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【摘要】煤矿安全生产受到了社会各界的广泛关注，而在矿井各种灾害事故中，巷道突水事故由于其发作凶猛、危害大等特点而成为煤矿安全领域研究的重点。目前在地下水文勘探中，使用较多、技术较成熟的是瞬变电磁法，该方法可以较为准确反映出巷道前方地质体的空间特征。本文针对该方法的基本原理和运行机制研究，并通过实际案例介绍了该方法在巷道超前探测中的具体操作环节，分析了相关的影响因素，总结了在操作过程中需要注意的关键问题，具有一定的推广价值。
【关键词】瞬变电磁法；巷道突水；水文勘探
1.引言
在井下煤矿开采和巷道掘进过程中，不可避免的会遇到一些威胁到井下安全的地质情况，如断层破裂带、裂隙发育区、岩溶等。这些地质构造一方面提高了煤层的开采难度，增大了开采工作量，更重要的是容易引发井下突水、冒顶等事故，尤其是井下突水事故，一旦发生就会造成灾难性的影响，对巷道、煤炭资源、电气设备甚至井下工作人员的生命安全都造成了严重的威胁。因此，必须采取有效手段，在巷道掘进过程中，超前预测前方地质构造，保障巷道安全。瞬变电磁法最早由加拿大地球物理学家提出一种矿井物探技术，经过几十年的发展，目前该技术已经逐渐成熟，并形成了一套行之有效的应用方案。该方法可较好的勘探出巷道周围空间不同形态的含水构造，且具有方向性强、分辨率高、对低阻区敏感等优点。利用该方法，可以迅速、高效且准确的超前探测巷道迎头前方赋水状态，大大减少了勘探所需的时间和工作量，节约了生产成本。
2.瞬变电磁法原理分析
瞬变电磁法利用不接地回线或接地线源在井下空降内发射一次脉冲磁场，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。通过研究二次涡旋电磁场的时空分布特征来完成探测地质构造及含水特征等任务。
瞬变电磁法具有方向性，因此在探测时令线圈法线方向对准预定的被探方向发射阶跃电流，然后利用接收线圈测量感应二次场。通过接收到的二次场的感应电动势随时间的变化特征，随后经数据的解释处理确定相关的地质特征，同时准确的圈定异常区域的距离、范围等情况。在矿井中使用该技术时，在信号探测范围内，介质岩层按电性特征的不同，各自反馈回信号响应，接收回线线圈接收到反馈后，按以下视电阻率演化公式进行计算：
该公式是在地面电磁数据处理方式的基础上，加上了全空间响应系数C的影响，从而使其适用于井下探测的数据处理；S为接收回线线圈面积；N为线圈匝数；t为二次场衰减时间；V/I为接收的归一化二次场电位场值。
3.影响因素分析
井下巷道结构多变，环境复杂，且具有较多的管道与设备，这些人工设施对测量工作带来了一定的影响，必须在数据处理阶段加以调节，抵消干扰影响，否则探测结果可能较大幅度的偏离真实值，给巷道的安全掘进埋下隐患。根据长期的勘探实践和总结，影响井下瞬变电磁法超前探测中主要人文设施有：①巷道的铁轨；②工字钢支护；③金属管路；④运输皮带支架。由以上分析可以看出，干扰源基本是由人工铺设的金属设施组成的，原因在于这些金属物件在探测装置发射出瞬变电磁场时会产生强烈的电磁响应，这些响应信号辐射至测试装置的接受线圈后，会同正常反馈的探测信号相叠加，导致信号的异常波动，从而给信号处理带来了较大的误差。
4.应用实例
（1）地质概况 矿井属于石炭二叠纪煤田，区内地势平坦。地层自上而下依次为第四系、第三系、二叠系、石炭系、奥陶系。第四系主要为浅黄、褐黄色松散的黏土夹砂层。第三系以黏土为主，上部夹砂层，下部夹钙质黏土等。二叠系为含煤地层之一，主要由泥岩、砂岩及煤层组成。石炭系主要由砂岩、泥岩、灰岩及煤层组成。奥陶系以石灰岩、泥灰岩、白云质灰岩为主。
（2）水文地质条件 由于工作面煤层埋藏较深，一般不受第四系含水层影响，主要是受煤系地层含水层以及奥陶系灰岩水影响。本次瞬变电磁勘查重点是要查明巷道掘进前方含水层和泥岩、泥灰岩互层含水层中的富水区域对巷道掘进的影响。
（3）探测结果 使用多匝重叠小回线装置形式，线圈匝数为20匝，线圈边长2m，根据井下防爆要求，发射电流采用2A，关断时间约1.5ms，64次叠加，进行了顺层方向的探测。横坐标、纵坐标为从掘进头始的超前探測距离。超前探测距离公式为：
其中：M为发送磁矩；ρ1为表层电阻率；η为最小可分辨电压。由上式可知，瞬变电磁的探测深度与发送磁矩、覆盖层电阻率及最小可分辨电压有关。从图1可以看出，距离迎头正前方50～75m，距离右侧侧帮25～50m范围内，视电阻率值降低；距离左侧侧帮30～55m，距离迎头45m范围内，视电阻率值降低，表明该范围内岩层电性发生变化。结合地质资料，推测该范围为老窑积水区。在掘进头继续向前掘进时顺煤层打钻，钻孔涌水，证明该范围确为积水区，探测结果得到较好验证。
5.总结
瞬变电磁法经过多年的实践摸索，已逐渐应用成熟。通过大量的实际案例证实，该方法具有探测深度较大、施工方便、探测操作简单、耗费时间短、成本可控性高等优点，尤其是其探测具有方向性的优势使得该方法特别适合于在类似井下巷道这样的狭小空间内实施勘探，较好的满足了当前煤矿水文地质勘探的需求。相信随着我国煤炭工业的不断发展，瞬变电磁法必将为我国煤矿安全生产提供更有力的保障。
作者简介
宋兆胜，出生于1971年11月，男，山东省枣庄市人，中专学历，工作于安徽省煤田地质局第三勘探队地质科，主要从事野外地质编录工作。
【关键词】瞬变电磁法；巷道突水；水文勘探
1.引言
在井下煤矿开采和巷道掘进过程中，不可避免的会遇到一些威胁到井下安全的地质情况，如断层破裂带、裂隙发育区、岩溶等。这些地质构造一方面提高了煤层的开采难度，增大了开采工作量，更重要的是容易引发井下突水、冒顶等事故，尤其是井下突水事故，一旦发生就会造成灾难性的影响，对巷道、煤炭资源、电气设备甚至井下工作人员的生命安全都造成了严重的威胁。因此，必须采取有效手段，在巷道掘进过程中，超前预测前方地质构造，保障巷道安全。瞬变电磁法最早由加拿大地球物理学家提出一种矿井物探技术，经过几十年的发展，目前该技术已经逐渐成熟，并形成了一套行之有效的应用方案。该方法可较好的勘探出巷道周围空间不同形态的含水构造，且具有方向性强、分辨率高、对低阻区敏感等优点。利用该方法，可以迅速、高效且准确的超前探测巷道迎头前方赋水状态，大大减少了勘探所需的时间和工作量，节约了生产成本。
2.瞬变电磁法原理分析
瞬变电磁法利用不接地回线或接地线源在井下空降内发射一次脉冲磁场，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。通过研究二次涡旋电磁场的时空分布特征来完成探测地质构造及含水特征等任务。
瞬变电磁法具有方向性，因此在探测时令线圈法线方向对准预定的被探方向发射阶跃电流，然后利用接收线圈测量感应二次场。通过接收到的二次场的感应电动势随时间的变化特征，随后经数据的解释处理确定相关的地质特征，同时准确的圈定异常区域的距离、范围等情况。在矿井中使用该技术时，在信号探测范围内，介质岩层按电性特征的不同，各自反馈回信号响应，接收回线线圈接收到反馈后，按以下视电阻率演化公式进行计算：
该公式是在地面电磁数据处理方式的基础上，加上了全空间响应系数C的影响，从而使其适用于井下探测的数据处理；S为接收回线线圈面积；N为线圈匝数；t为二次场衰减时间；V/I为接收的归一化二次场电位场值。
3.影响因素分析
井下巷道结构多变，环境复杂，且具有较多的管道与设备，这些人工设施对测量工作带来了一定的影响，必须在数据处理阶段加以调节，抵消干扰影响，否则探测结果可能较大幅度的偏离真实值，给巷道的安全掘进埋下隐患。根据长期的勘探实践和总结，影响井下瞬变电磁法超前探测中主要人文设施有：①巷道的铁轨；②工字钢支护；③金属管路；④运输皮带支架。由以上分析可以看出，干扰源基本是由人工铺设的金属设施组成的，原因在于这些金属物件在探测装置发射出瞬变电磁场时会产生强烈的电磁响应，这些响应信号辐射至测试装置的接受线圈后，会同正常反馈的探测信号相叠加，导致信号的异常波动，从而给信号处理带来了较大的误差。
4.应用实例
（1）地质概况 矿井属于石炭二叠纪煤田，区内地势平坦。地层自上而下依次为第四系、第三系、二叠系、石炭系、奥陶系。第四系主要为浅黄、褐黄色松散的黏土夹砂层。第三系以黏土为主，上部夹砂层，下部夹钙质黏土等。二叠系为含煤地层之一，主要由泥岩、砂岩及煤层组成。石炭系主要由砂岩、泥岩、灰岩及煤层组成。奥陶系以石灰岩、泥灰岩、白云质灰岩为主。
（2）水文地质条件 由于工作面煤层埋藏较深，一般不受第四系含水层影响，主要是受煤系地层含水层以及奥陶系灰岩水影响。本次瞬变电磁勘查重点是要查明巷道掘进前方含水层和泥岩、泥灰岩互层含水层中的富水区域对巷道掘进的影响。
（3）探测结果 使用多匝重叠小回线装置形式，线圈匝数为20匝，线圈边长2m，根据井下防爆要求，发射电流采用2A，关断时间约1.5ms，64次叠加，进行了顺层方向的探测。横坐标、纵坐标为从掘进头始的超前探測距离。超前探测距离公式为：
其中：M为发送磁矩；ρ1为表层电阻率；η为最小可分辨电压。由上式可知，瞬变电磁的探测深度与发送磁矩、覆盖层电阻率及最小可分辨电压有关。从图1可以看出，距离迎头正前方50～75m，距离右侧侧帮25～50m范围内，视电阻率值降低；距离左侧侧帮30～55m，距离迎头45m范围内，视电阻率值降低，表明该范围内岩层电性发生变化。结合地质资料，推测该范围为老窑积水区。在掘进头继续向前掘进时顺煤层打钻，钻孔涌水，证明该范围确为积水区，探测结果得到较好验证。
5.总结
瞬变电磁法经过多年的实践摸索，已逐渐应用成熟。通过大量的实际案例证实，该方法具有探测深度较大、施工方便、探测操作简单、耗费时间短、成本可控性高等优点，尤其是其探测具有方向性的优势使得该方法特别适合于在类似井下巷道这样的狭小空间内实施勘探，较好的满足了当前煤矿水文地质勘探的需求。相信随着我国煤炭工业的不断发展，瞬变电磁法必将为我国煤矿安全生产提供更有力的保障。
作者简介
宋兆胜，出生于1971年11月，男，山东省枣庄市人，中专学历，工作于安徽省煤田地质局第三勘探队地质科，主要从事野外地质编录工作。