张淑源，时志浩，周 金

（1.中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院，北京 100083；2.中国中铁二院集团有限责任公司，四川 成都 610031）

在煤矿巷道掘进过程中，巷道迎头致灾水源对煤矿回采安全构成了严重的威胁，且是引发煤矿特大突水的主要原因。目前，多匝小回线装置形式的矿井瞬变电磁法是近年来发展起来的一种新的井下物理探测技术，该技术优势在于体积效应小、井下探测方向性强、仪器分辨率高、特别对充水低阻体敏感、井下施工方便快捷等，近几年已应用于煤层工作面顶底板岩层的富水异常区探测、巷道迎头掘进前方的突、导水构造预测、含水陷落柱探测等问题，并取得了良好的应用效果[1，2]。

1 矿井瞬变电磁

1.1 基本原理

瞬变电磁法或称时间域电磁法(Time domain electromagnetic methods)，简称TEM，它是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法[3]。

矿井瞬变电磁法的基本原理与地面瞬变电磁法的基本原理一致。所不同的是由于矿井瞬变电磁法是在地下几百米深度的矿井巷道中进行的，感应电磁场呈现出全空间响应。因此，矿井瞬变电磁法测量接收线圈接收到的感应信号是来自周围全空间分布的岩石的电性的综合反映。

1.2 井下探测方法

矿井瞬变电磁法受井下巷道空间限制，其发射接收装置的尺寸很小，但因此限制发射天线的尺寸使其大大降低了发射装置的发射磁矩，从而影响了信号强度，导致探测深度达不到实际探测工作的需求。因此，在井下实际探测中须增加发射线圈匝数，从而增大发射天线的的方法来加大发射磁矩与有效接收面积即多匝小回线装置，线圈边长为2m，采用重叠回线装置。

图1 矿井瞬变电磁顶底板探测示意图

工作面顶底板富水性探测中，瞬变电磁测线布置在工作面回风巷、进风巷内，点距10m。为了能更加全方位探测目标体，可以将发射回线和接收回线进行任意方向任意角度旋转[4，5]，如图1所示。

巷道迎头超前探测工作中，可以根据探测任务要求，通过调整线圈法线方向，来获取巷道掘进头前方不同层位上的富水信息。测线布置方式，如图2所示。

图2 矿井瞬变电磁超前探测示意图

2 矿井瞬变电磁三维可视化

矿井瞬变电磁法由于对岩层富水区敏感，探测装置轻便，抗干扰较强，是近年来应用较广的一种地球物理探测方法。但是目前矿井瞬变电磁探测成果处理解释研究还不够完善，常规的数据处理和解释都处于二维阶段，其主要的探测成果解释图件为二维视电阻率等值线断面图，只能展现沿探测方向上的水平面上的地电信息，而对垂直面上的岩层地电信息没能更好的展现，导致了数据的浪费[6,7]。而且成果图直观性和立体感比较差，对于异常区域的划分与位置的判定都有很大的误差，对之后的钻探设计比较困难。对此，基于Voxler软件，结合井下瞬变电磁探测数据，研究井下瞬变电磁探测的三维可视化，可以立体地展示获得的成果图件，从而做出更加准确、合理的异常解释[8]。

Voxler是一款专业的三维可视化软件，界面友好、功能强大、操作性强、简单易学，主要功能有体积渲染、等高线图和三维数据等势面展示等。Voxler软件是在Surfer的基础上研发的三维可视化软件，它保留了Surfer的绘制功能，还可用于绘制三维等值面图、流线图、高程模型图、散点图、体积渲染图以及三维溶解图等。

采用Voxler绘制三维可视化图步骤主要包括数据整理输入、数据处理和图形输出三个步骤。数据输入之前需要将瞬变电磁探测数据反演后导出的文件（.dat）进行整理，将其转化为三维空间数据体，即数据体的组成为x、y、z三列空间坐标信息和一列电阻率信息[9,10]。Voxler能识别多种数据格式，以dat格式为例，运行Voxler，将数据文件导入Network管理窗口，完成数据输入。采用Computational（计算模块）中的Gridder（网格化模型）模块，选择插值方法（Inverse Distance）对数据体进行网格化插值计算，将空间分布不均匀的离散数据进行插补，生成空间分布规则的三维网格状数据矩阵.将数据网格化之后，在Gridder模块中，右键选择Graphics Outout（图形输出模块）中的Axes（轴线）、BoundingBox（边界框）、Isosurface（等值面）、VolRender（体积渲染）等子模型对数据进行三维成像。

Voxler视图软件可以对绘制的成果图进行任意角度的旋转，以满足从最佳角度来观测探测方向上的异常体形态、大小以及相对位置，可以直观的、立体的观察探测区域的富水情况，相比较常规的二维视电阻率断面图效果更佳，与实际地质情况更为接近，同时，也提高了矿井瞬变电磁法探测的资料解释精度。

3 工程应用

利用瞬变电磁法对山东某煤矿8301工作面顶板进行富水性探测和-980边界回风下山迎头进行超前探测，且基于Voxler软件，进行矿井三维可视化研究。

3.1 工作面顶板富水性探测

8301综放工作面开采煤层为3（3下）煤，煤层稳定，煤层厚度4.2m～10.0m，平均煤厚9.06m，煤层倾角0°～11°，平均5°；煤层基本顶为中砂岩，老顶为细砂岩、泥岩和粉砂岩；直接底为粉砂岩，老底为细砂岩和砂质泥岩。

探测使用澳大利亚产Terra-TEM型瞬变电磁仪，采用发射线圈和接收线圈边长为2m*2m，重叠回线装置。根据工作面采掘条件，为了更为全面探测煤层顶板上方岩层富水性，在该工作面上平巷与下平巷两条巷道分别布置测线，每个测点点距10m，每个巷道设计4个探测方向，分别为90°、60°、30°和15°，以此探测顶板岩层富水性情况。

井下探测得到的瞬变电磁数据经过反演软件处理，得到不同探测方向不同深度各点的视电阻值。将上平巷和下平巷各四个方向上的数据整理，即将原二维坐标数据转换成三维坐标，其中X方向表示沿巷道测线方向长度，Y方向为探测深度，Z方向为上平巷与下平巷距离，即工作面宽度。将数据整理成三维成像的散点数据，然后使用Voxler软件进行三维可视化实现。如图3所示，为矿井瞬变电磁工作面顶板异常体三维等值面图，从图中可以很明显看出，在上平巷桩号120m～180m位置，探测深度在20m～40m范围内存在明显的低阻异常；在下平巷桩号20m～50m位置，探测深度50m～60m范围内，存在一相对低阻区，而在桩号190m～240m，探测深度50m～80m范围内，存在一明显的低阻异常体，且范围较大。

经过后期打钻验证，其实际工作面顶板富水情况和矿井瞬变电磁探测成果基本一致。

图3 工作面顶板异常体三维等值面图

3.2 巷道迎头超前探测

-980边界回风下山迎头掘进的直接充水水含水层是3煤层的顶板砂岩含水层和太原组“三灰”含水层。迎头掘进区域3煤直接顶粉砂岩、细砂岩和泥岩；煤层底板为粉砂岩、细砂岩和泥岩。巷道掘进前方216m巷道将穿煤层掘进90m，至XF35断层附近，掘进过程中主要受3煤顶底板砂岩含水层影响，将以顶板淋水的形式通过锚杆、锚索眼进入巷道，因此，3砂成为巷道充水的最直接充水水源。

探测使用澳大利亚产Terra-TEM型瞬变电磁仪，采用发射线圈和接收线圈边长为2m*2m，重叠回线装置。根据实际采掘条件，在回风巷下山迎头布置5个超前探测方向（仰角45°方向、仰角30°方向、顺层方向、俯角30°方向、俯角45°方向），基本上全部覆盖巷道空间顶底板岩层，如图4所示，以此来控制迎头附近含水层位置及含水情况。

图4 掘进面超前探测数据点分布图

图5 超前探测异常体三维等值面图

井下探测得到的瞬变电磁数据经过处理得到不同探测方向不同深度各点的视电阻值，转换坐标，将数据整理成三维成像的三点数据，然后使用Voxler软件进行可视化实现。如图5所示，其中X方向表示垂直巷道轴线水平方向上的距离。Y方向为探测深度，Z方向为对应巷道顶底板距离，（0，0，0）坐标处为迎头位置，从图中可以明显看出主要存在3块较大的异常体。异常区域在迎头左侧俯角30°断面内，探测深度50m～120m范围内，该异常区域在水平面与超前探测方向上延伸较大，根据地质资料，前方XF35断层穿过该低阻区，可以判断该低阻区域通过XF35断层与三砂含水层贯通。而在迎头右侧探测60°方向和30°方向，探测深度80m～120m范围内上分别存在两个较小的异常体。

根据矿井瞬变电磁探测成果，在巷道迎头左侧帮俯角30°断面，巷道轴线左偏35°布置钻孔进行钻探验证，其探测成果与钻孔揭露的实际地质情况相吻合。

4 结论

（1）应用矿井瞬变电磁法不仅可以对煤矿掘进头前方含水区域超前探测、采掘工作面顶底板富水区探测有着良好的效果，而且还可以探测迎头前方导水断层破碎带、裂隙发育区、陷落柱等构造的赋水性，保障了巷道的安全、快速掘进，并对富水性程度进行定性评价，从而指导矿方有针对性的打钻放水，为工作面安全回采提供有力保障。

（2）Voxler软件为矿井瞬变电磁探测三维可视化提供了良好的平台，其强大的网格化和显示功能能直观展现目标异常体的走向、空间位置和展布特征，增强对探测成果的三维显示效果，避免了常规二维断面解释对异常体分布分析不足的弊端，方便对异常体的准确圈定，优势明显。

目前三维可视化技术正处于不断发展之中，本文仅仅对电法数据体的三维可视化做了初步尝试。随着地质解释工作要求的不断提高，对于异常体更为精细的三维刻画将成为趋势。