摘 要：瞬变电磁法迎头超前探测在煤矿矿山有广泛的应用。为验证瞬变电磁法迎头超前探测在铝土矿山是否同样适用，文本通过在贵州某铝土矿的应用试验，分析瞬变电磁法在灰岩与铝土矿地层中的数据特点和应用效果，说明瞬变电磁在铝土井工矿井地质防治水中同样适用，具有极大的应用推广价值。
关键词：瞬变电磁法、井工矿井、迎头超前探测、铝土矿、地质防治水
1 地质概况与任务
1.1 地层概况
       1101工作面和1104工作面位于贵州某矿山一采区，含矿层位为古生界二叠系中统梁山组P2l，从上至下为黑色炭质页岩，褐黄色灰质白云岩，黑色炭质页岩，褐黄色豆鲕状铝土矿(岩)，灰白色土状铝土矿，褐色碎屑状铝土矿，灰绿色绿泥岩，杂色铝土质页岩，厚3～10m。
       上部为厚层栖霞茅口组灰岩，灰至深灰色中厚层状含泥质细晶灰岩，会燧石团块及泥质条带。层间、特别是下部夹黑色炭质页岩顶部有约5～10米厚的浅灰色含铁硅质岩、紫红色粉砂质泥岩，或中粒石英粉砂岩。作为与上覆吴家坪组分界的标志层。在矿区广泛分布，地貌上多形成陡崖。下部为黄龙组肉红色厚层状粗晶灰岩，主要分布于矿区西翼，厚度不稳定，连续性差。之下为中下统韩家店组，紫红色页岩夹灰绿色页岩。
       巷道在梁山组掘进，伪顶板为中二叠统梁山组(P2l)上部的炭质泥岩和铝土岩。黑色炭质泥岩中炭质含量很高，一般厚度0.1～0.2m，部分位置可达到劣质煤的水平，质极软，性脆，污手，抗压强度Rc=5-18.1Mpa，岩石抗物理风花能力极弱。直接顶板为中二叠统梁山组(P2l)顶部的白云质灰岩、泥质灰岩、泥灰岩、炭质泥岩，厚2～3m。老顶为中二叠统栖霞组(P2q)底部的深灰～黑灰色中厚层～厚层细晶灰岩、泥质灰岩夹深灰～黑色薄层生物碎屑泥灰岩，含少量燧石，层间泥质、炭质较多。
       伪底板为中二叠统梁山组(P2l)下部褐灰-浅灰色中厚层致密块状铝土岩，厚0～7m，大部分1～3m厚，平均厚约1.5m左右。铝土岩中Al2O3和A/S已接近甚至有部分已达到铝土矿边界品位，可以少量混入回采的矿石中。直接底板为中二叠统梁山组(P2l)底部深灰～灰黑色薄至中厚层状铝土质泥岩，顶部含少量豆状、碎屑状燧石，厚度与其上覆块状铝土岩呈相互消长关系，厚0～3.5m，平均厚约2.5m。老底板为上石炭统黄龙组(C2h)灰岩和下中志留统韩家店群(S1-2hj)顶部页岩。黄龙灰岩为浅灰、灰白色、浅肉红色中～粗晶白云质灰岩，其底局部可见原生角砾。该层分布零星，厚0～7米，与上覆及下伏地层均呈假整合接触。韩家店群(S1-2hj)页岩为的灰绿、黄绿、黄灰色页岩，夹紫红色页岩、粉砂质页岩。总厚大于400米。
1.2 水文地质概况
       采场位于鹿池向斜东部，距向斜轴较远，处于整个矿区稳定水位(海拔+1140m)之上。矿体之上直至地表均为含水层，厚度140～244m，平均约178m，采场以东90～180m是地表悬崖，采场之上无地表径流，地下水由大气降水补给。在大量溶蚀空洞中有极少量的地下水径流，在断层、裂隙中有少量的地下水流出。
1.3地质构造概况
       矿区的一级褶皱为鹿池向斜，该向斜轴向20°～25°，枢纽向北北东倾伏，略呈波状起伏，总体倾角10°左右。矿区位于向斜南端翘起部位。向斜自北而南逐渐收缩变窄。向斜两翼明显不对称：东翼倾角较缓，倾向290°～320°；西翼岩层倾角较陡，自地表向深部从二十余度变至三十余度，变化具渐变性，西翼岩层倾向105°～120°。向斜轴面在0号勘探线以南略向西倾斜，倾角约为80°，0号勘探线以北轴面逐渐变成直立。
       周边1102工作面在掘进过程中遇到2条断层，垂直断距分别为7m和9m。断面两侧附近节理、裂隙发育，岩石破碎。采场内地层层序清楚，层理清晰，巷道掘进工作面上节理不发育。由于矿区矿层之上灰质岩石较厚，加之在向斜形成过程中形成的次级构造发育，导致矿区岩溶发育，在向斜两翼分别形成网状岩溶通道，纵横交错，形成众多的岩溶区(溶蚀区)。
1.4 探测任务
       矿山主要受岩溶构造导通地表降水影响，为响应行业的安全规范，提高矿井防治水能力，拟对瞬变电磁物探方法在矿区的适用性做现场实验。旨在验证瞬变电磁法在本矿区探查巷道迎头前方、前方顶板、前方底板富水情况的准确性和有效性。为公司进一步开展物探工作提供了技术参考。

       选择1104运输顺槽掘进工作面、1103运输顺槽掘进工作面和1101切眼掘进工作面两个位置作为实验探测点。图中蓝色区域为探测覆盖范围。
2 瞬变电磁法简介
2.1 探测地球物理条件
       由于沉积矿产地层的沉积序列比较清晰，在原生地层状态下，导电性特征在纵向上有其固定的变化规律，而在横向上相对比较均一；在同一个岩层内，电性分布相对均一(层内均一性)；不同岩层组合，其垂向电性分布和变化是有序的且与岩性组合顺序相对应(垂向规律有序性)。不同岩性的导电性一般存在明显差异，一般而言泥岩、页岩、粉砂岩、中粗砂岩、灰岩的电阻率是依次增高的。
       当存在采空区(积水或不积水)及岩层岩溶、裂隙、断层破碎带等构造(即地质异常体)时，地质异常体及其附近导电性分布将发生明显变化(物性异常)；如果构造内不含水，则其导电性较差，使局部电阻率值增高；如果构造含水，由于矿井水的矿化度较高(实测地下水矿化度8.13～20.13g/L)，因其导电良好，相当于存在局部低电阻率值地质体。岩层或煤层、铝土矿层的富水情况将决定其电阻率的高低情况。
        据此，通过瞬变电磁测深法探测煤层上方岩层电阻率及其变化，可以判定岩层的结构状态和富水性，可以判断采空区、断层等构造分布及富水情况，这是矿井瞬变电磁法探测岩层富水性的物理前提。
2.2 矿井瞬变电磁法的特点
       矿井瞬变电磁法与地面瞬变电磁法相比具有以下几个方面的特点：
       (1)由于井下测量环境不同与地表，不可能采用地表测量时的大线圈(边长大于50m)装置，只能采用边长小于3m的多匝小线框，因此数据采集工作量小，测量设备轻便，工作效率高，成本低；
       (2)由于采用小线圈测量，点距更密(一般为2～10m)，降低体积效应的影响，提高勘探分辨率，特别是横向分辨率；
       (3)在井下，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。井下干扰信号相对于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；
       (4)地面瞬变电磁法勘探一般只能将线圈平置于地面测量，而井下瞬变电磁法可以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；也可以将线圈直立于巷道内，当线圈面平行巷道掘进前方，可进行超前探测，当线圈面平行于巷道侧帮，可探测工作面内以及工作面顶、底板一定范围内含水低阻异常体的发育规律；
       (5)矿井瞬变电磁法由于受勘探环境的限制，测量线圈大小有限，其勘探深度不如地面深，一般深度在100m以内；
       (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”。
2.3 仪器设备

       本次探测使用的仪器为福州华虹智能科技股份有限公司生产的MTEM瞬变电磁仪。该矿用本安型瞬变电磁仪对低阻充水区域反映灵敏、体积效应小、纵横向分辨率高，且具有施工方便、快捷、效率高等优点，既可以用于井工矿山掘进头前方超前探测，也可以用于巷道侧帮、煤层顶、底板等探测，为井工矿山企业在生产过程中可能存在的水患和导水构造的超前预测预报提供技术手段。
3 现场施工布置及探测条件
3.1 现场施工布置
       本次进行的井下探测项目总体依据以下思路进行工作：
       1、前期资料收集 2、明确探测任务
       3、物探方案设计 4、现场数据采集
       5、数据处理 6、成果图初步分析
       7、水文地质分析 8、提交实验报告
       瞬变电磁法超前共布置巷道前方顶板斜上30°、顺巷道掘进方向、巷道前方底板斜下30°三个横剖面(图3-1-a)和迎头正前方纵剖面共四条测线。根据探测任务和现场施工条件，1104回风顺槽为钢梁支护，三条横剖面探测角度覆盖左前方45°到右前方45°共90°范围(图3-1-b)。1101切眼为顶板挂网支护，三条横剖面探测角度覆盖左帮到右帮共180°范围(图3-1-c)。横剖面探测角度间隔均为15°，纵剖面探测角度覆盖顶板斜向上40°到底板斜向下50°，探测角度间隔10°(图3-1-d)。
       纵剖面共布置10个测点，测点布置详情为从1#测点垂直巷道顶板开始至10#测点垂直巷道底板结束，角度间隔10°，见图3-1-d纵剖面测点布置示意图。

3.2 现场探测条件
       1104回风顺槽：钢梁支护，后侧3米为综掘机，无积水，巷道断面款4m，高2.8m，净高2.2m。
       1101切眼：顶板挂网，两帮无支护，上山，无积水，巷道断面宽4m，高2.8m，净高2.4m。
4 数据处理与结果解释
4.1 数据处理
       METM瞬变电磁仪采集的原始数据为电压对电流的对数值。将数据室内回放，原始数据打开后呈现如图4-1所示的两部分曲线，纵坐标表示某个测点的实测V/I值，从上到下依次为1～80道，0、E-1、……、E-6分别表示值为0、0.1、……、1000000，以对数方式显示，单位为“微伏/安培”；横坐标表示该记录的若干个测点记录，即实际采集了多少个采样点；“x=**”表示第几个测点记录，“y=**”表示该测点的实测V/I值。下半部分的曲线为选中曲线测道显示，其中“x=**”表示上半部分x表示测点的测道显示。

       从剖面图上可以简单的分析出测区的电性大致分布趋势，峰值越大表示该区域地下的导电性较好，视电阻率就越趋于小，相对显示低阻异常。这是在后续的数据处理及异常区判断一个根据。软件处理主要流程为：
       数据上传—格式转换—数据滤波处理—计算晚期视电阻率—时深转换—结果成图。
4.2 1104回风顺槽物探成果
       图4-2 1104回风顺槽物探数据为经过METM瞬变电磁仪配套软件处理后形成的视电阻率等值线图。图4-2a为前方顶板斜上300探测方向的视电阻率等值线图；图4-2b为巷道前方顺层方向视电阻率等值线图；图4-2c为巷道前方底板斜下300视电阻率等值线图；图4-2d为巷道迎头纵剖面视电阻率等值线图。
       图中红色、黄色、绿色、蓝色依次代表了不同位置岩层电阻率由高到底的变化过程。一般地认为低阻位置岩层含水率高，高阻位置岩层含水率低。

分析图4-2可得如下结果：
       (1)在不同探测方向，顶板到底板的视电阻值由低变高，说明顶板岩层阻值较低，底板岩层阻值较高，顶板含水性总体高于顺层，底板岩层含水性最小。
       (2)顺层不同方向电阻值变化较大，迎头前方40m左右，在顶板以上20m有富水异常区。迎头前方偏右15°顺层方向也显示为低阻。
       (3)在顶板方向左侧电阻率普遍高于右侧，说明左侧岩层含水率高于右侧。
4.2 1103回风顺槽物探成果
       图4-2 1103顺槽物探数据为经过METM瞬变电磁仪配套软件处理后形成的视电阻率等值线图。图4-2a为前方顶板斜上30°探测方向的视电阻率等值线图；图4-2b为巷道前方顺层方向视电阻率等值线图；图4-2c为巷道前方底板斜下30°视电阻率等值线图；图4-2d为巷道迎头纵剖面视电阻率等值线图。
       图中红色、黄色、绿色、蓝色依次代表了不同位置岩层电阻率由高到底的变化过程。一般地认为低阻位置岩层含水率高，高阻位置岩层含水率低。

分析图4-2可得如下结果：
       (1)在不同探测方向，顶板到底板的视电阻值总体较高，顶板岩层阻值较高，底板岩层阻值局部较低，底板含水性总体高于顺层，顶板岩层含水性最小。
       (2)在顶板方向电阻率普遍较高，右侧电阻值略低于左侧。
       (3)顺层不同方向电阻值变化不大，但在左前方30°方向60m左右及右前方0°方向60m左右出现相对低阻区，阻值变化明显。
       (4)底板不同方向电阻值变化较大，左前方电阻值明显偏低，右侧45°方向距离探测点60m外存在相对低阻区，阻值变化明显。
4.3 1101切眼物探成果
       图4-3为1101切眼物探数据经过METM瞬变电磁仪配套软件处理后形成视电阻率等值线图。图4-4 1104回风顺槽瞬变电磁法超前探测视电阻率等值线图。图4-3a为前方顶板斜上300探测方向的视电阻率等值线图。图4-2b为巷道前方顺层方向视电阻率等值线图。图4-2c为巷道前方底板斜下300视电阻率等值线图。图4-2d为巷道迎头纵剖面视电阻率等值线图。

分析图4-3可得如下结果：
       (1)顶板方向岩层电阻率普遍低于顺层和底板，其中底板方向电阻率最高，顶板含水性总体高于顺层，底板岩层含水性最小。
       (2)左帮从顶板到底板都存在一定程度低阻异常，在左侧50m距离以外有岩层低阻区。
       (3)迎头正前方无明显低阻异常。
       (4)右前方45°距离探测点60m距离以外顶板方向有小范围低阻异常。
6 结论适用性分析
       (1)此次三个探测位置测得顶板到底板电阻值有低到高的变化特征符合本区域顶板含水性高于底板的实际情况。说明该瞬变电磁物探设备在铝土矿井巷条件下的探测结果能反映局部区域性地质特征，具有一定的应用价值。
       (2)在同一横剖面中不同方向电阻值差异表现明显，说明瞬变电磁物探能够区分不同方向电阻值变化，对辅助钻探工程探测富水异常区确定靶区很有帮助。
       (3)在同一探测方向上，当地层含水性变化较大时，如1101切眼顶板视电阻率剖面图中，物探成果亦能显现出不同位置阻值高低的变化，说明瞬变电磁探测对探测低阻异常区亦能提供距离上的参考。
       (4)在铝土矿井巷施工条件下，影响瞬变电磁法使用效果的不良因素主要是巷道断面平整度、钢梁支护和综掘机三方面。在瞬变电磁探测施工前，应尽量将施工位置整理平整，扩大瞬变电磁线圈摆放空间，增加线圈与金属支护和设备的距离，减小金属物体对物探成果的影响。