李新華 劉耀寧 龐玉璽

（1.陽(yáng)煤集團(tuán)壽陽(yáng)開(kāi)元礦業(yè)有限責(zé)任公司，山西省陽(yáng)泉市，045400；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇省徐州市，221116）

煤礦立井開(kāi)拓過(guò)程中的斷層破碎帶、裂隙發(fā)育區(qū)、巖溶等含水構(gòu)造易引發(fā)突水、側(cè)幫垮塌等事故，給井筒的安全掘進(jìn)造成嚴(yán)重威脅，因此，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)井筒掘進(jìn)前方含水構(gòu)造具有非常重要的意義。礦井瞬變電磁法超前探測(cè)技術(shù)施工效率高，廣泛應(yīng)用于煤礦水文地質(zhì)超前探測(cè)預(yù)報(bào)工作中，然而瞬變電磁資料解釋過(guò)程中多使用二維視電阻率斷面等值線圖 （剖面圖），其反映的是橫向延展面上視電阻率的分布情況，對(duì)垂向延展面上的視電阻率變化特征體現(xiàn)的不夠明顯，數(shù)據(jù)利用率低，地質(zhì)信息量不足，不易作出直觀而準(zhǔn)確的判斷，因此有必要研究瞬變電磁三維顯示技術(shù)，充分利用所采集數(shù)據(jù)，提高瞬變電磁法超前探測(cè)精度和顯示效果。

1 立井井筒超前探測(cè)設(shè)計(jì)

1.1 裝置參數(shù)選擇

參數(shù)的選擇將直接影響測(cè)量結(jié)果，瞬變電磁裝置參數(shù)主要有回線邊長(zhǎng)、回線匝數(shù)、疊加次數(shù)、終端窗口和增益等。線圈邊長(zhǎng)越小，其體積效應(yīng)也越小，縱、橫向分辨率也愈高，但邊長(zhǎng)太小會(huì)影響到發(fā)射磁矩，使得勘探深度大大降低。在回線邊長(zhǎng)確定的情況下，回線匝數(shù)愈多發(fā)射磁矩愈大，接收回線感應(yīng)信號(hào)也愈強(qiáng)，相應(yīng)探測(cè)深度加大。考慮到井筒施工范圍的限制，同時(shí)為保證足夠的發(fā)射功率采集到有用的感應(yīng)信號(hào)，確定采用回線邊長(zhǎng)2 m×2 m 的多匝數(shù)方形重疊回線測(cè)量裝置，34 個(gè)時(shí)窗，疊加次數(shù)64，采用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間序列，以實(shí)現(xiàn)有效探測(cè)距離。礦井瞬變電磁超前探測(cè)技術(shù)多次實(shí)踐效果表明，采用此類(lèi)裝置具有輕便快捷、與井筒掘進(jìn)前方異常構(gòu)造耦合好、信噪比高等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 測(cè)點(diǎn)布置

立井井筒空間具有特殊性，不同于巷道空間，為保證不漏探前方含水低阻構(gòu)造，同時(shí)保證施工效率，考慮到瞬變電磁體積效應(yīng)的影響，經(jīng)設(shè)計(jì)并進(jìn)行數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，采用如圖1所示立井井筒瞬變電磁超前探測(cè)技術(shù)測(cè)點(diǎn)布置圖。

圖1 立井井筒超前探測(cè)點(diǎn)布置及探測(cè)方向示意圖

如圖1 （a）所示，探測(cè)時(shí)沿井壁等間距布置若干個(gè)測(cè)點(diǎn)，并布置NS、WE兩條十字交叉測(cè)線，每條測(cè)線上均勻布置N 個(gè)測(cè)點(diǎn)，點(diǎn)距1m。測(cè)點(diǎn)可以根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況進(jìn)行整體或者局部加密，以達(dá)到有效的探測(cè)目的。沿井壁布置的測(cè)點(diǎn)按兩個(gè)方向探測(cè)，如圖1 （b）所示，環(huán)形鉛錘探測(cè)方向，探測(cè)井筒掘進(jìn)正前方的水文地質(zhì)情況；環(huán)形傾斜與鉛錘方向成30°角探測(cè)方向，探測(cè)井筒掘進(jìn)前方外圍一定范圍內(nèi)的水文地質(zhì)情況；十字交叉測(cè)線上的測(cè)點(diǎn)沿鉛錘探測(cè)方向，必要時(shí)通過(guò)調(diào)整天線法向與井筒底板的夾角，可以更加精密探測(cè)井筒底板及井筒周?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)的地下介質(zhì)電性變化情況。

采用上述數(shù)據(jù)采集方式最終形成圓臺(tái)形的三維數(shù)據(jù)體，有利于對(duì)探測(cè)成果的三維顯示。

2 瞬變電磁數(shù)據(jù)三維顯示實(shí)現(xiàn)

2.1 建立三維模型

根據(jù)上述井筒瞬變電磁超前探測(cè)技術(shù)中各測(cè)點(diǎn)的位置及探測(cè)方向，利用Matlab編制程序建立以井筒底部中心為原點(diǎn)，正北方為X 軸正向，正東方為Y 軸正向，鉛直向下為Z 軸正向的三維空間模型，如圖2所示。

采用圖3所示的三維柵格數(shù)據(jù)模型將圖2所示的瞬變電磁三維圓臺(tái)勘探區(qū)域劃分成若干個(gè)單元，該三維柵格數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法簡(jiǎn)單，對(duì)體內(nèi)的不均一性具有很好的表達(dá)能力，疊加分析、緩沖區(qū)分析都很容易實(shí)現(xiàn)。

劃分的若干個(gè)單元空間位置以X，Y，Z 表示，在X 軸上分割成l 個(gè)單元，在Y 軸上分割成m 個(gè)單元，在Z 軸上分割成n 個(gè)單元。研究對(duì)象可用l×m×n 個(gè)單元來(lái)表示，這些單元按照自身空間的位置組合即構(gòu)成研究對(duì)象的三維形態(tài)。

2.2 選取三維插值算法

地質(zhì)問(wèn)題往往涉及的是真三維海量數(shù)據(jù)的空間插值，問(wèn)題可以歸結(jié)為在某個(gè)空間域T （T∈R，R 是三維歐氏空間）內(nèi)有n個(gè)測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量值，需要求出空間域T 中任意一個(gè)點(diǎn)P 的值V。已有的勘探數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)的分布較密，且分布較為均勻，因此選取將二維曲線擬合與Shepard插值方法 （與距離成反比的加權(quán)法）擴(kuò)展到三維空間，衍生出三維空間插值算法，即測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量值與計(jì)算值之間的誤差在最小二乘意義下達(dá)到最小。

設(shè)三維地層空間T 中存在采樣點(diǎn)Pi，其值為Vi，其采樣點(diǎn)的位置坐標(biāo)是 （xi，yi，zi） （i=1，2，3，…，n），為求出T 中網(wǎng)格任意位置點(diǎn)P 屬性值V，可以設(shè)定一個(gè)關(guān)于x，y，z 的三次多項(xiàng)式：

式中：ui（i=1，2，3，…，20）——待定系數(shù)。

通過(guò)選取適當(dāng)?shù)陌淳嚯x加權(quán)的最小二乘函數(shù)，求出系數(shù)ui，即可以通過(guò)式（1）求出該空間內(nèi)任意一點(diǎn)的屬性值。將經(jīng)過(guò)網(wǎng)格分割后的每個(gè)單元所在位置坐標(biāo)（x，y，z）代入式（1），即可得到相應(yīng)的屬性值。這種算法適用于大規(guī)模的散亂數(shù)據(jù)且精度較高、計(jì)算量相對(duì)較小的情況，可顯著提高計(jì)算速度。

2.3 數(shù)據(jù)體三維顯示實(shí)現(xiàn)方法

如圖4所示，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理及時(shí)深轉(zhuǎn)換，然后基于三維柵格數(shù)據(jù)模型進(jìn)行三維空間插值，形成光滑的三維數(shù)據(jù)體，導(dǎo)出Matlab插值后產(chǎn)生的三維數(shù)據(jù)體，利用Voxler軟件進(jìn)行三維顯示，并對(duì)圖像的色彩、光線、視角、透明度等特性進(jìn)行處理，重點(diǎn)突出相對(duì)低阻異常體區(qū)域，達(dá)到最佳的三維顯示效果。

圖4 三維顯示流程圖

3 應(yīng)用實(shí)例

圖5為沿井壁布置的系列測(cè)點(diǎn)視電阻率等值線二維斷面圖 （剖面圖）。瞬變電磁勘探采集的數(shù)據(jù)是一定體積內(nèi)的電阻率的綜合反映，視電阻率等值線二維斷面圖無(wú)法直觀、精確地表達(dá)含水低阻構(gòu)造的空間位置而且降低了數(shù)據(jù)的利用效率。

圖5 視電阻率等值線二維斷面圖 （剖面圖）

視電阻率三維顯示如圖6所示，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了立體插值，使得數(shù)據(jù)利用率得到了極大提高，三維圖直觀、信息量豐富，與真實(shí)地質(zhì)體電性分布情況吻合，能明確劃分出低阻含水構(gòu)造的空間分布范圍。

圖6清晰地表明在X 軸-20～5m，Y 軸20～40m，Z 軸60～110m 所圈定的范圍內(nèi)存在一處相對(duì)低阻異常區(qū)，判斷該區(qū)域?yàn)楹膸r石破碎帶，后經(jīng)打鉆驗(yàn)證，該區(qū)域?yàn)楹牧严镀扑閹В鏊?.1m3／h，物探結(jié)果與實(shí)際揭露情況吻合較好。

圖6 井筒瞬變電磁超前探測(cè)三維圖像顯示

4 結(jié)論

（1）針對(duì)井筒的半空間特性和形態(tài)結(jié)構(gòu)特征所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集方法能滿(mǎn)足立井超前探測(cè)三維顯示數(shù)據(jù)采集技術(shù)的要求。

（2）通過(guò)選擇合適的插值方法，將數(shù)據(jù)體進(jìn)行了三維柵格插值并綜合運(yùn)用matlab 語(yǔ)言編程及Voxler軟件顯示，實(shí)現(xiàn)了探測(cè)成果的三維顯示，提高了數(shù)據(jù)的利用率，增強(qiáng)了探測(cè)成果的顯示效果。

（3）實(shí)例表明，三維顯示技術(shù)更能清晰地展示地質(zhì)異常體的幾何形態(tài)特征及空間分布范圍，方便對(duì)異常體及范圍進(jìn)行圈定，優(yōu)勢(shì)明顯。

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