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[摘要]我国的能源消费现阶段和以后的长期阶段以煤炭为主，煤炭开采事故发生频繁。其中突水危害比较突出。本文结合实例就矿井瞬变电磁法在回采工作面沿上下顺槽施工、数据采集、处理和解释进行了分析探讨，认为沿上下顺槽进行数据采集，可以预测工作面内部包括外侧70米、煤层底板下70米深度内的含水构造和裂隙带。
[关键词]瞬变 电磁法 回采工作面 水害预测
[中图分类号]X752 [文献码]B [文章编号]1000-405X（2013）-6-278-1
河北邯郸梧桐庄煤矿在建井期间发生过突水事故，突水的原因是1条小的断层裂隙导通底板灰岩水。煤矿主采2#煤层较稳定，预探测回采工作面内地质构造简单，巷道掘进过程中揭露7条落差小于1.5米断层。工作面底板以下有野青、山伏青、小青、大青、奥陶系等多个灰岩含水层，灰岩含水层含水性不均一，动储量大，有较好的补给条件。影响回采工作面的直接含水层是野青和山伏青灰岩，最终补给源是奥陶系灰岩水。完整岩层间地下水不相互补给，断层裂隙提供了灰岩含水层间的补给通道，对煤层回采危害大。回采工作面内水害预测的物探方法主要有电磁波透视、直流电透视和瞬变电磁法等，瞬变电磁法在预测工作面水害外，还可以预测煤层顶底板和工作面外含水构造和裂隙带，具有更好的适应性。
1 瞬变电磁法数据采集
瞬变电磁法属于时间域电磁感应法，它利用不接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲场，在一次脉冲场间歇期间利用回线或电极接收感应二次场，该二次场是由地下良导（低阻）地质体受激励引起的涡流产生的非稳电磁场。由于它可以使用不接地回线发送和接收的重叠回线或中心回线装置，占地面积小，异常响应的体积效应小，非常适合施工条件复杂的巷道内数据采集。本次矿井瞬变电磁勘探采用了5匝1.8米边长的正方形回线作为发送和接收线圈的重叠装置。该装置受地下水的激发极化效应影响大，在含水断层和岩层裂隙破碎带形成利于识别的二次场“高—低—高”异常。重叠回线装置通过改变线圈的（法向）方向改变瞬变电磁的探测方向，形成瞬变电磁的空间数据，从而解释工作面内、工作面外和煤层底板的含水地质体。
2 矿井瞬变电磁的数据处理和解释
瞬变电磁采集到的二次场归一化电压。受发送和接收线圈周边电电均不均匀体（如岩性、干湿变化和工字钢支护）影响大，因此首先要进行不均匀性干扰抑制，并进行相应的数字滤波。
瞬变电磁处理中最重要的进行视电阻率、视深度的反演，矿井瞬变电磁处理也是如此。但是巷道中瞬变电磁视电阻率、视深度的反演还有它的特殊性，主要表现在下面二个方面。
（1）受巷道空间的限制，无法进行大线圈的瞬变电磁数据采集，只能使用多匝小线圈。大线圈发射和接收时线圈本身和线圈间自感和互感可以忽略不计，多匝小线圈发射和接收时线圈间自感和互感很大，引起瞬变电磁二次场信号畸变，不能使用二次场进行直接的反演。
（2）常规瞬变电磁勘探在地面进行数据采集，相应的勘探理论和数据处理方法也是建立半空间中。矿井中的瞬变电磁在井下采集数据，从形式上看要进行全空间的数据处理。
对于这两个问题，有研究者认为可以采用常规地面瞬变电磁视电阻率转换方法，将得到的视电阻率乘以一个500-2000的系数，并计算相应的视深度。只进行简单的视电阻率、视深度转换时这种方法确实很好。为了进行视电阻率、视深度的反演，本次处理采用了二次场电压直接改正方法，这种改正基于（1）矿井瞬变电磁实际仍是半空间的勘探，二次场信号主要反应的靠近侧地层的电性。（2）多匝小线圈引起的畸变是可以预测的。
上面的处理可以得到各测线多测道曲线和沿垂直线圈面方向视电阻率拟断面图。在上述基础上，以工作面底板为深度0，内外帮测线的视电阻率水平归位到0.7倍的方向勘探距离（45度等腰直角三角形的一个直角边），勘探深度也归位到0.7倍的方向勘探距离。6条测线形成一个空间视电阻率数据体。提取底板下50米、70米视电阻率数据，形成视电阻平面等值线图以便下一步处理解释。
3 勘探成果
多匝小线圈重叠回线装置瞬变电磁法对低阻高极化率地下水的反应不同于常规瞬变电磁法，视电阻率拟断面图上表现为中间高两侧低，这是由于多匝小线圈重叠回线装置瞬变电磁勘探中激发极化效应大于瞬变电磁响应引起的。在水平切片数据处理中，对视电阻率的高低进行反相处理更符合常规，图1是底板下50米视电阻率平面等值线图，反相处理后的低电阻率异常对应为可能的含水断层裂隙引起的。
结合测线多测道曲线、视电阻率拟断面图、视电阻率平面等值线图和井下揭露的地质情况，对工作面内部包括外侧70米、煤层底板下50米深度内的含水构造和裂隙带进行了预测。底板下50米范围内解释异常区11个，其中1、3、5、6、8、9、11异常区位于巷道揭露的断层裂隙上。含水异常区还具有主要分布在切眼附近的特點，该处也是一个宽缓的向斜。该工作面已经回采完，依据提供的含水异常区提前放水，没有发生安全责任事故。
4 结论
（1）瞬变电磁法勘探在采煤工作面内可采用多匝小线圈重叠回线装置开展，通过多方向探测可以得到回采工作面内外、煤层底板下的视电阻率空间数据，预测相应的含水地质体。
（2）含水地质体的矿井瞬变电磁法数据处理和解释方法与地面瞬变电磁法不一样，解决好这些问题后得到的探测结果是可靠的。是一种值得推广的矿井物探方法。
参考文献
[1]牛之琏.时间域电磁法原理[M].长沙：中南工业大学出版社，1992年.
[2]罗国平.地面瞬变电磁法勘探在水害预测应用中的问题探讨.煤炭水文地质及综合物探新技术与应用变流会论文集.煤炭工业出版社，2012年8月.
[3]于景邨.矿井瞬变电磁法勘探.徐州：中国矿业大学出版社.2007年.
[关键词]瞬变 电磁法 回采工作面 水害预测
[中图分类号]X752 [文献码]B [文章编号]1000-405X（2013）-6-278-1
河北邯郸梧桐庄煤矿在建井期间发生过突水事故，突水的原因是1条小的断层裂隙导通底板灰岩水。煤矿主采2#煤层较稳定，预探测回采工作面内地质构造简单，巷道掘进过程中揭露7条落差小于1.5米断层。工作面底板以下有野青、山伏青、小青、大青、奥陶系等多个灰岩含水层，灰岩含水层含水性不均一，动储量大，有较好的补给条件。影响回采工作面的直接含水层是野青和山伏青灰岩，最终补给源是奥陶系灰岩水。完整岩层间地下水不相互补给，断层裂隙提供了灰岩含水层间的补给通道，对煤层回采危害大。回采工作面内水害预测的物探方法主要有电磁波透视、直流电透视和瞬变电磁法等，瞬变电磁法在预测工作面水害外，还可以预测煤层顶底板和工作面外含水构造和裂隙带，具有更好的适应性。
1 瞬变电磁法数据采集
瞬变电磁法属于时间域电磁感应法，它利用不接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲场，在一次脉冲场间歇期间利用回线或电极接收感应二次场，该二次场是由地下良导（低阻）地质体受激励引起的涡流产生的非稳电磁场。由于它可以使用不接地回线发送和接收的重叠回线或中心回线装置，占地面积小，异常响应的体积效应小，非常适合施工条件复杂的巷道内数据采集。本次矿井瞬变电磁勘探采用了5匝1.8米边长的正方形回线作为发送和接收线圈的重叠装置。该装置受地下水的激发极化效应影响大，在含水断层和岩层裂隙破碎带形成利于识别的二次场“高—低—高”异常。重叠回线装置通过改变线圈的（法向）方向改变瞬变电磁的探测方向，形成瞬变电磁的空间数据，从而解释工作面内、工作面外和煤层底板的含水地质体。
2 矿井瞬变电磁的数据处理和解释
瞬变电磁采集到的二次场归一化电压。受发送和接收线圈周边电电均不均匀体（如岩性、干湿变化和工字钢支护）影响大，因此首先要进行不均匀性干扰抑制，并进行相应的数字滤波。
瞬变电磁处理中最重要的进行视电阻率、视深度的反演，矿井瞬变电磁处理也是如此。但是巷道中瞬变电磁视电阻率、视深度的反演还有它的特殊性，主要表现在下面二个方面。
（1）受巷道空间的限制，无法进行大线圈的瞬变电磁数据采集，只能使用多匝小线圈。大线圈发射和接收时线圈本身和线圈间自感和互感可以忽略不计，多匝小线圈发射和接收时线圈间自感和互感很大，引起瞬变电磁二次场信号畸变，不能使用二次场进行直接的反演。
（2）常规瞬变电磁勘探在地面进行数据采集，相应的勘探理论和数据处理方法也是建立半空间中。矿井中的瞬变电磁在井下采集数据，从形式上看要进行全空间的数据处理。
对于这两个问题，有研究者认为可以采用常规地面瞬变电磁视电阻率转换方法，将得到的视电阻率乘以一个500-2000的系数，并计算相应的视深度。只进行简单的视电阻率、视深度转换时这种方法确实很好。为了进行视电阻率、视深度的反演，本次处理采用了二次场电压直接改正方法，这种改正基于（1）矿井瞬变电磁实际仍是半空间的勘探，二次场信号主要反应的靠近侧地层的电性。（2）多匝小线圈引起的畸变是可以预测的。
上面的处理可以得到各测线多测道曲线和沿垂直线圈面方向视电阻率拟断面图。在上述基础上，以工作面底板为深度0，内外帮测线的视电阻率水平归位到0.7倍的方向勘探距离（45度等腰直角三角形的一个直角边），勘探深度也归位到0.7倍的方向勘探距离。6条测线形成一个空间视电阻率数据体。提取底板下50米、70米视电阻率数据，形成视电阻平面等值线图以便下一步处理解释。
3 勘探成果
多匝小线圈重叠回线装置瞬变电磁法对低阻高极化率地下水的反应不同于常规瞬变电磁法，视电阻率拟断面图上表现为中间高两侧低，这是由于多匝小线圈重叠回线装置瞬变电磁勘探中激发极化效应大于瞬变电磁响应引起的。在水平切片数据处理中，对视电阻率的高低进行反相处理更符合常规，图1是底板下50米视电阻率平面等值线图，反相处理后的低电阻率异常对应为可能的含水断层裂隙引起的。
结合测线多测道曲线、视电阻率拟断面图、视电阻率平面等值线图和井下揭露的地质情况，对工作面内部包括外侧70米、煤层底板下50米深度内的含水构造和裂隙带进行了预测。底板下50米范围内解释异常区11个，其中1、3、5、6、8、9、11异常区位于巷道揭露的断层裂隙上。含水异常区还具有主要分布在切眼附近的特點，该处也是一个宽缓的向斜。该工作面已经回采完，依据提供的含水异常区提前放水，没有发生安全责任事故。
4 结论
（1）瞬变电磁法勘探在采煤工作面内可采用多匝小线圈重叠回线装置开展，通过多方向探测可以得到回采工作面内外、煤层底板下的视电阻率空间数据，预测相应的含水地质体。
（2）含水地质体的矿井瞬变电磁法数据处理和解释方法与地面瞬变电磁法不一样，解决好这些问题后得到的探测结果是可靠的。是一种值得推广的矿井物探方法。
参考文献
[1]牛之琏.时间域电磁法原理[M].长沙：中南工业大学出版社，1992年.
[2]罗国平.地面瞬变电磁法勘探在水害预测应用中的问题探讨.煤炭水文地质及综合物探新技术与应用变流会论文集.煤炭工业出版社，2012年8月.
[3]于景邨.矿井瞬变电磁法勘探.徐州：中国矿业大学出版社.2007年.