摘要：瞬变电磁法具有对地下水反应敏感，分辨率高的特点。使用YCS256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，对贵州汪家寨煤矿新建斜井附近地表灰岩溶洞发育情况进行了探查，指出车场及新建斜井附近地表以下100m范围内，地表灰岩中溶洞发育的概况及其富水性分析，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灰岩富水性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，溶洞富水性
    汪家寨煤矿位于贵州西部六盘水市，距市中心区23km的钟山区汪家寨镇境内，汪家寨煤矿矿井井田走向长8.2km²，面积9.5km²，煤层为二叠系煤层，煤层埋藏浅，变质程度较高，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，由于大气降水较多，在距斜井口东南200m处位置，出现了一个(10×6×4)m³的塌陷区域，根据资料分析，斜井巷道周边存在一定溶洞群，为探清斜巷周边溶洞发育情况，使用YCS256小功率瞬变电磁仪进行探测为斜井的开拓提供技术支持。
1 探测原理
    矿井瞬变电磁的工作方法是：在工作现场设置通以一定方波电流的发射线圈，在其周围空间产生一次磁场，在地下导电岩矿体中产生感应电流，断电后，感应电流由于受热损耗而随时间衰减，衰减过程一般分为早、中和晚期，见图l。

图1 EM探测原理

    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，如图1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稳定的磁场，在t=0时刻，将电流突然断开，由该电流产生的稳定磁场也立即消失，原先稳定的一次磁场这剧烈变化通过空气和地下导电介质传至接受线圈周围的岩体中，并在岩体中激发出感应电流以维持之前存在的一次磁场，使空间磁场不会立即消失。
    由于介质的欧姆损耗效应，感应电流将会迅速衰减，这种衰减迅速的磁场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接近光速，比在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，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，岩体的感应电流便逐渐向深部、向外扩散，其强度逐渐减弱，分布趋于均匀，感应电流呈环带烟圈装分布(图2)。

图2 通电线圈产生的电场

    矿用瞬变电磁法测量装置由发射和接收线圈两部分组成，工作过程分为发射脉冲电流、电磁感应和接收感应电场3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(图3)。

图3 通电线圈产生的磁力线

    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。
2 现场探测及施工方法
    本次探测所采用福州华虹智能科技股份有限公司最新研发的YCS256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。发射线圈匝数10匝，接收线圈匝数20匝，发射线圈边长8m，接受线圈边长6m，在车场采用3条横向测线两条纵向测线。

图4 现场探测布置示意图

    探测任务及数据量，每个测线布置19个测点，测点间距为5m，见表1。

表1 现场探测工程任务表

3 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(10m左右)，车场地处较大区域的灰岩裸露区，灰岩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现场的地质情况，对低阻异常进行解释，便可以推测出溶洞群的位置及具体的发育情况(图5，图6)。

图5 测线I与测线Il纵向深度视电阻率切片图

图6 测线||与测线V纵向深度视电阻率切片图

    参考以前探测经验，相同条件下岩石的电阻率不会发生太大变化。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。从上图中可以发现，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，往深部延伸存在低阻异常(红色点线区域内)，结合现场资料分析判断：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，但是注意此处地表岩层的稳定性，以防止溶洞扩大，造成坍塌；在测线II与测线V切片结果图中，探测区域内不存在溶洞发育区，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，因此设计钻场布置在巷道右帮，在对预测的相对富水区进行打钻放水，先期在在距地表30m、40、50m相对富水区各施工钻孔3个。经钻探及巷道揭露验证，巷道掘进中，巷道右帮平均涌水量17m³／h，最大突水量为40m³／h。分析圈定富水异常区总放水量为1100m³。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一定的准确性，能够为煤矿的安全生产提供一定的技术支持。
4 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，减小了仪器关断影响时间，提高了仪器观测时间，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小范围地表溶洞，提供了比较便捷的探测技术方法；
    2) 采用YCS256瞬变电磁仪，根据其记录的256个测道对数据的整体划分，大大的提高了仪器分辨率，增加了对地质异常分析的准确性，对于探测结果的异常划分也更加明确。

摘自《贵州科学》32卷