矿井瞬变电磁超前探测数据处理与显示技术.pdf

第 3 5卷第 3期 2 0 1 1 年 6月 物探与化探 GEOPHYS I CAL ＆ GEOCHEMI CAL EXPL 0RAT1 0N Vol _ 3 5． No． 3 J u n ．， 2 0 1 1 矿井 瞬变 电磁超前探测数据处理与显示 技术 廖俊杰 ， 于景郝 ， 胡兵 ， 刘振庆 1 ． 中国矿业大学 资源与地球科 学学院， 江苏 徐州 2 2 1 1 1 6； 2 ． 深部岩土力学与地下2 1 -_ 程 国家重 点实验室， 江苏 徐J ,11 2 2 1 1 1 6 摘 要 矿井 瞬变 电磁法是有效探查巷道迎头赋水性情况 的矿井物探方 法之一 。快速 处理数据 和显示成 图可 以促 进矿井瞬变 电磁法在井下探查 工作 中发挥更大的优势 。根据井 下巷道迎 头超 前探测 的工作 装置和探查技 术 ， 介绍 了超前探测数据处理与显示成 图的操作步骤 ， 实现 了成 果数据 的坐标转 换 ， 生成 了更 加直观 的与实际探 测 区域 吻 合的扇形图 。 关键词 矿井 瞬变 电磁法 ； 井 下超前探 测 ； 显示成 图技术 中图分类号 P 6 3 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 8 9 1 8 2 0 1 1 0 3 0 4 2 3 0 4 矿井瞬变电磁法是在煤矿井下巷道内探查周围 空问不同位置 、 不同形态含水构造 的矿井物探方法 之一。它是一种时问域的电磁勘探方法 ， 利用不接 地 回线或接地线源向地下发射一次脉冲电磁场 ， 在 一 次脉冲电磁场间歇期间 ， 利用线圈或接地 电极观 测二次涡流场 。如何快速处理数 据和显示成 图 成为矿井瞬变电磁法发展 中的重要环节 。传统的矩 形成图方法 使探i 贝 0 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 。而扇形成图方法中， 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 j ， 为矿方工作人员提供更加清楚易 懂的资料。 1 超前探测数据处理 超前探测主要是在巷道迎头利用直接或间接的 方法 向巷道掘进方 向进行探测 ， 探测前方是否存在 地质构造或富水体及导水通道 ， 为巷道的安全掘进 提供详细 的地质资料 J 。应用矿井 瞬变 电磁法超 前探测技术在井下通过仪器采集到的数据需要进行 相应的处理 。矿井瞬变电磁法数据处理与解释系统 是一款针对矿井特殊的强干扰环境 ， 集处理 、 解释功 能为一体的瞬变电磁软件 。该软件能够针对井下瞬 变电磁测量的超前探测数据进行简便 快捷 的处理， 生成成果图。 用矿井瞬变电磁法数据处理与解释系统进行超 前探测数据处理的过程 ， 主要包括数据预处理、 生成 断面文件 、 时深转换 、 深度校正以及超前探测坐标转 换等步骤 ， 完成这一系列步骤后， 即可在 S u r f e r 中进 行断面图绘制。 1 ． 1 数 据预处 理 矿井瞬变 电磁法超前探测井下采集的数据必须 经过相应的预处理方可正常进入处理流程 。数据预 处理子模 块 能够 读取 井 下采 集 的原 始数 据 文件 S I R格式 、 T X T格式 和 G X 7格式 ， 计算各 回线装 置的视 电阻率 ，以 D A T格式把各单点 电位 、 视电阻 率数据保存在当前 目录中； 显示 电流、 窗 口、 时间序 列、 T x面积、 R x面积等基本参数 ， 为进一步处理作 准备 图 1 。 操作步骤如下 ①根据所用瞬变电磁仪 ， 选择仪 器类型 T e r r a T E M、 S I R O T E M一 3 、 P R O T E M4 7 H P ； ② 从 S I R格式 、 T x T格式和 G H 7格式中选择相应 的文 件类型； ③打开原始文件 ， 保存文件中电位文件前缀 为“ u” ， 电阻率文件前缀为“ R” ； ④点击“ 执行” ， 待 数据预处理完毕后 ， 点击“ 返 回” 。其 中 日期 、 平均 电流等基本参数 自动从原始文件中获取 。 收稿 日期 2 0 1 00 41 0 基金项 目 国家重点基 础研究发展计划 9 7 3计划 项 目资助 2 0 0 7 C B 2 0 9 4 0 0 物探与化探 3 5卷 图 1 数据预处理对话框 图 2生成 断 面文 件 对 话框 1 ． 2生成断面文件 在生成断面文件子模块 中， 用户可根据现场记 录， 输入正确的参数 ， 实现对各探测断面的生成， 形 成 D A T格式的断面数据文件 图 2 。 具体操作步骤如下 ①点击 “ 浏览 目录” ， 选择 预处理后数据所在的文件夹 ； ② 点击 “ 保存断面文 件” ， 将预处理后数据形成的断面文件存 在规定 的 路径 ； ③设置参数 ， 输入“ 提取点数” 、 “ 测点间距 ” 、 “ 起点” 、 “ 间隔” 、 “ 起始窗 口” 、 “ 终止窗 口” ；④点 击“ 执行” ， 生成断面文件 ； ⑤点击“ 返回” ， 返 回软件 主界面 。 1 ． 3 时深转换 在时深转换子模块 中， 用户可录入发射面积、 转 换起始点和转换测点点数 3个基本参数 ， 并选择相 应的保存方式 ， 可以高效进行深度反演 图3 。 具体操作步骤如下 ①打开断面文件 ， 断面测点 数和窗 口数为软件 自动生成数值； ②输入转换参数 ， 即“ 发射面积” 、 “ 转换起始点” 、 “ 数 ” ； ③保存深度 断面文件 ， 将时深转换后的文件保存在规定路径 ； ④ 点击“ 执行” ， 完成数据时深转换 ， 点击“ 返回” ， 返 回 软件主界面。 1 ． 4 深 度校 正 由于采集瞬变数据时， 受到金属、 人文设施的干 图 3时 深转 换 对 话框 扰， 通过上述模块 自动反演的深度值跟实际探测深 度有很大的误差 ， 必须结合实验和地质资料， 对深度 值进行校正。深度校正子模块读人 D A T格式文件， 校正深度范围， 并 以 D A T格式文件保存在用户指定 的文件夹 中。另外， 用户可 任选保存文件 的样式 图 4 。 图4 深度校正对话框 具体操作 步骤 如下 ① 打开深度 文件， “ 测点 数” 、 “ 窗口数” 由软件 自动生成 ； ②结合现场地质资 料 ， 输入“ 起始系数” 、 “ 终止系数” ； ③保存深度断面 3期 廖俊杰等 矿井瞬变电磁超前探测数据处理与显示技术 文件在规定路径 ， 点击“ 执行 ” ， 完成对深度的校正 ； ④点击“ 返 回” ， 返回软件主界面。 1 ． 5超前 探测 本模块 针对成熟的井下瞬变 电磁探测施工技 术 ， 自动生成与实际探测区域吻合的扇形数据体。 矿井瞬变电磁超前探测测点布置 ， 都是 以侧帮 的某个测点为起始点 ， 导致 S u r f e r 绘制的为矩形剖 面图， 而实际上 ， 超前探测的范围是以巷道迎头为原 点的扇形区域 图 5 ， 这就需要对成 图数据的坐标 进行转 换 。 3 2 l 7 8 9 图 5超 前 探 测 测 点 布 置 示 恿 在本模块中， 用户可根据现场记录选择相应的 设计 。模块读人 D A T格式文件 ， 原数据转换成 以巷 道迎头为原点的扇形二维数据体 ， 并以 D A T格式文 件保存在用户指定的文件夹中 。图6是超前探测 坐标转换子模块操作对话框。 图 6 超前探测坐标转换对话框 具体步骤如下 ① 打开超前探测坐标转换子模 块 ， 选择文件类型为“ 深度一 视 电阻率文件 ” ， 输入相 应的巷道宽度 ； ②在“ 浏览 ” 中选择校正深度后 的 目 标文件 ； ③根据现场记录 ， 在 “ 测点数据加载”中选 择相应的设计 ； ④保存文件到指定路径 ， 操作完成后 点击“ 确定” ； ⑤点击“ 返回” ， 返回到软件主界面。 通过上述一系列操作 ， 即可得到扇形数据体 ， 然 后通过调用绘图模块即可绘制扇形图。 2 超前探测成果显示技术 通过上述数据处理后 ， 原始数据转换成为扇形 数据体。用扇 形数据体进 行断面 图绘制 时， S u r f e r 自动生成矩形框 ， 而经过上述处理操作后生成 的是 扇形数据体 ， 矩形框 内扇形之外没有数据 ， 所以绘制 断面图之前需要先对超前探测坐标转换后的数据体 进行 白化 图7 。 图 7臼化对 话 框 选择需要 白化的文件后 ， 点击 “ 白化”， 然后保 存文件到指定路径 ， 即可完成 白化过程。白化后 ， 调 用绘图模块在 S u r f e r 中绘制断面图。然后对数据进 行网格化 ， 生成等值线图， 即超前探测扇形图。 3 应用实例 图 8为某矿井巷道迎头瞬变 电磁超前探测成 果 ， 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。由于巷道迎头断面宽度一般在 3～5 m， 为 了有效利用所测得 的数据 ， 将巷道的宽度按一定 比 例加宽至 1 0 m， 这样可准确计算出图中任意一点到 巷 道迎头 的距 离 。 l 2 } l oo 8 O 量 6 0 4 0 2 O O 一 1 2 0 - 8 1 - 4 1 0 4 0 8 0 1 2 0 x／ m 图 8 超前探测 P 。 等值 线扇形 图 图 8显示 ， 距巷道右侧帮 8 0～1 2 0 m、 前方 5～ 6 0 m处 P 较小 ， 为低阻异常区， 并且该区域中还有 一 个 P 更低的圆形区域 ， 说明巷道对应位置含水裂 隙发育； 巷道左侧 8 0 m处视 电阻率值较小 ， 但对巷 4 2 6 物探与化探 顺层探测结槊 图 9 超前探测 p 。 等值线传统矩形图 道掘进影响不大， 不作考虑。在掘进过程 中要注意 巷道右侧帮出水情况， 以便及时采取相应措施。 图 9为传统的矩形图， 采用相对坐标 ， 如图 5所 示 ， 将 1 3和 7～ 9号数据分别绘制到与 4～ 6号数 据平行的迎头断面上 ， 将左 、 右侧帮和迎头前方的视 电阻率等值线整合在一张矩形图上。图 9可见， 距 离巷道右侧帮 7～1 3 m、 前方 8 0～1 1 5 m处 ， P 为 1 0 n 1 T I ， 相对较小， 为相对低阻异常区； 距离巷道左侧 帮 8～1 5 m、 前方 7 5～1 2 5 i n处P 也为 1 O n m， 相 对较小 ， 为相对低 阻异常 区。 图9中可明显地看出深部区域被压缩， 异常区 域被拉伸 ， 产生变形； 由于采用相对坐标 ， 导致了低 阻异常区位置向前方深部和靠近巷道侧帮方 向移 动 ， 使得在解释时对异常区域的位置确定产生了较 大误差。而图 8由于成图显示区域与实际探测区域 基本吻合 ， 能够更加直观 、 精确地反映异常体的形状 和位置， 进而提高解释精度 。 4 结论 超前探测数据处理及显示成 图系统能够根据瞬 变电磁数据采集的特点 ， 对成果数据进行坐标转换， 生成与实际探测 区域吻合的扇形 图。实例应用证 明， 超前探测模块能够简便快捷地处理瞬变数据 ， 其 生成的扇形图更容易对测量结果进行解释。 参考文 献 [ 1 ] 李全 ， 于景邮． 采掘工作面顶板富水性矿井瞬变电磁探查技术 研究[ J ] ． 能源技术与管理 ， 2 0 0 5 ， 3 ． [ 2 ] 刘树才， 刘志新 ， 姜 志海． 瞬变电磁法在煤矿采 区水文勘探 中 的应用 [ J ] ． 中国矿业大学学报 ， 2 0 0 5 ， 3 4 4 ． [ 3 ] 刘志新 ， 岳建华 ， 刘仰光． 扇形探测技术 在超 前探测 中的应用 研究 [ J ] ． 中国矿业大学学报 ， 2 0 0 7 ， 3 6 6 ． [ 4 ] 于景啷． 矿井瞬变 电磁法勘探 [ M] ． 徐州 中国矿业大学 出版 社 ， 2 0 0 7 6～7 ． DATA PRoCESS I NG AND DI S PLAY TECHNoLoGY FoR ⅡNE TRANSI ENT ELECTRoM AGNETI C I N ADVANCED DETECTI oN L I A O J u n ． j i e ， Y U J i n g C U r l ， H U B i n g ， L I U Z h e n q i n g 1 ． S c h o o l o fR e s o u r c e s a n d C , e o s c i e n c e s ，C h i n a U n i v e r s i t y o fMi n i n g a n d T e c h n o l o g y ， X u z h o u 2 2 1 1 1 6 ，C h i n a ； 2 ． S t a t e K e y L a b o r a t o r y f o r G e o m e c h a n i c s D e e p U n d e rg r o u n d E n g i n e e n n g， X u z h o u 2 2 1 l 1 6 ，C h i n a Abs t ra c t Th e mi n e t r a ns i e n t e l e c t r o ma g ne t i c me t h o d i s o n e o f t h e g e o p h y s i c a l me t h o d s f o r e f f e c t i v e i nv e s t i g a t i o n o f t he s i t ua t i o n of wa t e r i n f r o n t o f t h e t u nn e 1 ．Ra p i d pr o c e s s i n g o f d a t a a nd di s pl a y ma p pi n g c a n ma ke t he mi n e t r a n s i e n t e l e c t r o ma g ne t i c me t h o d p l a y a b e t t e r rol e i n t h e u n d e r g r o u n d e x p l o r a t i o n w o r k ．Ac c o r d i n g t o t h e d e t e c t i o n d e v i c e a n d t e c h n o l o g y o f a d v a n c e d d e t e c t i o n i n f r o n t o f the t u n n e l ， t h i s p a p e r d e a l s w i t h t h e s t e p s of d a t a p r o c e s s i n g a n d d i s p l a y ma p p i n g i n t h e a d v a n c e d d e t e c t i o n me t h o d ，a c h i e v e s t h e c o o rdi n a t e c o n v e r s i o n of d a t a ．a n d g e n e r a t e s a mo r e i n t u i t i v e s e c t o r c h a n w h i c h i s c o n s i s t e n t wi t h t h e a c t u a l d e t e c t i o n a r e a ． Ke y wor dsmi n e t r a n s i e n t e l e c t r o ma g n e t i c met h o d；do wn h o l e a dv a n c e d de t e c t i o n；di s pl a y ma p p i n g t e c hn i q u e 作者简介 廖俊杰 1 9 8 7一 ， 女， 中国矿业大学资源与地球科学学院硕士研究生， 主要研究方向为矿井地球物理勘探、 工程与 环境地球物理勘探 。