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[摘 要]介绍了瞬变电磁超前探测技术的基本原理和方法，并通过峻德煤矿勘探实例来说明该方法的有效性与实用性。
[关键词]矿井瞬变电磁法；井下超前探测；多匝小回线
中图分类号：TD732 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）13-0284-02
引言
随着物探技术的不断发展，在煤矿防治水工作中越来越多的应用了物探方法，综合物探技术已成为水文地质探测的重要手段。特别是近年来发展出来的多匝小回线装置形式的矿井瞬变电磁技术，凭借其体积效应小、探测方向性强、探测距离大、分辨率高、对含水低阻体敏感等特点，在对巷道掘进头前方断层及其破碎带、裂隙发育区、岩溶、陷落柱等构造的赋水性的快速准确预测、预报有着非常重要的作用。下面结合峻德煤矿的瞬变电磁法勘探实例进行说明。
峻德煤矿位于小兴安岭东南麓，属低山丘陵区，地势东部较高，西部较低，洼地面积占三分之二左右，位于鹤立河下游河床、河谷地带，原鹤立河在井田上方流过，后经人工改造从西部边界流过，最高洪水位238米，最大流量为180立方米/秒，矿井主要含水层为第四系砂层含水层和晚白垩系、早白垩系、前古生界地层风化带含水层。井田地表为第四系含水砂层，砂层下面有基岩裂隙含水层和构造裂隙含水层，矿井的主要补给源有西侧河流侧渗补给，西侧和南侧地下水径流补给及大气降水补给和人工排水沟补给，以断层、裂隙、孔隙、老空及小煤矿为补给通道，导入井下工作面或采空区，威胁矿井安全生产。由于我矿一水平煤层基本已回采完毕，二水平正在开采，生产区的地表都有不同程度的缓慢下降，造成很多塌陷坑，岩石垮落造成裂隙与地表沟通，井下涌水量随降水量大小而增减。每年六、七、八、九月雨季时，井下涌水量较大，加上井田内的很多地方小煤矿，都在本矿二水平以上开采，侧向补给增多，造成矿井水文地质条件较为复杂。在开采的过程中受老空水及周边小窑威胁，水害十分严重。其中主要影响因素是构造破碎带、裂隙发育区、岩溶、陷落柱等赋水区（体）等。随着开采深度的增加，受外应力减弱等原因，岩石裂隙显著减少，涌水量亦显著减少，影响因素主要是上部采空区积水。由于采用由上往下逐步开采的方式，采空区在现采工作面上部形成多层截水空区，经过多年开采，上部采空区范围较广，蓄水量较高。
1 矿井瞬变电磁法工作原理
瞬变电磁法（Transient Electromagnetic Method，简称TEM）是利用不接地回线或电极向地下发送脉冲式一次电磁场，用线圈或接地电极观测由该脉冲电磁场感应的地下涡流产生的二次电磁场的空间和时间分布，来解决有关地质问题的时间域电磁法。
瞬变电磁法与其它电法相比，具有以下特点：
（1）观测断电后的纯二次场，克服了复杂的一次场补偿问题，同时受地形影响较小；
（2）单脉冲激发就可得到多信息的整条瞬变电场衰减曲线，通过加大发射功率和多次叠加，可大幅度地提高信噪比，加大勘探深度；
（3）采用不接地回线装置，适宜于各种地理环境下的野外工作；
（4）由于瞬变电磁法的探测深度仅取决于大地电阻率和仪器的采样时间，故可通过调节发送功率、仪器采样时间，方便地控制探测范围；
（5）采用不同的装置形式，可以相应地提高横向、纵向分辨能力；
（6）对发送回线的形状、方位和点位要求不严，测地工作简单，可通过流水作业达到极高的工作效率；
2 工作方法技术
考虑到井下巷道空间的限制，为了能有效的探测巷道迎头含水构造以查明迎头是否存在赋水异常区域，矿井瞬变电磁法一般采用重叠回线装置，发射和接收线框为2m×2m矩形回线。这种装置既可以在狭窄的巷道空间中方便的进行各种角度的旋转、位移，也增加了发射功率，保证了探测深度。
在巷道迎头做超前探测具体施工中，根据探测任务要求，可以通过调整线圈与巷道底板之间的角度改变线圈法线的指向，来获取巷道掘进头前方不同水平层位上的地电信息（如图1）。 即从巷道迎头的一侧开始，首先使发射、接收回线装置的法线垂直巷道侧面进行测量，然后旋转回线装置，使装置的法线方向与巷道的侧帮分别成一定、逐渐增大的夹角进行探测；当回线装置的法线方向与巷道迎头界面垂直时，根据其主迎头断面的宽度布置2～3个测点；到巷道迎头另一侧时再同刚才一样旋转回线装置。
3 资料解释
瞬变电磁资料解释，就是根据勘探区域的地球物理特征、TEM响应的时间特性和空间分布特征来确定地质构造的空间分布特点，例如，覆盖层厚度变化、垂向岩性分层和岩层的横向变化情况，断裂破碎带和其它局部地质构造目标的位置、形态、产状、规模、埋深等。瞬变电磁法勘探成果的资料解释应以理论及模拟图形为基础，以测区的物性差异为前提，结合地质及其他物化探方法和工作环境进行，对资料的定性分析和解释是资料解释中最重要和最基本的部分，定量解释在定性解释的基础上进行。
4 工作实例
峻德煤矿掘进一区9101队施工的二水平北一二區33层一分层回风上山，施工至M23点前24米处，巷道还有40米即将与上部-190石门进行贯通，根据地质资料前方巷道即将揭露F7断层，并且在其掘进迎头方向可能有采空区存在，其具体位置与积水情况不明，为排除透水隐患，保证安全掘进，需查明掘进头前方是否存在采空区积水，于是对本区域进行赋水性探测。
4.1 装置形式及其参数选择
本次勘探使用福州华虹公司生产的YCS40（A）型矿用瞬变电磁仪。瞬变电磁法勘探采用重叠回线装置，采用多匝2mX 2m矩形回线，发射9匝，接收线框18匝。采样时窗为：1～34，叠加次数：32，时间采用标准时间序列。掘进头按图1所示布置测点11个，分别对顶板、顺层与底板方向的探测。
4.2 探测结果
数据采集完成后，经过数据的解释处理，画出等电位扇面图，如图2。由于发射电流关断时间过长，造成早期数据严重畸变，致使约15m的近距离信息无法分辨。由于巷道为金属锚网支护，故图2（a）中侧帮1—4号测点与10—11号测点视电阻率值较低，约5-10Ω·m。掘进迎头正前方未受到锚网支护影响，故视电阻率值较高，约20-100Ω·m。
由我矿经多次探测实践及总结，将电阻率值1.5以下定为赋水异常区阻值，因此结合地质资料及分析结果可知，在迎头正前方约100米范围内视电阻率等值线无明显异常变化，且视电阻率值相对较高，可推断在巷道迎头前方100m范围内没有赋水区域，F7断层在本区域也无其他的赋水可能。现巷道已揭露F7断层并与上部巷道贯通，无任何涌水及其他赋水现象，证明本次探测结果较为准确、可靠。
5 结论
经过多次探测应用结果表明，矿井瞬变电磁法可以用于掘进迎头前方采空区积水的超前探测，能准确圈定积水的位置，其在井下巷道超前探测方面具有施工方便、对施工空间要求不高、成本低、技术比较成熟、效率高的优点，特别是可以在狭小的巷道迎头空间中工作和数据采集效率高，不影响煤矿巷道的正常掘进，是其他方法所不具备的。但对积水量仅能做定性评价而不能给出定量解释，视电阻率断面图上探测异常区域分布比实际积水区间要大，且侧帮测点易受到金属锚网支护的影响，同时由于采用多匝小回线装置形式，发射电流关断时间过长，存在近距离探测盲区。相信随着该技术的不断发展与完善，必将在我矿含水构造体的超前预报中发挥越来越重要的作用。
作者简介
刘道光 1987年8月出生，男，2009年毕业于黑龙江科技学院地质工程专业，本科学历，现从事物探技术工作，现任龙煤鹤岗分公司峻德矿地测大队物探主管。
[关键词]矿井瞬变电磁法；井下超前探测；多匝小回线
中图分类号：TD732 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）13-0284-02
引言
随着物探技术的不断发展，在煤矿防治水工作中越来越多的应用了物探方法，综合物探技术已成为水文地质探测的重要手段。特别是近年来发展出来的多匝小回线装置形式的矿井瞬变电磁技术，凭借其体积效应小、探测方向性强、探测距离大、分辨率高、对含水低阻体敏感等特点，在对巷道掘进头前方断层及其破碎带、裂隙发育区、岩溶、陷落柱等构造的赋水性的快速准确预测、预报有着非常重要的作用。下面结合峻德煤矿的瞬变电磁法勘探实例进行说明。
峻德煤矿位于小兴安岭东南麓，属低山丘陵区，地势东部较高，西部较低，洼地面积占三分之二左右，位于鹤立河下游河床、河谷地带，原鹤立河在井田上方流过，后经人工改造从西部边界流过，最高洪水位238米，最大流量为180立方米/秒，矿井主要含水层为第四系砂层含水层和晚白垩系、早白垩系、前古生界地层风化带含水层。井田地表为第四系含水砂层，砂层下面有基岩裂隙含水层和构造裂隙含水层，矿井的主要补给源有西侧河流侧渗补给，西侧和南侧地下水径流补给及大气降水补给和人工排水沟补给，以断层、裂隙、孔隙、老空及小煤矿为补给通道，导入井下工作面或采空区，威胁矿井安全生产。由于我矿一水平煤层基本已回采完毕，二水平正在开采，生产区的地表都有不同程度的缓慢下降，造成很多塌陷坑，岩石垮落造成裂隙与地表沟通，井下涌水量随降水量大小而增减。每年六、七、八、九月雨季时，井下涌水量较大，加上井田内的很多地方小煤矿，都在本矿二水平以上开采，侧向补给增多，造成矿井水文地质条件较为复杂。在开采的过程中受老空水及周边小窑威胁，水害十分严重。其中主要影响因素是构造破碎带、裂隙发育区、岩溶、陷落柱等赋水区（体）等。随着开采深度的增加，受外应力减弱等原因，岩石裂隙显著减少，涌水量亦显著减少，影响因素主要是上部采空区积水。由于采用由上往下逐步开采的方式，采空区在现采工作面上部形成多层截水空区，经过多年开采，上部采空区范围较广，蓄水量较高。
1 矿井瞬变电磁法工作原理
瞬变电磁法（Transient Electromagnetic Method，简称TEM）是利用不接地回线或电极向地下发送脉冲式一次电磁场，用线圈或接地电极观测由该脉冲电磁场感应的地下涡流产生的二次电磁场的空间和时间分布，来解决有关地质问题的时间域电磁法。
瞬变电磁法与其它电法相比，具有以下特点：
（1）观测断电后的纯二次场，克服了复杂的一次场补偿问题，同时受地形影响较小；
（2）单脉冲激发就可得到多信息的整条瞬变电场衰减曲线，通过加大发射功率和多次叠加，可大幅度地提高信噪比，加大勘探深度；
（3）采用不接地回线装置，适宜于各种地理环境下的野外工作；
（4）由于瞬变电磁法的探测深度仅取决于大地电阻率和仪器的采样时间，故可通过调节发送功率、仪器采样时间，方便地控制探测范围；
（5）采用不同的装置形式，可以相应地提高横向、纵向分辨能力；
（6）对发送回线的形状、方位和点位要求不严，测地工作简单，可通过流水作业达到极高的工作效率；
2 工作方法技术
考虑到井下巷道空间的限制，为了能有效的探测巷道迎头含水构造以查明迎头是否存在赋水异常区域，矿井瞬变电磁法一般采用重叠回线装置，发射和接收线框为2m×2m矩形回线。这种装置既可以在狭窄的巷道空间中方便的进行各种角度的旋转、位移，也增加了发射功率，保证了探测深度。
在巷道迎头做超前探测具体施工中，根据探测任务要求，可以通过调整线圈与巷道底板之间的角度改变线圈法线的指向，来获取巷道掘进头前方不同水平层位上的地电信息（如图1）。 即从巷道迎头的一侧开始，首先使发射、接收回线装置的法线垂直巷道侧面进行测量，然后旋转回线装置，使装置的法线方向与巷道的侧帮分别成一定、逐渐增大的夹角进行探测；当回线装置的法线方向与巷道迎头界面垂直时，根据其主迎头断面的宽度布置2～3个测点；到巷道迎头另一侧时再同刚才一样旋转回线装置。
3 资料解释
瞬变电磁资料解释，就是根据勘探区域的地球物理特征、TEM响应的时间特性和空间分布特征来确定地质构造的空间分布特点，例如，覆盖层厚度变化、垂向岩性分层和岩层的横向变化情况，断裂破碎带和其它局部地质构造目标的位置、形态、产状、规模、埋深等。瞬变电磁法勘探成果的资料解释应以理论及模拟图形为基础，以测区的物性差异为前提，结合地质及其他物化探方法和工作环境进行，对资料的定性分析和解释是资料解释中最重要和最基本的部分，定量解释在定性解释的基础上进行。
4 工作实例
峻德煤矿掘进一区9101队施工的二水平北一二區33层一分层回风上山，施工至M23点前24米处，巷道还有40米即将与上部-190石门进行贯通，根据地质资料前方巷道即将揭露F7断层，并且在其掘进迎头方向可能有采空区存在，其具体位置与积水情况不明，为排除透水隐患，保证安全掘进，需查明掘进头前方是否存在采空区积水，于是对本区域进行赋水性探测。
4.1 装置形式及其参数选择
本次勘探使用福州华虹公司生产的YCS40（A）型矿用瞬变电磁仪。瞬变电磁法勘探采用重叠回线装置，采用多匝2mX 2m矩形回线，发射9匝，接收线框18匝。采样时窗为：1～34，叠加次数：32，时间采用标准时间序列。掘进头按图1所示布置测点11个，分别对顶板、顺层与底板方向的探测。
4.2 探测结果
数据采集完成后，经过数据的解释处理，画出等电位扇面图，如图2。由于发射电流关断时间过长，造成早期数据严重畸变，致使约15m的近距离信息无法分辨。由于巷道为金属锚网支护，故图2（a）中侧帮1—4号测点与10—11号测点视电阻率值较低，约5-10Ω·m。掘进迎头正前方未受到锚网支护影响，故视电阻率值较高，约20-100Ω·m。
由我矿经多次探测实践及总结，将电阻率值1.5以下定为赋水异常区阻值，因此结合地质资料及分析结果可知，在迎头正前方约100米范围内视电阻率等值线无明显异常变化，且视电阻率值相对较高，可推断在巷道迎头前方100m范围内没有赋水区域，F7断层在本区域也无其他的赋水可能。现巷道已揭露F7断层并与上部巷道贯通，无任何涌水及其他赋水现象，证明本次探测结果较为准确、可靠。
5 结论
经过多次探测应用结果表明，矿井瞬变电磁法可以用于掘进迎头前方采空区积水的超前探测，能准确圈定积水的位置，其在井下巷道超前探测方面具有施工方便、对施工空间要求不高、成本低、技术比较成熟、效率高的优点，特别是可以在狭小的巷道迎头空间中工作和数据采集效率高，不影响煤矿巷道的正常掘进，是其他方法所不具备的。但对积水量仅能做定性评价而不能给出定量解释，视电阻率断面图上探测异常区域分布比实际积水区间要大，且侧帮测点易受到金属锚网支护的影响，同时由于采用多匝小回线装置形式，发射电流关断时间过长，存在近距离探测盲区。相信随着该技术的不断发展与完善，必将在我矿含水构造体的超前预报中发挥越来越重要的作用。
作者简介
刘道光 1987年8月出生，男，2009年毕业于黑龙江科技学院地质工程专业，本科学历，现从事物探技术工作，现任龙煤鹤岗分公司峻德矿地测大队物探主管。