摘要：瞬变电磁法具有对地下水反应敏感，分辨率高的特点。为此使用福州华虹公司研发生产的YCS40(A)矿用瞬变探测仪，此仪器属于小功率瞬变电磁仪，采用共中心分离回线装置线圈，对老鹰山煤矿新建斜井附近地表灰岩中溶洞发育情况进行了探查，指出车场及新建斜井附近以下至100米高度的范围内，地表灰岩中溶洞发育的概况及溶洞富水性分析，为新建斜井掘进提供了可靠的技术支持。经斜井疏放水和掘进验证资料表明，小功率瞬变电磁仪在地表浅层探测中具有较高的分辨率和准确性。
　　关键词：瞬变电磁法，小功率瞬变电磁仪，灰岩溶洞发育，富水性探测
　　1 前言
　　老鹰山煤矿位于贵州西部的凉都—六盘水市，距市中心区17km的钟山区老鹰山镇境内，老鹰山煤矿矿井井田走向长6.2km，面积7.5km²，煤层皆为二叠系煤层，煤层埋藏浅，变质程度较高，而地表皆为灰岩地貌，其中溶洞较为发育。为了满足生产要求，矿井需新建一个副井斜巷，近期大气降水较多，在距斜井口东南200m处位置，出现了一个10×5×5m³的塌陷区域，根据资料分析，斜井巷道周边一定的范围内具有溶洞群发育，因此使用小功率YCS40(A)矿用瞬变电磁仪，探测斜井周边地下溶洞群发育情况，为斜井的开拓提供技术支持。
　　2  探测原理
　　瞬变电磁的基本工作方法是：于地面设置通以一定波形电流的发射线圈，从而在其周围空间产生一次磁场，并在地下导电岩矿体中产生感应电流，断电后，感应电流由于热损耗而随时间衰减，衰减过程一般分为早、中和晚期(见图一)。 　　早期的电磁场相当于频率域中的高频成分，衰减快，趋肤深度小; 而晚期成分则相当于频率域中的低频成分，衰减慢，趋肤深度大。通过测量断电后不同时间的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征[1]。如图一所示，在线圈中通以阶跃电流，在电流断开之前，发射电流在回线周围的大地和空间建立起一稳定的磁场，在t=0时刻，将电流突然断开，由该电流产生的磁场也立即消失。一次场的这一剧烈变化通过空气和地下导电介质传至回线周围的大地中，并在大地中激发出感应电流以维持发射电流断开之前存在的磁场，使空间磁场不会立即消失。
　　由于介质的欧姆损耗，这一感应电流将会迅速衰减，这种迅速衰减的磁场又在其周围的地下介质中感应出新的强度更弱的涡流，这一过渡场继续下去，直至大地的欧姆损耗将能量消耗完为止。这便是大地中的瞬变电磁过渡场，伴随这一过渡场存在的电磁场就是大地的瞬变电磁场。
　　应该指出，由于电磁场在空气中传播的速度比导电介质中传播的速度大得多，当一次电流断开时，一次场的剧烈变化首先传播到发射回线周围地表各点，因此，最初激发的感应电流局限于地表，地表各处感应电流的分布也是不均匀的，在紧靠发射回线一次磁场最强的地表处感应电流最强。随着时间的推移，地下的感应电流便逐渐向下、向外扩散，其强度逐渐减弱，分布趋于均匀，感应电流呈环带分布。 　　瞬变电磁法测量装置由发射回线和接收回线两部分组成，工作过程分为发射、电磁感应和接收三部分。当发射回线中通以阶跃电流I，发射电流突然由I下降到零，根据电磁感应理论，发射回线中电流突然变化必将在其周围产生磁场，该磁场称为一次磁场，一次磁场在周围传播过程中，如遇到地下良导电的地质体，将在其内部激发产生感应电流，又称涡流或二次电流，由于二次电流随时间变化，因而在其周围又产生新的磁场，称为二次磁场。由于良导电地质体内感应电流的热损耗，二次磁场大致按指数规律随时间衰减，形成瞬变磁场，二次磁场主要来源于良导电地质体的感应电流，因此它包含着与地质体有关的地质信息，二次磁场通过接收回线观测，并对观测的数据进行分析和处理，对地下地质体的相关物理参数进行解释[2]。
　　3  现场探测及施工方法
　　本次探测所采用福州华虹智能科技开发有限公司研发的YCS40(A)瞬变电磁系统。探测采用共中心分离回线装置，采用这种装置可以减少线圈之间的互感影响[3]。发射匝数9，接收匝数18，发射线圈边长1.5m，接受线圈边长2.5m，在车场采用三横两纵布置测线(红色线条为布置测线)： 　　 　　探测任务及数据量，每个测线布置20个测点，测点间距为10m，下表是工程量： 　　4 探测结果分析
　　虽然我们采用的是小功率瞬变电磁仪，但是受自感影响仍存在一定的盲区(10-15m)，车场位置处地表裸露较大区域的灰岩，由于灰岩本身是较高电阻率值的岩层，在探测解释成果中也会出现较高的视电阻率值，而灰岩中的溶洞发育及富水性则在高阻的灰岩中更易探测，因此在数据解释时，结合地质情况，对低阻异常进行解释，便可以推测出溶洞群的发育。
　　一般情况下，在同一条件下岩石的电阻率不会发生变化。但如果岩石(矿物)出现空区或者充水那么岩石的电阻率就会发生大的变化[4]。从下图中可以发现，在测线I与测线II的结尾处出现了探测视电阻率存在较大差异，在测线的70m，地表下方深部30m开始的区域，往地下延伸，存在低阻异常(红色点线区域)，结合地质资料分析判断：在测线I与II结尾处灰岩溶洞较为发育，具有一定的富水性，由于此处距斜井巷道开拓位置较远，对于巷道的危险性较小，但是注意此处地表覆盖层的稳定性，以防止溶洞扩大，造成塌陷;在测线II与测线V切片结果图中，整体上都没大问题，在测线V结尾处，出现了比较明显的低阻区域，而此区域正是斜井巷道开拓的位置，推测此异常为受巷道前方溶洞发育影响。结合现场及地质资料分析：此处地势相对较高，溶洞有发育，但是发育不是很完全，斜井巷道开拓方向前方会遇到溶洞，但是此区域溶洞相对较小，富水性较弱，对于巷道开拓不会产生大的影响，建议矿上在巷道开拓时进行打钻探放水。 　　由于测线I、II、V布置平行于巷道开拓方向，因此在巷道开拓至距地表30m左右时候需要设计钻孔进行探放水，由于溶洞的范围均来自巷道右帮，因此钻场设计在巷道右帮，在圈定的相对富水异常区进行打钻放水，先期在在距地表30m、40m、50m相对富水区各施工钻孔3个，观测钻孔放水情况。钻孔布置如图六所示，共施工钻孔9个，孔深60m，累计进尺540m。经钻探及巷道揭露验证：巷道掘进中，巷道右帮正常涌水量13-25m3/h，最大突水量为40 m3/h。分析圈定富水异常区总放水量为1200 m3。小功率瞬变电磁法在浅表层探测溶洞发育及富水性时具有相当的准确性，同时为煤矿的安全生产提供一定的技术支持。 　　 　　5 结论
　　(1)小功率瞬变电磁既可以在矿井中使用也可以在地面使用，由于其供电电流较小，减少了仪器关断时间影响，加大了仪器观测时间，降低了盲区影响范围，提高了勘探浅层的分辨率，为西南片区尤其是贵州这种喀斯特地貌查找地表浅部溶洞提供了比较便捷的技术方法。
　　(2)TEM探测视电阻率拟断面图及视电阻率响应曲线是判断探测区域富水异常最重要的一点，在剖面中有低阻异常的位置，是最有可能含水的地方。虽然从视电阻率结果图上不能判断富水区的准确位置，但为地质解释提供了重要依据。
　　(3)瞬变电磁法具有对低阻体反映灵敏、分辨率较高的特点，用于对水害的探测具有其它物探方法无可比拟的优点。同时瞬变电磁法还具有施工方便、高效、成本低、对地形地物条件要求小等优点。
　　参考文献
　　[1] 牛之琏.时间域电磁法原理.长沙：中南工业大学出版社,1992：6-7
　　[2] 牛之琏，瞬变电磁测深曲线微分参数解释方法，中南矿冶学院学报，VOL.23，NO.,1992，30-35。
　　[3]. Chen M S, Yan S, Shi X X. Problem of detection of large depth by a small loop in TEM. The 7th China International Geo-Electromagnetic Workshop, 2006, Chengdu, China: 26-30
　　[4] 陈金方，于景邨.矿井TEM探测导水陷落柱及检测注浆效果.江苏煤炭,2002(4)：7-8
　　作者简介
　　赵虎，男，安徽理工大学地理信息系统专业。华虹公司西南办事处主任工程师。