

3 复杂采空区应用实例

本探测区所存在的采空区，主要是由个体施工人员开采湖南郴州境内的石墨矿和无烟煤而形成的空洞，它不同于国有矿山按照统一规划掘进、开采而形成的采空区，具有规模不同、深度不一、形态复杂、采掘及回填情况不明的特点，属于电性复杂类型的采空区[11-12]。

井下施工时，所采用的探测仪器为YCS512矿井瞬变电磁仪，测量采用重叠回线装置，线框大小为1 m×1 m，发射线圈为20匝，接收线圈为40匝，发射电流3.2 A。

数据处理的三维地质模型如图2所示。其中，地质模型从红色到蓝色表示视电阻率值从高到低，该三维模型可以任意旋转，还可以自定义旋转模型方向。从地质勘查结果来看，蓝色低阻部位对应可疑含水体，红色区域对应致密岩层或采空区。

图2 矿井瞬变电磁三维数据体

图3为矿井瞬变电磁三维切片图，根据电阻率的大小结合本区水文地质特征，圈定异常位置两处，并建议布置钻孔验证。为了验证物探成果的准确性，矿方在迎头位置布置了多个钻孔，其中1号异常区位置处的钻孔出水量较大，约为3.6 m3/h，2号异常区位置钻孔出水量为1.0 m3/h，为了安全起见，矿方在没有异常的正前方也布置了相同深度的钻孔，该钻孔未见明显流水现象，从而验证了该物探成果的可靠性。