使用ParaView实现地面瞬变电磁法三维可视化

2022-10-22闫圆圆刘浩宇孙文斌

技术与市场 2022年10期

闫圆圆，王宇，刘浩宇，孙文斌

(北京探创资源科技有限公司，北京 100067)

0 引言

地下矿产的开采会破坏周围地层的应力平衡，导致上覆岩层的变形和破裂，甚至坍塌。采空区坍塌将引起明显的地层移动和断裂变形，在地表形成拉裂、隆起、倾斜、扭曲，或形成地表阶梯状、漏斗状的塌陷坑等，对地表已有的建筑和公路等基础设施造成安全隐患[1]。在矿产富集地带，矿产开采之后会产生相当数量和规模的采空区，对其地表建筑或公路建设都具有潜在风险，成为全国各地建设的一大地质灾害，因此探查并治理高速公路采空区，具有十分重要的意义。

山东省淄博市临淄区高速公路K103+953～K104+115路段位于临淄金龙铁矿矿区范围之内，该采空区与线位呈大角度相交，埋深在110 m左右，但具体位置和规模需要进一步探查，本项目拟采用地面瞬变电磁法进行探测，同时采用ParaView软件进行三维可视化成图，以便对采空区位置进行更准确地圈定，为后续治理工作提供直观的指导资料。

1 基本原理

瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Method)是根据地质结构或地质体本身的物性差异，研究由脉冲电流作为场源，激励探测目的物感生的二次场随时间的变化[2]来间接判断构造地质、水文地质现象的一种方法。广泛用于探测煤层顶底板含水层富水区的分布情况，构造的含、导水情况，老窑采空区富水性及导水通道等[3]。

瞬变电磁法是电磁感应类探测方法，机理是导电介质在脉冲发射的电磁场激发下产生的涡流场效应，其中每个时刻的地下涡旋电流在地表产生的磁场都能等效成与发射线圈平面平行的环状线电流磁场。在发射电流关断瞬间，该环状线电流与发射回线紧邻，且具有相同形状，随后该电流环向下、向外扩散，最终逐渐变形为正圆电流环。图1给出了发射电流关闭后几个不同时刻的地下等效电流环的示意分布，这些等效电流环像从发射回线中“吹”出来的一系列“烟圈”，因此，这种现象也被称为“烟圈效应”[4]。

图1 工作原理

2 施工布置

根据此次地质任务探测埋深110 m左右的采空区，本次施工采用澳大利亚Monash GeoScope公司的terraTEM瞬变电磁探测仪。装置形式为重叠回线装置，2.5 m收、发射回线框，发射装置回线匝数30，接收装置匝数45，采样时窗1～34，有效探测距离28～154 m。按照此次工作任务要求，在该高速公路某铁矿K102+900～K104+200段共布设3条测线，分别命名为西路测线L1、东路测线L1和东路测线L2(东路测线在K103+710～K103+780位置处有房屋和河流，无法进行施工，分成两段进行测量)，测点间距10 m，共布置255个测点。测线布置图如图2所示。

图2 测线布置图

3 探测成果三维可视化

VTK是由Kitware公司开发的一个可视化工具包，是一个开源的图形库，可供C++、Python、Java等多种编程语言使用。ParaView是一种基于VTK开发的交互软件，允许不编程的数据和可视化的输入。ParaView可用于处理结构、非结构等多种数据类型，可以指定的点、面或网线等多种方式进行显示。ParaView的界面图形交互十分人性化，处理过程简洁，与基于MATLAB、Voxler等软件实现三维成图的方法相比，其插值方式具有简便合理、操作便捷的优势；同时其允许用户个性化设置过滤器的参数，突出显示目标部分的图像。另外，其可利用属性面板设置独特的色谱、显示方式和透明度等图形属性。同时，其允许用户使用鼠标控制图形的缩放、移动、旋转等功能，用以选择最佳的观测视角。以上功能完全满足矿井瞬变电磁三维可视化的要求[5]。

在使用ParaView实现数据三维可视化之前，须对实测的二维视深数据进行处理，将其坐标转化为三维数据体，通常使用MATLAB、python等数据处理工具或利用excel文件中自带含税工具等方式自行转换(为保证三维图件中视电阻率的显示效果，可在转化前对每条测线巷道数据进行统一阈值处理，避免对相对高视电阻率异常区的屏蔽)，将二维坐标转换为三维笛卡尔坐标系中含有x、y、z坐标和视电阻率值ρ的数据，即将二维数据坐标转化为三维散点坐标。在此数据处理过程中，地面瞬变电磁采集的纵坐标主要是平行地面的数据，在水平地面可直接转换为三维坐标系中的z坐标，在山坡、丘陵等地的数据可在最终图件中带入地形数据。

TerraTEM仪器采集的数据在每个测点采集到固定数量的数据，将其按照.vtk的数据格式进行整理便可导入程序成图。导入的数据后首先选择apparent_resistency、surface模式，以实现用颜色区分显示不同范围的视电阻率值，之后通过Choose Preset编辑视电阻率色谱，突出显示异常体形态和空间分布特征，即可实现初步、整体的数据三维可视化。另外，可在属性面板中使用Filters模块，分别通过Contour、Clip、Slice等不同模式展示异常区块、部分数据块或切片数据体，同时可用鼠标对图形进行旋转，找出最佳观测角度或对切片位置进行移动，确定最佳切片位置。相比于传统的切片三维成像，此种方式所得的切片图或等值面图等更贴近实际。

4 案例分析

4.1 工程概况

此次地面瞬变电磁法探测区域的整体特征如下：临淄区地处鲁中丘陵与鲁北平原交接地带，位于淄博市东北部，该区第四系厚度100 m左右，地面标高一般在+30.0～+50.0 m。公路建设用地范围外边界距离开采矿体形成采空区的最近距离为48 m，公路建设的主体工程为路基、桥梁、交叉等工程以及沿线设施。

拟建公路比选方案K103+230～K103+591段位于临淄金龙铁矿矿区范围之内，且在K103+362处、K103+630处有该铁矿斜井近北西南东向斜井穿过拟建公路。其中K103+285～K103+317段位于该东矿体形成的采空区之上，公路建设的主体工程为路基、桥梁、交叉等工程以及沿线设施。拟建工程推荐方案K103+953～K104+115路段和比选方案K103+230～K103+591路段，工程建设引发采空塌陷及伴生地裂缝地质灾害的危险性为中等，其余路段为小。

4.2 三维可视化

瞬变电磁探测所得成果主要为视电阻率值，遵从相对原则，通过对比分析阻值大小，圈出异常区域，确定阈值圈定异常区；通过异常区视电阻率阻值大小、异常区范围大小，根据地质任务，结合现场具体施工条件和探测位置的地质资料，对异常区进行分析，去伪存真，成果图如图3～5所示。

图3 异常区分布显示图

图4 三维立体切片图

图5 探测三维立体图

4.3 解释与验证

由地质资料可知，左侧0点位置对应高速公路点位为k102+900点，向右10 m为k102+910点，以此类推，最右侧点为k104+190点。结合该点位信息和异常区分布图可知，图中分别在k103+50～k103+170、k103+310～k103+440(命名为D-1)、k103+500～k103+525(命名为X-1)、k103+720～k103+740(命名为X-2)、k104+150～k104+190存在低阻异常显示。结合施工现场情况可知，k103+50～k103+170和k104+150～k104+190两处为受高压线干扰严重，危险性一般；D-1处异常推测为铁矿采空区，危险性中等，建议进行验证；X-1推测为巷道积水或岩层富水影响，危险性一般，后续做好加固工作即可；X-2处推测为河流影响，危险性一般，无需处理。

后续矿方在D-1、X-1和X-2异常位置处布钻验证，结果显示：D-1、X-1钻孔见空，有积水。该结果说明，地面瞬变电磁探测三维立体图能对二维成果进行三维展示，更加直观和精确地对采空区位置进行展示，对指示矿方治理高速公路采空区具有显著的优势。

5 结论和建议

5.1 结论

1)在岩层破碎出现采空区尤其是含水状态下，其电阻率值会发生改变，低于完整岩层段的值，在此地球物理特征前提下采用地面瞬变电磁法能准确探查视电阻率值异常段，圈定出采空区的位置，为矿方后续工作做出指导。

2)使用ParaView软件对山东省淄博市临淄区高速公路K103+953～K104+115路段地面瞬变电磁法探测数据进行了三维展示，并使用Contour、Clip、Slice功能展示目标视电阻率低值中心，共划分出一处危险性中等的采空区异常位置，一处巷道积水影响异常区。与地面瞬变电磁法的二维等值线断面图相比，三维展示图件能为矿方提供更加直观和精准的异常区展示位置，显示效果良好。

在经过矿方布钻验证后表明，此次异常区位置圈定准确，为指导矿方后续采空区治理提供直观的效果图件，有力地保障了在采空区区域进行公路建设的安全性。