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[摘 要]为了避免下部煤层开采时误揭隐伏导水构造将上部煤层采空区积水导入回采工作面发生透水事故，影响煤矿安全生产。本文基于瞬变电磁“烟圈”效应理论，对采空区电性特征、探查装置、施工技术进行了介绍，通过分析水文地质资料及上部煤层底板等高线，对其中200m较低区域采用60°探测角度进行富水性探测，结果发现探测结果与井下钻探验证资料吻合较好。
[关键词]瞬变电磁法；采空区；富水性
中图分类号：P631.3+25 文献标识码：C 文章编号：1009-914X（2014）31-0018-01
0 引言
目前我国的大部分煤矿都已经进入下组煤开采阶段，而随着上组煤层开采的结束，会产生许多废弃的采空区，往往容易汇集大量的水，在下部煤层进行放顶开采时煤层内隐伏的导水构造极易将采空区积水导入回采工作面内，从而给煤矿安全生产造成极大危害，因此采用物探手段提前查明煤层顶板采空区富水性及是否存在导水构造具有非常重要的意义。目前煤矿常用的物探方法主要有高密度电阻率法、音频电透视法、无线电波透视法和瞬变电磁法。其中瞬变电磁法是一种非接触式探测技术，利用不接地回线向煤层顶板发射一次电磁场，通过在发射间歇测量煤岩体中导电性不均匀体产生的二次场随时间的变化规律，来达到探测低阻构造的目的，通过多年应用发现该法具有方向性强、对低阻反应灵敏和施工简便等优点。
1 地质-地球物理特征
本文主要涉及的是顶板采空区、顺层煤层及底板岩层，采空区在无积水的情况下，电性特征呈高阻反应，顺层煤层电阻率较采空区低，底板岩层最低。当采空区积水时，则会改变原来的高阻特征，呈现低阻特征，且比岩层电阻率低，这种变化规律的存在，为以岩石导电性差异为物理基础的瞬变电磁法探测提供了良好的地质条件。
2 矿井瞬变电磁法基本理论
矿井瞬变电磁法是利用不接地回线于井下巷道内设置通以一定电流的发射线圈（Tx），发射电流会在回线周围空间中建立一个稳定的磁场。由于电磁场在空气中传播的速度很快，当电流断开时，最初激发的感应电流局限于巷道附近的岩层中。感应电流的分布是不均匀的，在紧靠发射回线一次磁场最强的巷道顶、底板处感应电流最强。随时间的推移，巷道周围的感应电流逐渐向外扩散， 强度逐渐减弱，分布趋于均匀。在发射电流刚关断时，该环状线电流紧挨发射回线，与发射回线具有相同的形状，该电流环随时间推移向外扩散，并逐渐变形为圆电流环。等效电流环像是从发射线圈中吹出来的“烟圈”，将电流向外扩散的过程形象的称之为“烟圈效应”。
3 探查技术
3.1 装置类型
目前井下巷道中常用分离回线、重叠回线和中心回线三种装置类型，其中加拿大产PROTEM47瞬变电磁仪常用分离回线和中心回线两种装置，本次探测采用澳大利亚产TerraTEM瞬变电磁仪，该仪器为发射接收一体机，可以随意改变接收时间从而达到不同的探测深度，并且具有压制50HZ工频干扰的优点，常采用重叠回线装置。
由于井下探测环境与地面差别较大，一是井下目标体距测点较近，二是井下巷道空间有限，故回线组合装置不能按地面条件选择常用的大回线装置。通过多次物理模拟实验及井下试验与实际揭露情况对比，设计了2m×2m的多匝数且发射线圈与接收线圈匝数不同的方形重叠回线测量装置，结果显示，该装置有与探测对象耦合好、获得异常简单且衰减幅度大等优点，对探测顶底板低阻异常区效果明显[1-2]。
3.2 施工技术
矿井瞬变电磁法在煤矿巷道内进行施工，测点间距一般选择10m。根据多匝小线框发射电磁场的方向性，通常将线框平面法线方向作为矿井瞬变电磁法探测方向（图中箭头方向）。因此，将重叠回线平面对准煤层顶板方向进行探测，就可反映煤层顶板一定范围内的低阻异常区。根据煤矿水文地质资料，分析顶板采空区易富水区域距巷道的位置，结合矿井瞬变电磁法的探测距离，从而采用相应的探测角度。当顶板采空富水异常区距顶板较远或位置大小不太明确时，可采用同点多角度探测以达到全面覆盖，使线圈与采空区富水区域达到最佳耦合状态，获得更强的二次场信号[3]。
4 应用实例
根据水文地质资料分析，2#煤层顶板为二叠系山西组砂岩，裂隙发育，煤层回采过程中淋水较大，因此2#煤层采空区低洼段富水可能性较大。通过分析2#煤层底板等高线图，原2108工作面某段200m范围内底板标高较低，更易积水，重点针对此范围进行探测。现需开采的3#煤层3110工作面回风巷距上部2#煤层2108工作面采空区低洼段垂直距离约为28m，水平距离约为50m，故设计探测角度α=60°，即可达到探测要求。
图1 3110工作面回风巷顶板方向视电阻率等值线图
图1为3110工作面顶板视电阻率等值线图，测点间距为10m，横坐标为沿巷道走向布置的测点相对坐标，单位为m，纵坐标为沿探测方向的深度，单位为m。分析该图发现，横坐标在130-200m，纵坐标在60-110m范围（图中虚线圈出），视电阻率值小于2Ω.m，为相对低阻异常区，对应垂距为30m，水平距离约52m，与，故推测此处为采空富水区，由于富水面积较大，且2#煤顶板砂岩裂隙较发育，建议3110工作面回采前需对其进行疏放。后对该区域进行打钻放水，约放水6500m3，与瞬变电磁探测结果很好吻合。
5 结论
（1）通过分析上部煤层采空区电性分布规律为以岩石导电性差异为物理基础的瞬变电磁法在煤矿井下巷道探测顶板采空区富水性提供了理论依据。
（2）根据多匝小线框发射电磁场的方向性，通过分析水文地质资料及上部煤层底板等高线图得出采空区易富水位置，设计了相应的探测角度。
（3）通过分析瞬变电磁法在井下巷道探测上部煤层采空区富水性实例，结合钻孔验证资料，发现该法具有较好的探测效果。
参考文献
[1] 刘志新.矿井瞬变电磁场分布规律与应用研究[D].徐州：中国矿业大学博士论文，2008：64-70.
[2] 姜志海.巷道掘进工作面瞬变电磁超前探测机理与技术研究[D].徐州：中国矿业大学博士论文，2008：59-71.
[3] 于景邨，刘振庆，廖俊杰.全空间瞬变电磁法在煤矿防治水中的应用[J].煤炭科学技术，2011，39（9）：110-113.
作者简介
刘振庆（1987年1月-），男，汉族，北京人，助理工程师，2012年毕业于中国矿业大学资源与地球科学学院地球探测与信息技术专业，现为保利能源控股有限公司山西分公司地测防治水部物探业务员，主要从事煤矿地质及物探方面的研究与工作。
[关键词]瞬变电磁法；采空区；富水性
中图分类号：P631.3+25 文献标识码：C 文章编号：1009-914X（2014）31-0018-01
0 引言
目前我国的大部分煤矿都已经进入下组煤开采阶段，而随着上组煤层开采的结束，会产生许多废弃的采空区，往往容易汇集大量的水，在下部煤层进行放顶开采时煤层内隐伏的导水构造极易将采空区积水导入回采工作面内，从而给煤矿安全生产造成极大危害，因此采用物探手段提前查明煤层顶板采空区富水性及是否存在导水构造具有非常重要的意义。目前煤矿常用的物探方法主要有高密度电阻率法、音频电透视法、无线电波透视法和瞬变电磁法。其中瞬变电磁法是一种非接触式探测技术，利用不接地回线向煤层顶板发射一次电磁场，通过在发射间歇测量煤岩体中导电性不均匀体产生的二次场随时间的变化规律，来达到探测低阻构造的目的，通过多年应用发现该法具有方向性强、对低阻反应灵敏和施工简便等优点。
1 地质-地球物理特征
本文主要涉及的是顶板采空区、顺层煤层及底板岩层，采空区在无积水的情况下，电性特征呈高阻反应，顺层煤层电阻率较采空区低，底板岩层最低。当采空区积水时，则会改变原来的高阻特征，呈现低阻特征，且比岩层电阻率低，这种变化规律的存在，为以岩石导电性差异为物理基础的瞬变电磁法探测提供了良好的地质条件。
2 矿井瞬变电磁法基本理论
矿井瞬变电磁法是利用不接地回线于井下巷道内设置通以一定电流的发射线圈（Tx），发射电流会在回线周围空间中建立一个稳定的磁场。由于电磁场在空气中传播的速度很快，当电流断开时，最初激发的感应电流局限于巷道附近的岩层中。感应电流的分布是不均匀的，在紧靠发射回线一次磁场最强的巷道顶、底板处感应电流最强。随时间的推移，巷道周围的感应电流逐渐向外扩散， 强度逐渐减弱，分布趋于均匀。在发射电流刚关断时，该环状线电流紧挨发射回线，与发射回线具有相同的形状，该电流环随时间推移向外扩散，并逐渐变形为圆电流环。等效电流环像是从发射线圈中吹出来的“烟圈”，将电流向外扩散的过程形象的称之为“烟圈效应”。
3 探查技术
3.1 装置类型
目前井下巷道中常用分离回线、重叠回线和中心回线三种装置类型，其中加拿大产PROTEM47瞬变电磁仪常用分离回线和中心回线两种装置，本次探测采用澳大利亚产TerraTEM瞬变电磁仪，该仪器为发射接收一体机，可以随意改变接收时间从而达到不同的探测深度，并且具有压制50HZ工频干扰的优点，常采用重叠回线装置。
由于井下探测环境与地面差别较大，一是井下目标体距测点较近，二是井下巷道空间有限，故回线组合装置不能按地面条件选择常用的大回线装置。通过多次物理模拟实验及井下试验与实际揭露情况对比，设计了2m×2m的多匝数且发射线圈与接收线圈匝数不同的方形重叠回线测量装置，结果显示，该装置有与探测对象耦合好、获得异常简单且衰减幅度大等优点，对探测顶底板低阻异常区效果明显[1-2]。
3.2 施工技术
矿井瞬变电磁法在煤矿巷道内进行施工，测点间距一般选择10m。根据多匝小线框发射电磁场的方向性，通常将线框平面法线方向作为矿井瞬变电磁法探测方向（图中箭头方向）。因此，将重叠回线平面对准煤层顶板方向进行探测，就可反映煤层顶板一定范围内的低阻异常区。根据煤矿水文地质资料，分析顶板采空区易富水区域距巷道的位置，结合矿井瞬变电磁法的探测距离，从而采用相应的探测角度。当顶板采空富水异常区距顶板较远或位置大小不太明确时，可采用同点多角度探测以达到全面覆盖，使线圈与采空区富水区域达到最佳耦合状态，获得更强的二次场信号[3]。
4 应用实例
根据水文地质资料分析，2#煤层顶板为二叠系山西组砂岩，裂隙发育，煤层回采过程中淋水较大，因此2#煤层采空区低洼段富水可能性较大。通过分析2#煤层底板等高线图，原2108工作面某段200m范围内底板标高较低，更易积水，重点针对此范围进行探测。现需开采的3#煤层3110工作面回风巷距上部2#煤层2108工作面采空区低洼段垂直距离约为28m，水平距离约为50m，故设计探测角度α=60°，即可达到探测要求。
图1 3110工作面回风巷顶板方向视电阻率等值线图
图1为3110工作面顶板视电阻率等值线图，测点间距为10m，横坐标为沿巷道走向布置的测点相对坐标，单位为m，纵坐标为沿探测方向的深度，单位为m。分析该图发现，横坐标在130-200m，纵坐标在60-110m范围（图中虚线圈出），视电阻率值小于2Ω.m，为相对低阻异常区，对应垂距为30m，水平距离约52m，与，故推测此处为采空富水区，由于富水面积较大，且2#煤顶板砂岩裂隙较发育，建议3110工作面回采前需对其进行疏放。后对该区域进行打钻放水，约放水6500m3，与瞬变电磁探测结果很好吻合。
5 结论
（1）通过分析上部煤层采空区电性分布规律为以岩石导电性差异为物理基础的瞬变电磁法在煤矿井下巷道探测顶板采空区富水性提供了理论依据。
（2）根据多匝小线框发射电磁场的方向性，通过分析水文地质资料及上部煤层底板等高线图得出采空区易富水位置，设计了相应的探测角度。
（3）通过分析瞬变电磁法在井下巷道探测上部煤层采空区富水性实例，结合钻孔验证资料，发现该法具有较好的探测效果。
参考文献
[1] 刘志新.矿井瞬变电磁场分布规律与应用研究[D].徐州：中国矿业大学博士论文，2008：64-70.
[2] 姜志海.巷道掘进工作面瞬变电磁超前探测机理与技术研究[D].徐州：中国矿业大学博士论文，2008：59-71.
[3] 于景邨，刘振庆，廖俊杰.全空间瞬变电磁法在煤矿防治水中的应用[J].煤炭科学技术，2011，39（9）：110-113.
作者简介
刘振庆（1987年1月-），男，汉族，北京人，助理工程师，2012年毕业于中国矿业大学资源与地球科学学院地球探测与信息技术专业，现为保利能源控股有限公司山西分公司地测防治水部物探业务员，主要从事煤矿地质及物探方面的研究与工作。