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李秀云 赵虎 杨先寿
（贵州大学资源与环境工程学院 550025）
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摘要：矿井瞬变电磁法在矿井中采集数据时候，受到现场巷道环境、空间影响，对于最终采集的数据有很大影响或干扰，如何利用矿井现场有限的空间采集多且有效的数据，笔者根据多年的矿井物探工作经验，总结出一套适用于矿井瞬变电磁观测网布置方法，利用不同的巷道采集多组数据，利用不同的巷道采集同一区域数据，最后综合分析提供准确结果。
关键词：矿井瞬变电磁法；矿井瞬变电磁观测网；综合分析
1 概述
瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Methods)，又称时间域瞬变电磁法(Time Domain Electromagnetic Methods)，简称TEM或TDEM，它是利用不接地回线或接地线源(电极)向地下发送一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场的间歇期间，利用线圈或接地线源(电极)观测二次涡流场的方法。矿井瞬变电磁法(MTEM)是利用井下巷道空间进行瞬变电磁应用专门技术。矿井瞬变电磁采用同地面瞬变电磁法相同的工作原理，但是又区别于地面瞬变电磁法勘探，与其相比矿井瞬变电磁勘探采用多匝数、小面积回线组合工作装置探查矿井不同位置含水构造，具有比地面瞬变电磁更高的分辨率、体积效应小、旁侧影响小、测量速度快和轻便等优点(于景邨，1999～李貅，2002)。矿井瞬变电磁与地面瞬变电磁相比具体的特点如下：
1)由于井下测量环境与地表不同，不可能采用地表测量时的大圈(边长大于50m)工作装置，只能采用边长小于3m的多匝小线框，因此与地面瞬变电磁相比具有数据采集工作量小，测量设备轻便、工作效率高、成本低等优点；
2)采用小线圈测量，测点间距更密(一般为2～10m)，体积效应小，可以提高勘探分辨率，特别是横向分辨率；
3)井下测量装置距离异常体更近，异常响应幅度大，性噪比高。实际测量表明，井下测量信号的强度比地面同样有效面积的工作装置测量的信号强10～100倍。
4)地面瞬变电磁勘探一般只能将线圈平放于地面测量，井下瞬变电磁法探测方向更具灵活性：可将线圈置于巷道底板测量，探测巷道底板下一定深度内含水异常体垂向和横向发育规律；可将线圈平行且接近巷道掘进前方放置，进行巷道超前探查；可将线圈平行于巷道侧帮放置，探查巷帮内或工作面内低阻异常体发育特征。
5)矿井瞬变电磁法主要在井下巷道进行施工，受巷道空间限制，满足地面方法横向二维测网布置条件具有一定难度。
6)矿井瞬变电磁法属于全空间探测，全空间瞬变电磁场的传播规律更复杂，线源瞬变电磁场的传播是向顶板、底板、侧帮各个方向传播。
7)矿井环境下人文、电磁干扰因素较多，如井下50HZ的工频干扰，以及铁轨、皮带架、掘进机、耙矸机、锚杆、锚链网等不规则金属物的“低阻污染”(李貅，2002；刘树才，2004)。
2 可行性分析
2.1多巷多方向联合反演测网模型设计
1)巷道1、巷道2、巷道3同水平，相邻巷道距离30m(图1)；
2)巷道1、巷道2、巷道3横向瞬变电磁测点间距10m，分别进行垂直巷道底板方向、巷道底板下左右帮30度方设置(图2)；
3)提取巷道1、巷道2、巷道3底板下20m层位测网(图3)。
关键词：矿井瞬变电磁法；矿井瞬变电磁观测网；综合分析
1 概述
瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Methods)，又称时间域瞬变电磁法(Time Domain Electromagnetic Methods)，简称TEM或TDEM，它是利用不接地回线或接地线源(电极)向地下发送一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场的间歇期间，利用线圈或接地线源(电极)观测二次涡流场的方法。矿井瞬变电磁法(MTEM)是利用井下巷道空间进行瞬变电磁应用专门技术。矿井瞬变电磁采用同地面瞬变电磁法相同的工作原理，但是又区别于地面瞬变电磁法勘探，与其相比矿井瞬变电磁勘探采用多匝数、小面积回线组合工作装置探查矿井不同位置含水构造，具有比地面瞬变电磁更高的分辨率、体积效应小、旁侧影响小、测量速度快和轻便等优点(于景邨，1999～李貅，2002)。矿井瞬变电磁与地面瞬变电磁相比具体的特点如下：
1)由于井下测量环境与地表不同，不可能采用地表测量时的大圈(边长大于50m)工作装置，只能采用边长小于3m的多匝小线框，因此与地面瞬变电磁相比具有数据采集工作量小，测量设备轻便、工作效率高、成本低等优点；
2)采用小线圈测量，测点间距更密(一般为2～10m)，体积效应小，可以提高勘探分辨率，特别是横向分辨率；
3)井下测量装置距离异常体更近，异常响应幅度大，性噪比高。实际测量表明，井下测量信号的强度比地面同样有效面积的工作装置测量的信号强10～100倍。
4)地面瞬变电磁勘探一般只能将线圈平放于地面测量，井下瞬变电磁法探测方向更具灵活性：可将线圈置于巷道底板测量，探测巷道底板下一定深度内含水异常体垂向和横向发育规律；可将线圈平行且接近巷道掘进前方放置，进行巷道超前探查；可将线圈平行于巷道侧帮放置，探查巷帮内或工作面内低阻异常体发育特征。
5)矿井瞬变电磁法主要在井下巷道进行施工，受巷道空间限制，满足地面方法横向二维测网布置条件具有一定难度。
6)矿井瞬变电磁法属于全空间探测，全空间瞬变电磁场的传播规律更复杂，线源瞬变电磁场的传播是向顶板、底板、侧帮各个方向传播。
7)矿井环境下人文、电磁干扰因素较多，如井下50HZ的工频干扰，以及铁轨、皮带架、掘进机、耙矸机、锚杆、锚链网等不规则金属物的“低阻污染”(李貅，2002；刘树才，2004)。
2 可行性分析
2.1多巷多方向联合反演测网模型设计
1)巷道1、巷道2、巷道3同水平，相邻巷道距离30m(图1)；
2)巷道1、巷道2、巷道3横向瞬变电磁测点间距10m，分别进行垂直巷道底板方向、巷道底板下左右帮30度方设置(图2)；
3)提取巷道1、巷道2、巷道3底板下20m层位测网(图3)。
图1 巷道横向测点平面图
图2 横向测点探测方向图
图3 巷道底板下20m测网图
2.2 设计施工要求
1)准确控制各个测点的探测方向；
2)合理规避现场不规则金属物的影响；
3)详细记录每条巷道中各个测点的现场条件，包括巷道高低、线框距离金属物的距离及不规则金属物的名称、大小等。
井下瞬变电磁法具有施工灵活、小线框勘探体积效应小的特点，可以对现场不规则金属物的干扰进行一定规避，并且对受干扰点可进行一定有效校正，也可对不同巷道不同背景场进行有效校正，以上特点为联合反演测网模型方案在井下实施提供了前提。
3 应用案例
3.1 三巷多方向联合反演在底板灰岩水发育中的应用
1)施工方案及探测结果
探查庚三皮带下山底板灰岩含水层在庚三采区的发育情况，利用庚三皮带下山、庚三轨道下山和庚三人行下山三巷空间，结合井下瞬变电磁法探测方向灵活、体积效应小的特点，采用三巷联合反演二维水平测网的方法评价庚三皮带下山底板下L7灰岩水的发育情况。施工方案及探测结果详细见图4，三巷瞬变电磁测点探测方向布置图见图5，庚三皮带下山底板下L7灰岩层位测网提取及结果图见图5，测网提取结果中分别圈定LYC1～LYC5共五处相对富水异常区。
2)合理规避现场不规则金属物的影响；
3)详细记录每条巷道中各个测点的现场条件，包括巷道高低、线框距离金属物的距离及不规则金属物的名称、大小等。
井下瞬变电磁法具有施工灵活、小线框勘探体积效应小的特点，可以对现场不规则金属物的干扰进行一定规避，并且对受干扰点可进行一定有效校正，也可对不同巷道不同背景场进行有效校正，以上特点为联合反演测网模型方案在井下实施提供了前提。
3 应用案例
3.1 三巷多方向联合反演在底板灰岩水发育中的应用
1)施工方案及探测结果
探查庚三皮带下山底板灰岩含水层在庚三采区的发育情况，利用庚三皮带下山、庚三轨道下山和庚三人行下山三巷空间，结合井下瞬变电磁法探测方向灵活、体积效应小的特点，采用三巷联合反演二维水平测网的方法评价庚三皮带下山底板下L7灰岩水的发育情况。施工方案及探测结果详细见图4，三巷瞬变电磁测点探测方向布置图见图5，庚三皮带下山底板下L7灰岩层位测网提取及结果图见图5，测网提取结果中分别圈定LYC1～LYC5共五处相对富水异常区。
图4 三巷瞬变电磁测点探测方向布置图
图5 庚三皮带下山底板下L7灰岩层位测网提取及结果图
2、验证结果
针对探测结果所圈定异常区，矿方共布置Y1#～Y2#七个探水钻孔，钻孔出水情况见表1，即庚三皮带下山周边探水孔一览表，并且矿方根据本次探测结果及钻孔验证结果设计了相关的防治水方案。
表1 庚三皮带下山周边探水孔结果一览图表
3.2 单巷多方向联合反演下分层小窑采空区应用
1)施工方案及探测结果
为了查清己15-22180回采工作面底板下己组下分层己16-17煤层受小煤矿采动情况，因此采用瞬变电磁法勘探方法，利用己15-22180回采工作面底板下西总机巷道单巷空间通过瞬变电磁法多方向联合反演对己15-22180回采工作面采面底板下己16-17煤层小窑采空区进行全方位探测。施工方案及探测结果详细见表1，西总机单巷瞬变电磁法测点探测方向图见图6，西总机单巷多方向联合反演己16-17煤层小窑采空区测网提取及结果图见图7，探测结果图中共圈定YC1和YC2两个异常区，推断其为小窑采动后积水导致的相对富水异常区。
图6 西总机单巷瞬变电磁法测点探测方向图
2)验证结果
本次探测结束后矿方根据探测异常区分布情况，设计相应钻孔进行钻探验证，其中Ⅰ-Ⅳ#钻孔斜穿过探测成果图中YC1相对低阻异常区范围，出水量约40m³/h，后减小为20m³/h。Ⅱ-Ⅱ#钻孔终空位置落在探测成果图中相对高阻区域未出水。详细如图8所示。
本次探测结束后矿方根据探测异常区分布情况，设计相应钻孔进行钻探验证，其中Ⅰ-Ⅳ#钻孔斜穿过探测成果图中YC1相对低阻异常区范围，出水量约40m³/h，后减小为20m³/h。Ⅱ-Ⅱ#钻孔终空位置落在探测成果图中相对高阻区域未出水。详细如图8所示。
图7 西总机单巷多方向联合反演己16-17煤层小窑采空区测网提取及结果图
图8 钻探验证结果图
4 小结
通过对多巷多方向联合反演测网模型进行设计，并对施工方案可行性分析后，最终通过结合现场条件按照多巷或单巷多方向探测实际应用后，可总结出该方案在解决煤矿相对复杂的地质水害问题中能够取得一定的效果。同时还可以有效的解决瞬变电磁浅部的盲区问题，为矿上安全生产提供一定技术支持。
附中文参考文献：
陈金方，于景村．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.
李貅，2002.瞬变电磁测探的理沦与应用[M].西安：陕西科学技术出版社.
刘树才，岳建华，刘江，2004.西部保水开采中的水文电法勘探技术[J].中国矿业大学学报，33(2)：56.
牛之琏，1991.一维层状大地的瞬变电磁测深正演计算[J].煤田地质与勘探.(6)：3
于景邨，1999.矿井瞬变电磁理论与应用技术研究[D].徐州：中国矿业大学，4.
殷长春,刘斌，1994.8.瞬变电磁法三维问题正演及激电效应特征研究[J].地球物理学报.37(增刊)：486-490.
文章摘自《贵州科学》32(3)
通过对多巷多方向联合反演测网模型进行设计，并对施工方案可行性分析后，最终通过结合现场条件按照多巷或单巷多方向探测实际应用后，可总结出该方案在解决煤矿相对复杂的地质水害问题中能够取得一定的效果。同时还可以有效的解决瞬变电磁浅部的盲区问题，为矿上安全生产提供一定技术支持。
附中文参考文献：
陈金方，于景村．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.
李貅，2002.瞬变电磁测探的理沦与应用[M].西安：陕西科学技术出版社.
刘树才，岳建华，刘江，2004.西部保水开采中的水文电法勘探技术[J].中国矿业大学学报，33(2)：56.
牛之琏，1991.一维层状大地的瞬变电磁测深正演计算[J].煤田地质与勘探.(6)：3
于景邨，1999.矿井瞬变电磁理论与应用技术研究[D].徐州：中国矿业大学，4.
殷长春,刘斌，1994.8.瞬变电磁法三维问题正演及激电效应特征研究[J].地球物理学报.37(增刊)：486-490.
文章摘自《贵州科学》32(3)
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