CN113341467A - 基于多插值方法的矿井瞬变电磁三维显示方法 - Google Patents

Abstract

瞬变电磁探测技术是一种广泛应用于矿井水患排查的技术手段，目前矿井瞬变电磁探测显示二维显示为主，二维显示对异常区的显示不够形象直观，难以准确表达探测数据信息。本项目通过利用多种插值方法的手段将工作面瞬变电磁探测数据进行网格化，从而达到了从三维方向对探测数据做切片以及定量分低阻高阻区域的功能，解决了瞬变电磁二维显示的弊病，确保了矿井水患探测数据的准确性。

Description

基于多插值方法的矿井瞬变电磁三维显示方法

技术领域

本发明涉及一种近几年发展起来的一种物探技术，尤其涉及一种基于多插值方法的矿井瞬变电磁三维显示方法。

背景技术

矿井瞬变电磁技术作为近几年来发展起来的一种物探技术，具有施工相对来说方便快捷、体积效应小、探测方向性好、探测距离大、对含水低阻体敏感等优点,在近几年对各大煤矿的超前探测中，对巷道掘进前方是否隐伏含水体以及是否隐伏断层、陷落柱等构造的超前探测中取得了非常良好的应用效果。

目前应用于矿井的瞬变电磁主要可以根据探测方式的不同分为巷道迎头超前探测和工作面探测两种。由于巷道迎头相对于探测范围狭小，巷道迎头超前探测在空间内的范围接近于以巷道中心为球心的一部分。而工作面探测的数据空间分布则相当于以工作面做中心线的的圆柱体的一部分。由此可见不论是巷道迎头超前探测还是工作面探测，两种探测数据在空间内都是以一种立体的的形式分布的。矿井瞬变电磁法传统的矩形成图方法使探测区域深部压缩、浅部拉伸，导致异常区域产生变形，并且矩形成图采用相对距离，给异常区域位置的确定带来较大的误差，这些都给资料解释带来了一定的难度。目前扇形成图方法是一种广泛使用的成图方法，在这种成图方法中中，其横坐标为以巷道中点为中心点向两侧伸展到巷道的实际宽度，纵坐标为相对于巷道迎头的实际探测距离，各测点测量的不同深度的视电阻率值分布在实际平面位置，将视电阻率等值线图绘制成扇形，与实际探测区域基本吻合，能够更加直观地反映异常区域的位置，从而提高矿井瞬变电磁法超前探测资料的解释精度，为矿方工作人员提供更加清楚易懂的资料。但是，地下是全空间的，用电磁法探测到的信息是整个立体空间中的介质的综合影响。而且巷道迎头超前探测所形成的面往往是曲面而不是平面。即便是工作面顶底板探测当中数据在垂直方向上也是具有相关性的。所以数据资料的二维成图显示难以描述三

维空间的地质信息。二维数据显示不太直观、形象，绘制出来的图像不够精细、准确，不能完全反映地质构造的真实形态。三维显示比较直观、真实、形象，更加接近于数据体在空间内的真实分布情况，在对数据进行分析时，三维显示相对于二维显示有无可争辩的优势，由此可见三维显示将会越来越多的被应用于地学当中。

目前广大学者研究最广泛的是二维视电阻率断等值线图解释法,由于通常此法利用的是使用surfer软件所得到的二维切片图,这种切片图相当于对三维探测体的一个切片，相对于作为一个整体的三维物体信息并不全面，所以在这种情况下对其进行解释时难以在三维空间对异常特征进行全面分析。在电磁资料解释方面，国外一

些文献报道了用反射地震勘探理论和成像技术进行电磁波偏移成像的研究，由于电磁波与地震波的相似性，借助于常规地震中的某些理论，

Kunetz(1972)首先研究了均匀层状介质中弹性波传播方程与电流场扩散方程之间的数学表达式的对应关系。Levy(1985)在此基础上根据弹性波与大地电磁场之间的类比性,获得了与反射地震类似的拟反射函数的脉冲响应时间断面图，将大地电磁资料用线性规划技术对一维和简单的二维地电断面进行了成像计算，并推导了直流问题的拟脉冲响应函数。

80年代初，国外学者Kjahos提出了电磁波拟地震波的偏移方法，他吸取了“偏移成像”的广义概念，在电磁法中确立了正则偏移和解析延拓偏移两种方法，1987年Lee等人根据电磁波与地震波波动方程式之间的类比性，利用Claerbout单程有限差分波动方程将观测数据向下延拓，实现了对MT资料的偏移。1989年Sasaki对大地电磁深度偏移方法做了进一步讨论，提出了在二维结构情况下，在波数域中对大地电磁场进行延拓并引入了地震偏移中的相移插值(PSPI)法。Adrianus(1996)研究认为瞬变电磁法与反射地震勘探具有相似性原理。StrackandVozoff(1996)利用地震的解释技术对长偏移距瞬变电磁资料进行了数据处理。M.Gershenson(1997)提出用波的扩散传播特解释时域电磁测深资料。NielsBoieChristensend(2002)提出了一种快速的拟BORN瞬变电磁偏移成像。近年来，Zhdanov等人经过十余年来的系统专门研究，借鉴了地震勘探中的逆时偏移概念，对时间域的瞬变电磁场等和频率域的大地电磁场进行了逆时偏移成像的深入研究，提出了偏移电磁场的概念,并且建立在逆时偏移电磁场基础上对二、三维反演问题也展开了最新的研究。

航空电磁法首先在加拿大试验成功，但是多年来经历了不同的发展时期。早年经历了固定翼飞机硬架式发射到直升机大间距双吊舱系统的发展。随后，系统品种增多,技术不断改进。随着电子技术的发展，航电技术的进一步完善，航空电磁系统朝着多线圈、多频率、高分辨率的直升机系统或者朝着大穿透深度、时间域、固定翼飞机系统的方向发展。近几年，实现了多分量测量,并选择合适的脉冲宽度和脉冲频率,以期在导电地层中有更大的有效穿透深度或者获得更高的分辨率。近期，时间域航空电磁法逐步引起了科研工作者的重视。最近，AEM在测量系统、数据处理和数据解释技术方面都有了新的发展，并且应用领域也在不断发生着变化，尤其是欧美、加拿大、澳大利亚等国将AEM广泛用于环境，土壤土质等领域。澳大利亚从仪器以及数据解释方面做了详细的研究，并且近年也将航空电磁大规模用于地下水勘查和环境污染监测等方面。国内，对瞬变电磁法的研究始于20世纪70年代，较早开展这项工作的有朴化荣、曾孝箴、王延良等人。朴化荣、殷长春等用G-S变换法实现了电性源瞬变电磁测深的正演计算。方文藻等用线性数字滤波技术实现了大回线源瞬变电磁测深的正演计算。随后，许多学者在瞬变电磁二维和三维正、反演成像方面进行了一些有益的研究和探索，

如华军等应用有限元法导出了中心回线装置瞬变电磁法2.5维算法。杨长福等据烟圈理论，提出了三维瞬变电磁近似反演方法。陈明生和闫述直接在时间域对阶跃脉冲激发的二维瞬态电磁场进行了数值分析。谭捍东等利用时域有限差分法实现了偶极子场的三维正演。殷长春等在瞬变电磁法三维问题正演方面也做了大量研究。近年，李桐林、翁爱华等在电磁正反演方面做了很多基础工作。邓晓红，魏文博等在瞬变电磁三维正反演方面也做了一些工作。在电磁成像理论方面，王家映教授根据电磁波在导电介质和地震波在弹性介质中传播的相似性及其反射函数表达式之间的一致性，在国内率先提出了对大地电磁资料进行拟地震解释的方法和思路。陈本池、李金铭等利用奇异值分解实现瞬变电磁波场变换，利用有限差分进行二维瞬变电磁拟地震成像解释。刘继东对拟地震解释中的反射参数求取做了一定研究。

中国矿业大学刘志新进行了扇形探测技术在超前探测中的应用研究。李貅对瞬变电磁时间信号进行了分段处理，结合正则化算法分段实现了瞬变电磁波场变换，利用kirchhoff积分实现了瞬变电磁三维延拓成像。郭文波、薛国强等基于中心回线装置观测成果与MT成果的一致性，借助大地电磁拟地震解释，进行了TEM拟地震成像解释。中南大学杨晓弘以及吉林大学唐君辉等进行了大地电磁测深拟地震时间剖面解释法研究。。瞬变电磁成像理论在前人学者的努力下有了进一步的完善，并成为瞬变电磁解释技术的主要发展方向。

发明内容

瞬变电磁探测技术是一种广泛应用于矿井水患排查的技术手段，目前矿井瞬变电磁探测显示二维显示为主，二维显示对异常区的显示不够形象直观，难以准确表达探测数据信息。本项目通过利用多种插值方法的手段将工作面瞬变电磁探测数据进行网格化，从而达到了从三维方向对探测数据做切片以及定量分低阻高阻区域的功能，解决了瞬变电磁二维显示的弊病，确保了矿井水患探测数据的准确性。

附图说明

图1是本发明中的底板探测方向布置示意图

图2是本发明中的底板探测方向布置示意图

图3是本发明中的底板探测数据平面分布图

图4是本发明中的顶板探测数据平面分布图

图5是本发明中的矿井瞬变电磁法探测方向示意图

图6是本发明中的工作面顶底板视电阻率等值线图

图7是本发明中的最邻近点插值示意图

图8是本发明中的原始数据和最邻近点插值视电阻率曲线对比

图9是本发明中的线性插值示意图

图10是本发明中的原始数据和线性插值视电阻率曲线对比

图11是本发明中的原始数据和三次样条插值视电阻率曲线对比

图12是本发明中的瞬变电磁探测的邻域搜索技术图示

图13是本发明中的瞬变电磁探测优化搜索技术图示

图14是本发明中的3下1007工作面切眼探测面外欢城断层水平角度富水性视电阻率平面 示意图

图15是本发明中的3下1007工作面切眼探测面外欢城断层底板角度富水性视电阻率平面 示意图

图16是本发明中的3下1007工作面切眼探测面外欢城断层视电阻率散点图

图17是本发明中的3下1007工作面切眼探测面外欢城断层视电阻率插值后散点图

图18是本发明中的3下1007工作面切眼探测面外欢城断层视电阻率三维立体图

图19是本发明中的3下1007工作面切眼探测面外欢城断层视电阻率插值后三维立体图

图20是本发明中的3下1007工作面切眼探测面外欢城断层视电阻率切片图

图21是本发明中3下1007工作面切眼探测面外欢城断层视电阻率等值包络图。

具体实施方式

矿井瞬变电磁法施工方法技术

3.3.1工作面底板探测方法技术空间数据体分布在进行底板探测时，测点布置在两侧巷道 内，根据具体地质任务及探测深度要求，在每个测点上调整探测方向，达到对工作面底板的 全覆盖。由于受巷道几何空间的限制，矿井瞬变电磁法的发射和接收线圈的几何尺寸受到的 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2～3m。在实际工作 过程中对于图中的每个发射点，根据煤层倾角变化情况调整天线的法线与巷道底板的夹角大 小，以探测巷道顶板、顺层和底板方向的围岩变化情况，即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。将探测数据放入三维空间，假设沿巷道长度为1000米，工作 面宽度为200米，故设置运输巷道和回风巷道所在空间为1000m*300m*-200m的正方体,运 输巷道由(50，0,-50)到(50,1000,50)之间，回风巷道在(250,0，-50)到(250,1000，- 50)之间，进行处理后数据测点在空间的分布情况。工作面顶板探测方法技术空间数据体分 布顶板探测和底板探测探测形式类似，在进行顶板探测时，测点布置在两侧巷道内，根据具 体地质任务及探测深度要求，在每个测点上调整探测方向，达到对工作面顶板的全覆盖。由 于受巷道几何空间的限制，矿井瞬变电磁法的发射和接收线圈的几何尺寸受到的一定的制 约，只能采用多匝小回线的发射和接收装置形式，即边长为2～3m。根据煤层倾角变化情 况调整天线的法线与巷道底板的夹角大小，以探测巷道顶板、顺层和底板方向的围岩变化情 况，即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。设置巷道迎头向后20 米处为坐标原点，为巷道迎头设置为3m×15m×3m的正方体。3.3.3矿井瞬变电磁法全空间探测由于矿井瞬变电磁法探测施工环境与地面差别很大，不能选择大回线 组合(一般边长在100m左右)在井下测量，只能采用边长在2m左右的小回线组合测量。为了保证有足够强的有效感应信号，采用多杂数的小回线组合测量。根据地质任务不同，目前矿井瞬变电磁法主要用于巷道掘进迎头超前探测及采煤工作面顶底板探测。超前探测主要 为了查明巷道掘进迎头前方不同空间方位及不同形态的含水构造，顶底板探测主要是查明工 作面顶、底板在采动影响范围是否存在隐伏的导含水构造或导水通道，并圈定其具体影响范 围，为煤矿防治水工作提供物探技术资料。巷道空间的存在使接收到的感应信号值减小，而 巷道空间内的金属体(工字钢、锚网和铁轨等)由于所产生涡旋电流的影响，使接收到的感 应信号值增大。接收到探测目标体感应信号的强弱不仅受巷道空间及金属体的影响，还与天 线装置在巷道内的位置及探测方向有关。当探测目标体位于巷道顶板以上，同时巷道内有锚 网支护底板上有铁轨时，发射接收天线装置应位于巷道顶板附近，使天线的法线方向指向探 测目标体所在位置。如果探测的主要地质任务是煤层工作面顶板上的电性变化发问，使天线 尽量靠近巷道顶板，同时与顶板保持一个夹角，其角度的大小由采煤工作面的宽度决定，这 样所接收的信号主要是工作面煤层顶板在探测范围内地层介质的综合响应。如果探测的主要 地质目标体位于工作面煤层，使发射接收天线装置垂直巷道底板，并且靠近探测目标体所在 巷道一侧，这样能减小巷道空间对感应信号值的影响，同时能接收到地质目标体所产生的最 大感应信号。如果不知探测地质目标体的具体位置，在巷道空间内应采取全方位立体探测的 方法，矿井瞬变电磁法成果显示方式因为工作面顶板和底板的探测方式一致，其操作和数据 处理方法相同，在对工作面探测数据瞬变电磁法的资料解释步骤是首先对采集到的数据进行 去噪处理，根据晚期场或全期场公式将仪器测量的电流归一化值转换成不同时间窗口对应的 视电阻率值，然后进行时深转换处理，工作面探测的电阻率断面图。工作面探测往往煤10 米设置一个探测点，由于探测距离长，不能像巷道迎头超前探测那样达到一个比较良好的探 测环境，工作面附近可能有大量杂铁、发电机、水泵、躲避硐的存在，而且由于工作面长度 较长还会存在支护方式的改变。由于这种金属体对于探测结果的影响非常严重，所以在进行 工作面探测时要求我们严格进行探测记录，以防止干扰影响探测结果由图中可以看到，探测 区域在工作面标注的20米、70米到110米以及120米处有明显的低阻异常，并且在探 测记录当中并没有出现工作面附近有金属杂物的干扰属于比较良好的探测环境，这些测点的 探测环境没有对探测结果的解释有焦大影响，从而可以得到20米、70米到110米以及 120米处可能赋存有水的结论。最邻近点插值最邻近点插值是一种非常简单的插值方法，主 要使用的是几何方法对待插值点进行插值，待插值点会对周围的样本点进行搜索，寻找最近 的样本点，二维或高维情形的最邻近插值，与被插值点最邻近的节点的函数值即为所求。蓝 色点代表待插值点，在附近存在四个样本点 (x₁，y₂)，(x₂，y₂)，(x₁，y₁)，(x₂，y₁)。从图中可以明显判断出(x₂，y₂)距离待插值点最近，当我 们使用最临近点插值时，便会将(x₂，y₂)|的属性值赋值给待插值点。即当x已知时，找到 x_nearest，则：y＝y_nearest线性插值是拉格朗日插值一种特殊类型。

线性插值是拉格朗日插值一种特殊类型。设已知x₀，x₁，…，x_n以及y_i＝f(x_i)(i＝0，1…，n)，L_n(x)为不超过n次的多项式，利用拉格朗日基函数式

得到拉格朗日插值多项式

一般

当n＝1时，拉格朗日插值便变为

情况下，多项式的次数越多，需要的数据就越多，而预测也就越准确。然而有的情况下，并 非取节点数目选择的越多，得到的多项式就越精确。在选取拉格朗日插值并且选择高次多项 式，并使用多节点时，会出现龙格现象，在两个端点处发生剧烈的波动，造成较大的误差。 以另一种方式对线性插值进行解读，假设我们已知坐标(x₀，y₀)与(x₁，y₁)，要得到[x₀，x₁]，区间内 某一位置x在直线上的y值。图9线性插值示意图根据图中所示，假设AB上有一点 (x，y)，可得到和两个三角形一样类似情况，我们得到

假设方程两边的 值为α，那么我们就可以得到该插值系数，即从x0到x的距离与从x0到x1距离的比值。由于x值已知，所以可以从上述语言的表达式形式得到α的值 α＝(x-x₀)/(x₁-x₀)同样，αα＝(y-y₀)/(y₁-y₀)这样，在代数上 就可以表示成为：y＝(1-α)×y₀+α×y₁或者 y＝y₀+α×(y₁-y₀)这样通过α就可以得到我们想要的估计值y。实际上，即 使x不在x到x1之间并且α也不是介于0到1之间，这个公式也是成立的。但是这 种情况下，我们把这种方法称为线性外插，但是在使用MATLAB插值时，外插会返回大量 的数据空值，无法得到我们预期的目的，所以在论文中我也并没有考虑外插这种情况。已知 y求x的过程与以上过程相同，只是x与y要进行交换。双线性插值也可以被称为双线 性内插。在数学上，双线性插值是有两个变量的插值函数的线性插值扩展，其核心思想是在 两个方向分别进行一次线性插值。假如我们想得到未知函数f在(x，y)这个点的值，假设 我们已知函数f在

(x₁，y₁)、Q12＝(x₁，y₂)，Q21＝(x₂，y₁)以及Q22＝(x₂，y₂)

四个点的值。首先在x方向进行线性插值，然后在y方向进行线性插值。与这种插值方法 名称不同的是，这种插值方法并不是线性的，而是是两个线性函数的乘积。线性插值的结果 与插值的顺序无关。首先进行y方向的插值，然后进行x方向的插值，所得到的结果是一 样的，这种情况比较难以实现。4.3三次样条插值样条(spline)在英文中的含义是指富有弹 性的细长木条。不难以理解，样条曲线是指工程师们在绘图的时候，用压铁将样条压在样点 上，其他地方让他地方让他以一定弧度自由弯曲所得到的长曲线。在数学上，光滑程度的定 量描述是：函数(曲线)的k阶导数存在并且连续，则可以说该曲线是k阶光滑的。光滑性 的阶次越高，则越光滑。三次样条插值是运用在较低次的情况下分段多项式达到较高阶光滑 性的一种插值方法。样条函数的真是数学含义是由一段一段的按照某种光滑性条件分段拼接 起来的多项式拼接起来的的函数。最常用的样条函数三次样条函数是将一些三次多项式拼接 在一起，使得所得到的样条函数处在三次连续而且可导。假设已知x₀＜x₁＜…＜x_n以及y_i＝f(x_i)(i＝0，1，…n)，插值函数S(x)在每个小 区间[x_i-1，x_i]上是不超过三次的多项式而且具有二阶连续导数，则称S(X)三次样条 插值函数三次样条插值函数应满足以下条件：(1)插值条件：

S(x_i)＝y_i(i＝0，1，…n)；

(2)连接条件：

由上述公式可以看出，S x含有4n个位置参数，然而由三次样条插值的条件公式中，我们 共可以分别从插值条件和连接条件中得到n+1个和3n-1个约束条件，总共含有4n-2 个约束条件，比待定参数的个数4n小2个约束。所以我们无法直接根据插值条件和连接 条件得到三次样条插值的解。为了解决这一问题，可以根据实际的需要，人为地添加两个边 界条件。常用的边界条件有下列四类：

(1)一阶导数：S′(x₀)＝y′₀，S′(x_n)＝y′_n；

(2)二阶导数：S″(x₀)＝y″₀，S″(x_n)＝y″_n；

(3)周期样条：S′(x₀)＝S′(x_n)，S″(x₀)＝S″(x_n)；

(4)非扭结：最开始的前两段多项式三次项系数相同，最后结束的后二段多项式三次项系 数相同，这就是非扭结边界条件。样条插值的目标就是寻找一表面s(t)，使它达到最优平滑 原则，话句话说，利用样本点拟合光滑曲线，使其表面曲率最小。相当于扭曲一个橡皮，使 它通过所有样点，同时曲率最小。样条函数是灵活曲线规的数学等式，为分段函数，一次拟 合只有少数数据点配准，同时保证曲线段的连接处为平滑连续曲线。这就要求样条函数可以 达到修改曲线的某一段而没有必要重新计算整条曲线，这种情况下插值速度既要快；又可以 保证一些细小的地物特征，达到视觉上的光滑连续的效果。原始数据和三次样条插值视电阻 率曲线对比反距离加权插值即IDW(Inverse Distance Weight)，也可以称为距离倒数乘方法。 是指距离倒数乘方格网化方法是一个加权平均插值法，可以进行确切的或者圆滑的方式插 值。方次参数控制着权系数如何随着离开一个格网结点距离的增加而下降。对于一个较大的 方次，较近的数据点被给定一个较高的权重份额，对于一个较小的方次，权重比较均匀地分 配给各数据点。计算一个格网结点时给予一个特定数据点的权值与指定方次的从结点到观测 点的该结点被赋予距离倒数成比例。当计算一个格网结点时，配给的权重是一个分数，所有 权重的总和等于1.0。这就是一个准确插值。设空间待插值点为A点，已有散乱点a、b、 c、d、e、f点，其属性值为Za、Zb、Zc、Zd、Ze、Zf距A点的距离分别为r Aa、r Ab、r Ac、r Ad、r Ae、r Af。根据反距离加权插值定义，则对A点属性值插值计算公 式即为

数据点搜 索算法

5.1遍迹搜索算法空间插值中传统的邻域搜索技术是将数据所在的空间进行细化分，在每一 个划分后的小空间里找到测量数值，统计每个小空间里的每个测量值。并以一个统计后的数 值代替之前的多个数值。但是由于瞬变电磁探测数据在探测区域的远区过于稀疏，这种搜索 方法在瞬变电磁三维插值的使用中不适用。于是采用了一种更为有效的三维邻域搜索方法， 在这种搜索方法中，我们将原始数据和网格化后每个点的数据进行双重循环，对每一个待插 值的网格化的点寻找最为邻近的六组数据，在使用距离反比法将样本点插值到网格点上。

5.2优化搜索算法遍迹搜索算法是一种简单的邻点搜索方法，是通过对所有数据点于待插值 点进行对比计算来挑选最邻近点的计算方法。该算法的优点是搜索精度高，不存在误差，缺 点是运算次数高，运算速度慢，对计算机负担大。为提高邻域搜索运算，从而提升数据处理 速度，现根据瞬变电磁探测数据特点对遍迹搜索算法进行优化。瞬变电磁探测优化搜索技术 图示瞬变电磁探测数据分布特点：在对工作面进行瞬变电磁进行探测设计时，一条测线通常 是延一条直线巷道布置，上下全空间探测工作面顶底板及面内富水性。该种探测模式形成的 数据体，类似于扇形柱体。所以我们在设计数据点搜索方法时根据该特点进行优化。首先需 要用到第四章中的插值手段对不规则数据进行整理，得到每个测点测向上的均匀数据，即以 1m为间隔的数据点。这样我们就得到一个等道间距、单个测向上的等数据点距、等角距数 据。第二步判断网格点与插值整理后的数据点空间位置关系。如果网格点数据在探测区域以 外，则给其赋空值。如果网格点与数据点重合，则直接将数据点值赋给网格点。如果网格点 在探测区域内但是不与数据点重合，则利用反距离加权插值手段给于插值。第三步利用优化 搜索算法选取插值样本点。插值样本点应当考虑与待插值点之间的关系，所以应当邻近待插 值点。由数据点测深为j，角度为i、测道位置k组成的空间范围内存在一个待插值网格点 n，可将其表示为n(i,j,k)。查找该点最邻近测向角度(R,R+1)、整数点测深数值(J,J+1)、 测道位置(K,K+1)。则可以得到八个邻近插值样本点。6 6瞬变电磁数据处理三维显示分析 软件本系统的设计是为了适应煤矿现代化生产、建设的需要，目的在于实现岩移数据处理自 动化，提高数据处理速度及精度。瞬变电磁三维显示主控模块当程序运行到主控模块时，可 以见到在主控模块上有“散点数据成像模块”、“三维数据体成像模块”、“空间插值及等值体 提取模块”等三个主要模块，可以单击某项按钮，则程序就进入该模块。使用时应遵先后顺 序逐次进入模块。6.2散点数据成像模块瞬变电磁三维显示散点数据成像模块根据时深转化 公式可知，二次场的扩散深度与时间成正比、与途径视电阻率成反比(见公式3-1-6)。不 同测点探测区域视电阻率大小不同，造成测点探测深度不同。因此，一次探测工程中所有点 的测深往往不同，有时不同点的测深相差很大。大于有效测深(约120m)数据往往不具备 参考价值，所以在进行数据散点分析时，要对数据点使用差值方法进行“截茬”。本模块具 有分别原始数据点及插值“截茬”后数据点的对比显示功能。以便供数据解释人员进行对比 分析数据点视电阻率大小的功能。瞬变电磁三维显示三维数据体成像模块矿井工作面瞬变电 磁探测在运输巷、材料巷两巷进行。设备线圈沿巷道布置，线圈上下浮动位置相对于探测有 效距离(30m-120m)可忽略不计。则一条测线数据经插值处理后，可理想的视为以巷道为 中心的扇形体进行再插值成图。本模块以散点图成像模块插值数据为基础，因此在使用本模 块前应先使用模块一对散点数据进行插值截茬，功能一是利用原始数据进行空间插值后直接 形成探测区域低阻异常三维空间图；功能二是利用插值截茬后的散点数据进行优化搜索方法 进行网格化，再利用网格化数据进行空间插值形成的低阻异常三维空间图。两个功能用于对 比分析。6.4空间切片及低阻等值体提取模块瞬变电磁三维显示空间切片及等值体提取成像 模块该模块是在数据插值及网格化的基础上完成的，因此在进行该模块的使用前需依次进行 前两个模块内容操作。该模块包含两个主要功能，功能一是对模块二中保存的数据进行利 用，对三维数据体进行X-Y-Z坐标方向上的切片；功能二是对综合分析探测数据体的视电 阻率分布特征，分离提取标定数值以下的视电阻率，并予以三维显示。7 7对欢城断层突 水危险的瞬变电磁验证7.1欢城断层简介该断层位于东部边界，区内延展约9.8Km，走向 近南北，倾向近西，倾角70°，落差65～260m，该断层落差北大南小。井田内有F4-3、 66-23、F8-3、F10-12、F12-6、F14-5、水06-1钻孔揭露，F15-6、F15-7、F13-2、F11-3、 F9-3、66-13、F8-2、64-54、F7-11、F7-3、08-1、66-35等孔控制，断层南端三维物探控 制，断层北部东八采区二维物探控制，属查明断层。欢城断层产状断层名称产状落差(m)区 内延展长度(km)控制程度备注走向查明井田东部边界，纵贯全区，落差北大南小。欢城断层 总体两级切割地层，为正断层，付村位于断层上盘，在东十采区内，欢城断层1级落差 80～100m，2级落差120～160m，两级断层共抬升地层约260m，1级和2级断层平均间距 110m。由于欢城断层的抬升作用，使得付村井田内3号煤层与奥灰含水层距离缩小甚至对 接。

因欢城断层落差较大，造成三煤层与奥灰水对口接触可能性较大，现在 3下 1007工作面切眼施工一组探面外欢城断层富水情况瞬变电磁测线。测线长170m，每 10m 一个测点，每个测点包含探测水平方向测角及水平下 45°测角两个方向。拟安排技术人员 7 人，观测、主机操作、电源控制人员 3 名，发射线圈摆放2 名，发射线圈摆放 2 名；使用仪器设备一套（PROTEM-47 瞬变电磁仪及配套设备）。设计测线一条，沿 3 下 1007 工作面切眼布置，测线全长 170m，测间距 10m，共 17 个测点。每个测点探测三个测向，分别为水平上45°方向、水平方向、水平下 45°方向。

7.3 施工成果与结论为更好的对比分析二维与三维显示技术的优缺点，在展示施工成果时同时利用了两种显示方法进行比较分析。作为对比分析的二维显示软件为目前国内瞬变电磁探测常用显示软件 surfer。7.3.1 二维空间显示技术现将探测数据进行反演解析，在剔除对数据分析造成干扰的突变点后利用surf 二软件对探测数据进行成像，获得3 下 1007 切眼探面外欢城断层视电阻率剖面图（不同的色调表示不同的视电阻率值，并且遵循色调从冷色调到暖色调表示视电阻率值不断升高的规律）。绪论7.3.2 三维空间显示技术散点图是指在数据点在三维直角坐标系上的分布图，在二维平面散点图矩阵中虽然可以同时观察多个变量间的联系，但是两两进行平面散点图的观察的，有可能漏掉一些重要的信息。三维散点图就是在由 3 个变量确定的三维空间中研究变量之间的关系，由于同时考虑了 3 个变量，常常可以发现在两维图形中发现不了的信息。

根据第三章第一节中时深转换公式可知，探测深度与探测目标区域视电阻率值有关，这就导致了每个单个测点的测深都不相同。目前国内外矿井用瞬变电磁探测设备有效测距在 100m 至 150m 之间。大于该值的探测数据大部分无效，不能反映真实情况，因此此处应根据实际有效测深对探测数据进行截长补短，即进行插值。3 下 1007 工作面切眼探测面外欢城断层视电阻率插值后散点图1 绪论根据散点数据进行整合成图可以直接得到一份探测区域视电阻率三维视图。和散点图一样，三维视图中每个测点测深不同，导致了三维视图不规则的形状，需要通过插值进行整理。绪论切片图是在地球物理解释中一种对网格数据的显示方法，在这种方法中，沿某一方向上的坐标被固定保持不变，从而得到该坐标的切面。欢城断层视电阻率切片图根据视电阻率三维立体图结果可知，探测区域低阻异常区域主要集中在切眼外 80m 以外区域，因此在对探测数据切片时应当以该区域为主，并从三个方向上综合分析低阻异常分布特征。1 绪论在波的传播过程中，总可以找到同相位各点的几何位置，这些点的轨迹是一个等相位面，叫做包络面。在绘图工作中，包络面的含义得到引申，可表示为具有共同属性值的数据点所组成的面。在瞬变电磁显示中，我们经常需要用到将某个电阻率值以下的数据视为低阻异常区域，即可疑富水区域。在引入包络面这个概念后，可以对低阻异常进行单独剥离分析。当探测区域视电阻率值高于 1Ω.m 时未存在富水情况。本次瞬变电磁探测环境与以往探测环境一致，因此在此次探测数据分析时，视电阻率高于 1Ω.m 区域富水可能性不大，应当重点分析视电阻率低于 1Ω.m 区域，将其视为低阻异常区域。为对比低阻异常空间位置，现除低阻等值包络面面，还引入 2Ω.m 等值包络面进行分析。与 1Ω.m 等值包络面相比，2Ω.m 等值包络面更靠近切眼.现综合分析散点分布图、三维立体图、多方向切片图以及等值包络图。先根据散点分布图以及三维立体图可大致判断，本次探测区域存在低阻异常区域，且异常区主要集中在探测远区，异常区分布范围较大。在三维立体图中进行观察，可发现低阻异常区域在空间上较连贯，非数据跳点造成的异常，由此可以推断，该低阻异常区域为可疑富水区域的可能性较大。再对三维立体图进行切片，切片位置可根据需要进行选取，现对探测区域 X、Y、Z 方向各做一次切片，可见低阻异常区域主要集中在切眼外约 80m 以外的区域，切眼外 50m 范围低阻异常非常少。最后通过低阻异常等值包络面分析可见，与 1Ω.m 等值包络面相比，2Ω.m等值包络面更靠近切眼，也就是说，低阻异常在探测区域远处，越靠近切眼视电阻率值越高，富水的可能性越低。根据工作面综合地质和水文地质资料分析，该区域内为欢城断层抬升，断层带及附近裂隙大量赋水。瞬变电磁探测结果与水文地质吻合，但富水区域（及低阻区集中出现区域）在断层保护煤柱以外，富水区域不影响工作面安全生产。1 绪论8 8 主要结论及展望8.1 研究成果和结论论文通过使用使用 MATLAB 软件编程和使用若干插值方法对测量数据进行加密和优化，得到了一套矿井瞬变电磁的三维显示软件。并针对欢城断层抬升地层造成奥灰水可能与三煤对口的现象进行了探查分析。取得的主要研究成果和创新点如下：1、分析了目前图形处理中较为常用的几种插值方法。对比了这些插值方法的优缺点及适用性，为后续数据处理打下了基础。2、考虑到遍迹搜索算法数据处理量大、无效运算量多的问题，根据矿井生产工作面探测特点，优化了插值搜索方法。3、跟据瞬变电磁数据解释需求，研发了一套集含散点数据成像对比、数据体三维成像对比、空间切片及低阻等值体分离提取等相应模块的数据处理及三维可视化操作系统。4、结合矿区生产要求，利用本系统对欢城断层富水情况进行分析解释，分离提取了欢城断层抬升奥灰层后主要含水区域的赋存情况，取得了有效的成果。8.2 展望（1）本研究主要是利用数学插值的方法对探测数据进行了处理，但目前的地质图形处理研究上，克里格插值等几何插值方法应用更广泛。可以在研究的基础上继续引入几何插值算法。（2）本项目的数学处理及图形现实软件是基于 matlab编程软件完成的。该软件相较于 C 语言等传统编译软件集成化较高，难以对开发的软件进行细节上的优化，今后可以尝试将本项目移植到其他编译软件上进行优化。（3）本项目软件在开发中未使用数据库数据，造成软件中存在冗余计算，降低了运算速度，可在今后工作中进行优化。

Claims (1)

1.瞬变电磁法基本原理瞬变电磁探测是指以不接地回线或接地线源向探测目标区域 发送一次脉冲场，以激励地层介质感生二次场，在一次脉冲场间歇期间利用同一回线或电 偶极接收感应二次场，利用二次场内所包含的地质信息来分析探测区域的地质分布情况， 主要由两个探测装置形式，磁源激发的是回型线装置，而电流源激发的是以接地电极形式 构成的，在煤炭超前探测当中主要使用的是回线装置形式的磁源激发，本论文所采用的数 据即为磁源激发所得，目前我们所使用的阶跃脉冲电流的具体形式为

，

瞬变电磁场按过渡过程可分为过程的早期和晚期两个阶段，由于两个阶段中所包含的地质信息不同，它们的用途也不同，在早期阶段，刚切断电源时，感应电流集中分布于探测区域的表面，形成表面电流，此视频谱中高频成分为主，导致涡旋电流主要分布在探测区域的表层，根据趋肤效应可以知道，高频成分在向下传播时，会迅速的衰减，电磁场无法向地下深部传播，所以在这瞬变过程的早期阶段，电磁场主要反映探测区域的浅部地质信息，当地质体内内的感应电流发生热损耗时，表面电流开始向地质体内部扩散，经过一段时间后便进入所谓的晚期阶段，在晚期阶段，高频成份根据趋肤效应被导电介质吸收，低频成份在频谱中占主导地位，局部地质体中的涡流，实际上全部消失，此时地质体内的电流分布趋于相对稳定，这时瞬变电磁场的大小主要依赖于地电断面的纵向电导，当发射线圈充电之后，在探测区域将会充能，发射线圈突然断开电流，在探测区域内就回激发起感应涡流场以维持在断开电流之前存在的磁场，此瞬间的电流集中存在于发射线圈与探测区域表面附近，并按r−4的规律衰减，（r为发射线圈中心到观测点的距离），随后，依据统计得到的结果涡流场极大值将沿与发射线圈成3⁤⁤倾角的锥形斜面向下向外传播，极大值点在地面投影点的半径为

，其中σ表示电导率，μ⁤表示磁导率，由于，在切断电流后的任一晚期时间里感应电流成多个层壳的‘环带’型，美国地球物理学家M.N.Nabighian指出，感应涡流场在探测区域表面所引起的磁场是各个涡流场的总和，由于这些与发射线圈相同形状向前向外扩散的电流环，形2如‘烟圈’，我们称这种现象为烟圈效应，由电磁场理论可知，在时间域中，麦克斯韦方程组有如下形式：

，式中的E表示电场强度，单位为V/m；H表示磁场强度，单位为A/m；B表示磁感应强度，单位为Wb/m2；D表示电位移矢量，单位为C/m2；J是电流密度，单位为A/m2，还应了解一些其他概念包括：ρ为电荷密度，单位为C/m3；μ位磁导率，单位为H/m；ε为介电常数，单位为F/m；σ为电导率，单位为S/m，3.1.2视电阻率的计算瞬变电磁测深法的视电阻率是指，将均匀分布的半空间表面的瞬变电磁场在小感应数或大感应数条件下估算，得到一个半空间电阻率与电磁场之间的函数关系，由于从均匀半空间的瞬变电磁场的解析公式中，无法直接求得视电阻率的简单数学表达式，只有对公式中的u=2πrτ取值加以归置，便可求得晚期的视电阻率表达式，由于晚期的条件更适合于探测中部和深部的电性反常，我们将重点研究的内容是，均匀半空间导电介质中多匝重叠回线的晚期视电阻率计算公式，令u≪1,即2πaτ≪1,当t较大时适合此条件，为晚期条件，其视电阻率的公式为：

，当发射线圈的面积为S，匝数为N，供电电流强度为I，发射线框的磁偶距为M=S×N×I,当接收线框的面积为s，匝数为n,介质中感应的涡流场在接受线圈中产生的电位，其感应电位为

，故多匝重叠回线的晚期视电阻率的计算公式为

，时深转换考虑到煤矿采区水文物探中，煤系地层一般为一层一层分布的特点，可采用下面的方法进行时深转换，平面瞬变电磁波的传播是随时间的延长而向前向外推进的，扩散场极大值位于从发射线框中心，起始于探测区域表面成3⁤⁤倾角的锥形状的面上，从发射场开始到激发最大的涡流所经历的延迟时间t与涡流场最大值所达到的深度h的关系，据Kunetz推导结果

，计算可得平面瞬变电磁波的传播公式

，矿井瞬变电磁法基本原理与地面瞬变电磁法基本原理相同，所不同的是，矿井瞬变电磁法是在井下巷道内的有限空间内进行，全空间效应作为矿井瞬变电磁法固有的问题，使得矿井瞬变电磁探测信息反映的是矿井全空间的地质信息，一般情况下，煤层相对于周围围岩为高阻介质，易于电磁波的通过，由于全空间效应的存在，瞬变电磁法接收线圈接收到的信号是不光是煤层内部的地质信息，还包括来自发射线圈周围全空间岩石电性的综合反映， 由于特殊的井下施工环境，矿井瞬变电磁法与地面瞬变电磁法相比有很大的不同，主要有以下几方面的特点：（1）由于一般来说井下巷道空间狭小，与地表大面积的施工环境不同，在井下实施瞬变电磁勘探时无法采用地表测量时的边长大于 50m 的大线圈装置，所采用的接收发射线框一般边长都会小于 3m，最常用的接收发射线框规格为 2m 边长的线框，因此与地面瞬变电磁法相比具有数据采集工作量小，测量设备轻便，工作效率高；（2）同样的由于在井下实施瞬变电磁探测采用小线圈测量，为了满足同样的探测范围，这要求相对于大线框的探测点距更密（一般为 2~10m），探测点距越密集越能降低体积效应，提高勘探的横向分辨率，而且不论是在做巷道迎头超前探还是勘探工作面时，所采用的测量装置都相对于地面探测靠目标体更近，所以说这是一种能够提高异常体的感应信号强度的探测方法，（3）瞬变电磁法勘探时，发射电流在关断时存在一定的关断时间，而且为了保证探测的探测距离，我们的发射接收线框为了增加发射接收面积，会制成多匝小线框的形式，多匝发射、接收天线会产生自感和互感的影响，这种影响会导致无法识别早期的有用地质信息，，在浅部形成约探测盲区，（4）此外由于矿井瞬变电磁场为全空间场，同时还受巷道空间的影响，由于井下施工时，施工周围环境比较狭窄，周围可能会有无法移除的金属干扰物存在（如，采煤掘进机钻头、液压支柱、U 型刚、金属网、变压器、通风排水管道、溜子、铁轨等），这些金属干扰会导致探测数据的突增，这种突增往往不是一个数量级的，对于数据影响极大，这种情况在无法避免的情况下应予以矫正，虽然全空间瞬变电磁和半空间瞬变电磁有所不同，但是它们在计算晚期公式的差别是在于系数上，由此结论我们可以套用计算半空间瞬变电磁晚期视电阻率，并以此计算全空间瞬变电磁晚期视电阻率，我们可以在半空间瞬变电磁晚期视电阻率公式上添加一个系数 k，带入公式后得：

。

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