摘 要：介绍了矿井瞬变电磁超前探测技术的原理与方法，以淮北某煤矿井下巷道瞬变电磁探测为例，分析了瞬变电磁法在预测预报巷道前方含水体中的应用。通过后期该巷道揭露资料，验证了该方法的有效性，可以为巷道安全掘进提供可靠地质条件预测参数。
　　关键词：矿井瞬变电磁法;超前预报;含水异常体;巷道
　　0 引言
　　矿井巷道掘进过程中，受地质条件制约，经常出现掘进前方突水影响煤矿安全生产，严重时而导致安全事故。因此必须超前预测预报掘进前方富水性状况，以便采取有效的防治措施，防患于未然，保证巷道安全快速掘进。
　　矿井瞬变电磁法近年来得到快速发展，具有勘探深度大、抗干扰能力强、分辨能力高、对富水体反应敏感以及现场施工高效、快捷等优点，被广泛应用于矿井水文地质勘察等领域。本文针对探测掘进迎头前方富水性探测，利用瞬变电磁法，通过合理布置观测系统，获得掘进迎头前方电阻率分布特征，进一步评价其富水性。
　　1 矿井瞬变电磁技术方法
　　1.1 技术原理
　　瞬变电磁法属时间域电磁感应方法。在发送回线上供一个电流脉冲方波，在方波后沿下降的瞬间，产生一个向回线法线方向传播的一次磁场，在一次磁场的激励下，地质体将产生涡流，其大小取决于地质体的导电程度，在一次场消失后，该涡流不会立即消失，它将有一个衰减过程，同时又产生一个衰减的二次磁场向掌子面传播，由接收回线接收二次磁场，该二次磁场的变化将反映地质体的电性分布情况。如按不同的延迟时间测量二次感生电动势V(t)，就得到了二次磁场随时间衰减的特性曲线。如果没有良导体存在时，将观测到快速衰减的过渡过程;当存在良导体时，由于电源切断的一瞬间，在导体内部将产生涡流以维持一次场的切断，所观测到的过渡过程衰变速度将变慢，从而发现导体的存在。
　　1.2 现场观测方法
　　由于井下测量环境所限，我们采用边长小于3m的多匝小线框，因此数据采集劳动强度小、工作效率高、成本低;另外井下测量装置距离异常体更近，大大提高测量信号的信噪比。实际测量结果说明，井下测量信号的强度比地面同样有效面积的相同装置测量的信号强10～100倍。井下的干扰信号相对有用信号近似等于零(大于30ms时间段)，而地面测量信号在衰减到一定时间段(一般小于15ms)，就被干扰信号覆盖，无法识别有用异常信号，其数据处理流程为：数据上传—格式转换—数据滤波处理—计算晚期视电阻率—全空间正反演计算。
　　2 实例应用
　　2.1 工程概述
　　淮北某煤矿10414工作面是1104采区(首采区)首采工作面，位于第四个区段。
　　根据采区地质资料，工作面内主要位于牛小集背斜右翼，共有三条断层、断层赋水性较小。影响工作面回采的充水含水层有两层：煤层底板灰岩含水层，和煤层顶、底板砂岩裂隙含水层。顶底板砂岩裂隙含水层是采区矿井充水的直接充水含水层，一般富水性弱。底板灰岩水对工作面开采威胁严重，回采中遇导水性构造，且灰岩水水压高，易于造成采区的突水灾害，是工作面安全生产的重要隐患之一。工作面充水的通道主要有：构造裂隙、开采扰动裂隙、3m以下小断层。正常情况下涌水以淋水和渗透形式进入工作面。根据“大井法”和比拟法估算，工作面正常涌水量为20～30m³/h，最大涌水量为42.5m³/h。
　　10414风巷底板岩巷位于砂岩地层中，且该岩层水文地质地质资料缺乏，为了确保10414风巷底板岩巷安全掘进，采用矿井瞬变电磁法，对10414风巷底板岩巷迎头位置进行超前探查，查明巷道前方120m范围内岩层赋水性，为矿井治水工作提供技术资料。
　　2.2 现场数据采集
　　2.2.1 观测系统布置
　　本次矿井瞬变电磁法勘探测线布置在10414巷道底板岩巷位于风联巷+61m的迎头及两侧帮，3个方向的探测线及瞬变电磁现场探测点布置见图1，左右帮测点间距均为2m，分别采集5个测点，编号10#～14#、1#～5#;迎头测点间距0.5m左右，采集4个测点，编号6#～9#，共布置14×3=42个物理点。为了探测到巷道掘进前方及其顶、底板岩层内富水性，采用多匝田字型线框，小回线测量。 　　2.2.2 采集参数
　　数据采集采用本安型矿用瞬变电磁仪，重叠的工作装置。仪器及装置设置参数如表1。 　　2.3 结果分析
　　图2为10414风巷底板岩巷矿井瞬变电磁超前探测视电阻率等值线拟断面图：横坐标为测点坐标，纵坐标为沿探测方向距离。其中左图、中图和右图分别为顶板、顺层和底板方向探测结果。　　 　　左图中视电阻率等值线变化规律可以看出，视电阻率等值线总体横向变化差异较大：
　　(1)横坐标在-10～0m之间位置，对应巷道左帮;因受到左帮的锚杆支护的影响，造成纵坐标0～60m之间等值线数值在15Ωm以下的相对低阻区域;纵坐标100～120m之间造成等值线数值为15Ωm以下的相对低阻区域，在不考虑岩性变化的条件下，判定为局部含水裂隙发育。
　　(2)横坐标在0～20m之的位置，对应巷道迎头;纵坐标25～100m之间等值线数值大于20Ωm，为明显高阻反映，解释为无明显含水裂隙发育带;纵坐标100～120m之间造成等值线数值为15Ωm以下的相对低阻区域，在不考虑岩性变化的条件下，判定为为局部含水裂隙发育带。
　　(3)横坐标在20～30m之间位置，对应巷道右帮;同样由于受到右帮靠近巷道顶板上锚杆的影响造成相对低阻区域;纵坐标100～120m之间等值线数值为15Ωm以下的相对低阻区域，在不考虑岩性变化的条件下，判定为为局部含水裂隙发育带。
　　中图中视电阻率等值线变化规律可以看出，视电阻率等值线总体横向变化差异较大：
　　(1)横坐标在-10～0m之间位置，对应巷道左帮;同样由于受到左帮的锚杆支护的影响，造成纵坐标0～60m之间等值线数值在15Ωm以下的相对低阻区域。
　　(2)横坐标在5～20m之间位置，对应巷道迎头;绝大部分区域等值线数值大于40Ωm，为明显高阻反映，判定为无明显含水裂隙发育。
　　(3)横坐标在25～35m之间位置，对应巷道右帮;纵坐标82～95m之间等值线数值为25Ωm左右，为相对低阻反映，在不考虑岩性变化的条件下，巷道迎头前方82～95m之间局部含水裂隙发育带，但无强赋水体发育。
　　右图中视电阻率等值线变化规律可以看出，视电阻率等值线总体横向变化差异较大：
　　(1)横坐标在-10～0m之间位置，对应巷道左帮;同样由于受到左帮的锚杆支护的影响，造成纵坐标0～60m之间等值线数值在15Ωm以下的相对低阻区域;左帮底板其他区域均无明显含水裂隙发育。
　　(2)横坐标在0～20m之间位置，对应巷道迎头;绝大部分等值线数值区域大于40Ωm，为明显高阻反映，判定为无明显含水裂隙发育。
　　(3)横坐标在20～30m之间位置，对应巷道右帮;纵坐标50～120m之间造成等值线数值为15Ωm以下的相对低阻区域，在不考虑岩性变化的条件下，判定为为局部含水裂隙发育，但无强赋水体发育，其它范围赋水性较弱。
　　结合矿井地质和水文地质资料和本次瞬变电磁探测结果，对该掘进迎头前方含水、导水构造的分布及连通性探测成果进行综合分析，认为：10414风巷底板岩巷迎头前方120m范围、顶底板上下各80m范围无强赋水体发育，但巷道掘进至100m附近时，顶板可能将有少量淋水现象。经后期实际地层揭露验证，巷道掘进至95m时，砂岩裂隙发育，顶板出现少量淋水，直至120m范围时，巷道仍处于淋水状态，水量稍有增加，与探测结果中掘进至100m出现淋水现象略有偏差，但总体探测结果基本吻合。
　　3 结束语
　　实例应用表明，采用瞬变电磁法在矿井巷道超前探测含水体中获得较好的效果，为矿井巷道的安全掘进提供了可靠地质条件参数，其矿井巷道超前探测含水体成为广泛而有效方法。但目前瞬变电磁时深转换技术仍存在不足，因此该项方法技术需待进一步完善。
　　参考文献：
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