摘要：瞬变电磁法是勘查地下水体、采空积水区等目标体的有效电测方法。与其它电法勘探方法相比，具有体积效应小，异常响应形态简单，分层能力强，有较强穿透高阻覆盖层的能力，各水平层面和纵向深度探测工作同时完成，提供了较多有用的地质信息。通过实例分析，证明了井下瞬变电磁法是一种高效的水情水害探测手段，对低阻反映灵敏，体积效应较小，易于突出较低的视电阻率异常，划分探测目标的富水区分布情况。
关键词：瞬变电磁法；回采工作面；相对低阻异常区；富水性
1 引言
为了进一步做好矿井防治水工作，确保工作面安全、高效回采，根据《煤矿防治水细则》(2018版)第三十九条“严格执行井下探放水‘两探’要求，采掘工作面超前探放水应当采用物探、钻探两种方法，做到互相验证，查清采掘工作面及周边老空水、含水层富水性以及地质构造等情况”等规章制度要求。受安徽某矿委托，通过收集该工作面以往地质和生产资料，采用瞬变电磁法对工作面底板0～－70m范围内岩层富水区分布情况，为工作面安全回采提供保障，通过实际应用充分说明瞬变电磁法在回采工作面富水性探查中的可靠性。
2 瞬变电磁法原理
瞬变电磁法或称时间域电磁法(Timedomain electro magnetic methods)，简称TEM，它是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲电磁场，在一次脉冲电磁场间歇期间，利用不接地线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。
3 应用实例
3.1 地质任务
探查该矿Ⅱ635工作面机巷、风巷、切眼及工作面内底板下0～－70m范围内岩层电性变化情况和电性分布特征，圈定工作面底板相对低阻区及岩层富水区分布情况。
3.2 地质概况
Ⅱ635工作面位于该矿Ⅱ63采区中下部，为Ⅱ63采区准备的第4个工作面。工作面东部(收作线外侧)为Ⅱ63采区的三条主要下山(轨道、运输、回风)，其外侧靠近采区边界断层---孟口逆断层(∠28～35°H=0～75m)，工作面整体处在孟口逆断层的下盘；南部为已回采结束Ⅱ634工作面；西部切眼外侧为矿界保护煤柱线；北部为尚未布置采掘工程的Ⅱ636工作面。Ⅱ635工作面设计为综采工作面，风巷利用Ⅱ634机巷沿空留巷，机巷及切眼正常掘进，总体上属近走向长壁式布置，工作面走向长1594m(至收作线)，倾斜宽189m；机巷标高-677.0～-744.9m，风巷标高-693.9～-739.1m，切眼标高-683.1～-710.0m。平面位置如图3-1所示。
3.3.1 煤(岩)层赋存特征
根据Ⅱ63采区三维地震二次精细解释资料、地面钻孔资料和工作面实际揭露情况分析，Ⅱ635工作面煤厚2.0～3.5m，平均2.97m，无夹矸；煤层可采性指数为98%，煤厚变异系数为14.5%，综合分析认为Ⅱ635工作面6煤层为结构简单、稳定的中厚煤层。
3.3.2 煤层顶底板岩性、厚度、物理力学性质
根据Ⅱ633工作面机巷实际揭露情况及周围的99-3、06-4、95-2、97-2等地面钻孔资料统计如下：
(1)伪顶：工作面直接顶泥岩层厚2.25～8.37m，其中常常发育2条煤线，当下部煤线以下泥岩层变薄到0.8m以下时而变得不稳定，易发生离层，从而形成伪顶。
(2)直接顶：工作面直接顶为深灰色泥岩，层厚2.25～8.37m，深灰～灰黑色，偶见植物化石，平均5.31m，其中间常常发育2条厚0.1m左右的煤线，当下部煤线距6煤层较近时，形成复合顶板，易离层掉落。
(3)老顶：老顶为浅灰～深灰色细砂岩，1.98～6.4m，平均4.19m，主要成分石英长石，水平层理，含较多暗色矿物，含泥质包体。
(4)直接底：直接底为深灰色泥岩，厚2.40～8.1m，平均5.25m,灰～灰黑色，水平层理，断口平坦，含植物颈部化石，具粉砂质。
(5)老底：细砂岩，厚0～6.64m，平均厚度3.32m，灰色～浅灰色，粉砂质，大量泥质，含粉砂岩薄层，具水平层理,垂直及高角度裂隙发育，方解石不完全充填。
3.3.3 地质构造
(1)地层
Ⅱ635工作面外段倾向基本为NNW～NW，里段倾向NEE。工作面煤层倾角在3～7°,平均5°，煤层整体形态较为平缓，为近水平～缓倾斜煤层，对工作面回采影响较小。
(2)地质构造
Ⅱ635工作面在回采期间可能揭露到的地质构造主要为断层构造、层滑构造。
3.3.4 水文地质
从三维地震二次精细解释资料、地面钻孔资料、Ⅱ63采区内相邻工作面采掘活动情况分析，Ⅱ635工作面周边无导水构造，回采过程中存在的水害影响主要有以下类型：
(1)煤层顶、底板砂岩裂隙水
通过“比拟法”和“大井法”进行计算,得出Ⅱ635工作面回采期间煤层顶、底板砂岩裂隙水正常涌水量为12.08m3/h，最大涌水量为28.55m3/h，对工作面回采具有一定的影响。
(2)六煤层底板灰岩水
根据Ⅱ635工作面周边水文观测钻孔水位情况，水26孔水位为-421.47m、水18孔水位为-299.89m，工作面周围99-3、06-4、97-1钻孔揭露底板隔水层厚度分别为48.92m、47.33m、53.3m，平均为49.85m。计算工作面煤层底板隔水层(至一灰顶界面)太灰水压为2.65～4.45MPa，对应突水系数为0.050～0.0834MPa/m，小于完整块段的临界突水系数0.1Mpa/m，正常情况下可以实现安全回采。
(3)钻孔水
95-2、07-1、97-2孔均位于Ⅱ635工作面内，且封孔良好。其中，95-2孔落入6煤坐标为X=3759028.92，Y=39467837.12，封孔段距为0-816.40m，采用水泥、黄沙封孔，水泥总用量为5400Kg,黄沙总用量为10800Kg，封孔用料为24.31Kg/m，为封孔合格钻孔；07-1孔落入6煤坐标为X=3758858.44，Y=39467598.99，封孔段距为0-840.62m，采用水泥、黄沙封孔，水泥总用量为11000Kg,黄沙总用量为5500Kg，封孔用料为19.61Kg/m，为封孔合格钻孔；97-2孔落入6煤坐标为X=3758881.86，Y=39467174.08，封孔段距为0-784.5m，采用水泥、黄沙封孔，水泥总用量为4750Kg,黄沙总用量为9500Kg，封孔用料为22.82Kg/m，为封孔优质钻孔；Ⅱ635工作面不存在钻孔水威胁。
(4)老空水
Ⅱ635工作面采用沿空留巷工艺，Ⅱ634工作面回采后的老空积水均已从Ⅱ634机巷2#水仓排出，故该工作面不存在老空水威胁。
4 现场布置与数据采集
根据矿方要求的探测目的，结合Ⅱ635工作面现场探测条件，现场施工时分别在Ⅱ635工作面机巷、Ⅱ635工作面风巷、Ⅱ635工作面切眼布置3条测线；每条测线10m布置一个测点，Ⅱ635工作面机巷从J2点前12.5m开始，往切眼方向依次标为0-166#点；Ⅱ635工作面风巷从J5点开始，往切眼以次标为0-166#点；Ⅱ635工作面切眼从Q5点前10m开始，往切眼以次标为0-19#点；每个测点布置5个探测方向：分别是顺层方向、面内俯角30°方向、面内俯角45°方向、面内俯角60°方向、垂直底板方向。详见图4-1；测点布置详见图4-2。
5 探测成果解释与结论
5.1 相对低阻区域划分依据
矿井瞬变电磁法视电阻率值的影响因素主要有：勘探体积范围内煤岩的电阻率、探测系统与异常体的相对位置及周围金属体和巷道积水等的干扰。煤层与煤层含水时形成明显的物性差异，顶、底板岩层构造裂隙发育且含水时与不含水岩层电性差异也比较明显，正因为这些物性差异，所以可将视电阻率值的大小及横向变化认为是煤层或岩层含水性的反映。
对于本次矿井瞬变电磁法探测而言，通过拟断面图的横向及纵向对比分析，参考以往探测经验确定以视电阻率小于15Ω·m作为划分水文异常的阈值。阈值的调整应参考围岩背景值以及电阻率与含水率的关系等因素，综合考虑到异常区的范围大小、视电阻率大小、水文地质条件等因素。
5.2 瞬变电磁成果解释
图5-1为该矿Ⅱ635工作面机巷瞬变电磁探测5个方向视电阻率等值线图，可以了解Ⅱ635工作面机巷顺层方向、俯角30°方向、俯角45°方向、俯角60°方向、底板方向视电阻率分布情况；现对Ⅱ635工作面机巷5个瞬变电磁探测方向成果解释如下：
Ⅱ635工作面机巷顺层方向瞬变电磁探测成果可以看到，顺层方向、俯角30°、俯角45°、俯角60°、底板方向视电阻率值整体较高，五个方向在切眼附近均发现1处视电阻率值低于本次瞬变电磁探测的阈值；
图5-2为该矿Ⅱ635工作面切眼瞬变电磁探测5个方向视电阻率等值线图，可以了解Ⅱ635工作面切眼顺层方向、俯角30°方向、俯角45°方向、俯角60°方向、底板方向视电阻率分布情况；现对Ⅱ635工作面风巷5个瞬变电磁探测方向成果解释如下：
Ⅱ635工作面切眼顺层方向瞬变电磁探测成果可以看到，顺层方向视电阻率值整体较高，均高于本次瞬变电磁探测的阈值；
(2)Ⅱ635工作面切眼俯角30°方向、俯角45°方向、俯角60°方向、底板方向瞬变电磁探测成果可以看到，视电阻率值整体较高，四个方向机巷附近发现1处视电阻率值低于本次瞬变电磁探测的阈值；
图5-3为该矿Ⅱ635工作面风巷瞬变电磁探测5个方向视电阻率等值线图，可以了解Ⅱ635工作面风巷顺层方向、俯角30°方向、俯角45°方向、俯角60°方向、底板方向视电阻率分布情况；现对Ⅱ635工作面风巷5个瞬变电磁探测方向成果解释如下：
(1)Ⅱ635工作面风巷顺层方向瞬变电磁探测成果可以看到，顺层方向视电阻率值整体较高，风巷外段与中段各发现1处视电阻率值低于本次瞬变电磁探测的阈值；
(2)Ⅱ635工作面风巷俯角30°方向、俯角45°方向、俯角60°方向、底板方向瞬变电磁探测成果可以看到，视电阻率值整体较高，四个方向在风巷外段与中段均发现1处视电阻率值低于本次瞬变电磁探测的阈值；
经上述数据处理过程，获得各探测方向瞬变电磁视电阻率剖面成果，图中不同的颜色代表不同的视电阻率值，颜色由冷色调到暖色调说明阻值从小变大的趋势，结合这个原则进行如下分析。
为了解影响Ⅱ635工作面底板70m范围内的电性特征，利用Ⅱ635工作面机巷、Ⅱ635工作面风巷及Ⅱ635工作面切眼3条巷道瞬变电磁数据进行联合反演，制作了Ⅱ635工作面底板10m至底板70m深度剖面图来了解底板10m底板方向的富水性。
经上述数据处理、分析，获得底板70m底板岩层视电阻率剖面图，图中不同的色调表示不同的视电阻率值，并且遵循色调从冷色调到暖色调表示视电阻率值不断升高的规律，具体如附图一所示。
附图一为Ⅱ635工作面底板不同深度视电阻率值剖面图，根据探测结果可以推断工作面底板探测范围内不同深度的电性变化；
附图二为Ⅱ635工作面瞬变电磁探测异常区范围分布图。
5.6 探测结论
(1)本次Ⅱ635工作面瞬变电磁物探探查工程共计完成机巷与风巷各1660m，切眼190m测线布置；每10m布置1个测点，共布置354各测点；每个测点采集5各方向，共完成1770个物理测点数据采集工作；
(2)根据Ⅱ635工作面瞬变电磁物探不同深度视电阻率联合反演切片可看出，本次在Ⅱ635工作面底板进行的瞬变电磁探测范围内发现3处相对低阻区域，分别命名为YC1、YC2、YC3；
YC1位于Ⅱ635工作面风巷一侧(X轴50～350m、Y轴85～185m)，纵向范围分布在煤层底板60～70m范围内；
YC2位于Ⅱ635工作面面内(X轴760～1000m、Y轴0～185m)，纵向范围分布在煤层底板50～70m范围内；
YC3位于Ⅱ635工作面面内切眼附近(X轴1580～1660m、Y轴30～120m)，纵向范围分布在煤层底板10～70m范围内。
6 经验总结
通过在安徽某矿Ⅱ635工作面瞬变电磁法的探测应用，充分说明煤矿井下瞬变电磁法是一种行之有效的水情水害探测方法，同其他探水方法相比，具有以下特点：a)探测方法简单，与钻探相比，探测费用大大降低；b)探测成果清晰直观，电性反映规律性强，反映异常较明显，完全能够满足回采生产的技术要求；c)该工作面风巷为沿空留巷，受工作面采动的破坏，巷道空间较小，巷道内存在大量的支柱，这些外在因素对瞬变电磁探测结果影响较大，对瞬变电磁探测相对低阻区域形成原因的研判造成一定的困难，在数据处理过程中要充分考虑这些因素，结合水文地质、现场情况等资料降低干扰因素、较少多解性的影响。
附图一 Ⅱ635工作面瞬变电磁探测底板不同深度成果图 附图二 Ⅱ635工作面瞬变电磁探测相对低阻区域范围分布图