前言：
《煤矿防治水细则》中及其他相关文件规定在防治水工作中，应当加强防治水技术研究和科技公关，推广使用防治水的新技术、新装备，提高防治水工作的科技水平。坚持“预测预报、有掘必探、先探后掘、先治后采”的探放水原则和“有掘必探、有疑必钻”的防治水规定。掘进中为查明工作面前方水文地质情况，防止构造导水及其他水情隐患，通常采用瞬变电磁仪进行超前探测。山西某矿为探查巷道迎头前方富水性，为地质防治水提供参考依据，故邀请福州华虹智能科技股份有限公司到矿进行YCS3000矿用瞬变电磁仪试用试验并取得良好效果，得到矿方较为中肯的试用评价报告。
关键词：防治水；矿井物探；瞬变电磁
1 瞬变电磁原理
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。其基本工作方法是：于地面或井下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。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。通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征。 在电导率为σ、磁导率为μ0的均匀各向同性大地表面铺设面积为S的矩形发射回线，在回线中供以阶跃脉冲电流I（t），
其中： 在电流断开之前，发射电流在回线周围的大地和空间中建立起一个稳定的磁场。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。一次磁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，使空间的磁场不会即刻消失。由于介质的热损耗，直到将磁场能量消耗完毕为止。
由于电磁场在空气中传播的速度比在导电介质中传播的速度大得多，当一次电流断开时，一次磁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，其强度也渐减弱，分布也趋于均匀。研究结果表明，任一时刻地下涡旋电流在地表产生的磁场可以等效为一个水平环状线电流的磁场。在发射电流刚关断时，该环状线电流紧挨发射回线，与发射回线具有相同的形状。随着时间推移，该电流环向下、向外扩散，并逐渐变形为圆形电流环。等效电流环像是从发射回线中“吹”出来的一系列“烟圈”，因此，人们将涡旋电流向上、下和向外扩散的过程形象地称为“烟圈效应”（如图1-2所示）。 “烟圈”的半径r、深度d的表达式分别为： 式中a为发射线圈半径，。当发射线圈半径相对于“烟圈”半径很小时，可得，故“烟圈”将沿47°倾斜锥面扩散，其向下传播的速度为： 从“烟圈效应”的观点看，早期瞬变电磁场是由近地表的感应电流产生的，反映浅部电性分布；晚期瞬变电磁场随时间的变化规律，可以探测大地电性的垂向变化。矿井瞬变电磁法基本原理与地面瞬变电法一样，采用仪器和测量数据的各种装置形式和时间窗口也相同。由于矿井瞬变电磁法勘探环境的限制，测量线圈大小有限，其勘探深度不如地面深。地面瞬变电磁法为半空间瞬变响应，这种瞬变响应完全来自于地表以下半空间地层；而矿井瞬变电磁法为全空间瞬变响应，这种瞬变响应是来自于回线平面上下（或两侧）地层，这对确定异常体的位置带来困难。实际资料解释中，必须结合具体地质和水文地质情况综合分析。
2 煤矿井下瞬变电磁特点
2.1 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；
2.2 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；
2.3 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。井下的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；
2.4 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；
2.5 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；
2.6 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；
2.7 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”。
3 YCS3000矿用瞬变电磁仪简介
YCS3000矿用瞬变电磁仪是一款高档智能型水情水害探测装备。主要由YCS3000-Z矿用本安型瞬变电磁仪主机、KJD3.7矿用本质安全型平板电脑、一套回线装置组成。系统基于时间域瞬变电磁探测原理，主机主要承担瞬变电磁法一次场的发射与二次场的接收，主机内置的全桥发射模组驱动外部发射线圈形成双极性PWM发射波形，向目标体辐射一次稳定直流电场，待电场建立稳定后，主机关闭一次场的输出，同时通过接收线圈采集目标体产生的瞬态二次场信号。再对二次场信号进行抽道、滤波、解算处理并将处理好的数据传回平板电脑。由平板电脑内置的工程、文件管理进行存储并实现现场智能自动反演解析、展示反演结果，并可在现场通过网络上传地面。
4 仪器的特点
4.1仪器操作
4.1.1 设备轻巧
携带轻便，主要由主机、线圈、平板等组成，井下一人可携带操作；
4.1.2 操作便捷智能
1）平板电脑与主机通过蓝牙无线网络通信，井下操作均在平板端，平板设置参数后即可采集，前期将基本参数设置好后不用再修改；主机仅用于显示状态、连接线圈、发射一次场接收二次场。
2）具备智能向导式采集模式，向导式采集可根据设定探测模式，根据智能提示流程进行智能采集。设置采集模式后，当一个测点采集完成后，自动提示下一个测点的方位 ，缩短井下施工步骤，避免出错耽误时间。 4.1.3 独创线圈支架
四段组成的“十”字形碳纤维支架，可保证中心回线共面同心，确保稳定性。之前线圈支撑需要两人操作，现可一人支撑；在人员较少时也可完成工作，人员配置合理高效。 4.2 仪器性能
4.2.1 待机时间长
整体连续工作时间不小于8h。其中平板电脑独立工作时间不小于11h，电磁仪主机独立工作时间不小于8h，可适用于矿上各种工作。
4.2.2 探测盲区小
瞬变电磁在发射的同时也在接收。当断电时，上次发射一次场激发的二次场在衰减过程中还未接收从而形成盲区；仪器系统关断时间短和背景场分离技术，配合高密度时窗序列，盲区小于5m,可大大提高浅层地质分辨能力，减少勘探盲区。
4.2.3 网络功能
平板电脑具有网络连接、通讯功能，可实现视频语音通信，井下数据及处理成果网络环境直接上传地面。井下数据及时上传处理即可指导打钻验证工作，提高功效；传统USB连接井下长时间工作数据不能及时上传耽误时间，仪器网络上传可以很好地解决这一问题。
4.3 软件评析
4.3.1 智能自动成图
平板电脑完成现场向导式数据采集，即可实现井下现场自动成图，快速生成视电阻率剖面图成果图等，在井下可快速识别低阻异常区，方便开展地质编录工作。
4.3.2 软件使用
有全区和晚期两种视电阻率反演算法，成图简单且可随时保存图片，后续可相互验证成果；一套软件实现多台电脑同时安装使用，方便多人交流协作。
4.3.3 软件整体评价
软件操作简单，步骤简单易懂，且输出的信息丰富，基本满足了巷道超前探的全部信息，对地质防治水工作有重大参考价值。
5 探测实例
5.1探测目的
1711上顺槽掘进工作面是采区南翼7号煤层下分层第五个回采工作面的辅助运输顺槽，设计顺槽长度约620m，断面形状为矩形。设计1711上顺槽距推测煤层露头最近处60m，1711上顺槽掘进过程中，煤层露头水可能通过煤层裂隙向工作面充水，造成巷道出现滴淋水现象。为确保巷道的安全掘进，需对巷道前方岩层含水性做进一步的探查。
本次在1711上顺槽掘进工作面（开口向里360m处）处迎头采用矿井瞬变电磁超前物理方法探测迎头前方100m范围内的富水情况。
5.2 施工布置
根据探测任务和现场施工条件，1711掘进工作面巷道迎头瞬变电磁法采用半圆观测系统，水平方向上以掘进中线为基准做13个方向：左偏90°、75°、60°、45°、30°、15°、0°和右偏15°、30°、45°、60°、75°、90°；垂直方向以迎头煤层倾向为基准做3个方向：斜上45°、斜上30°及顺煤层方向。 5.3 数据处理
本次瞬变电磁施工选用福州华虹智能科技股份有限公司生产的YCS3000瞬变电磁仪。瞬变电磁探测数据处理主要流程为：数据上传—测线编辑—参数校正—计算视电阻率—正反演计算—结果成图。
经上述数据处理过程，获得瞬变电磁视电阻率剖面结果，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，结合这个原则进行对探测结果进行分析。
5.4 探测结果及分析
图5-3为1711工作面上顺槽巷道迎头超前瞬变电磁探测斜上 45°方向视电阻率等值线图，线框布置从巷道左侧旋转至巷道右侧，可以了解斜上 45°方向视电阻率分布情况；由图可知1711工作面上顺槽巷道迎头斜上 45°方向出现一处低阻异常区域，位于横坐标-100∽-10m，纵坐标0∽60m，结合矿方地质资料推测可能是由于发育局部富水所致。 图5-4为1711工作面上顺槽巷道迎头超前瞬变电磁探测斜上 30°方向视电阻率等值线图，线框布置从巷道左侧旋转至巷道右侧，可以了解斜上 30°方向视电阻率分布情况；由图可知1711工作面上顺槽巷道迎头斜上 30°方向出现一处低阻异常区域，位于横坐标-100∽-10m，纵坐标0∽50m，结合矿方地质资料推测可能是由于发育局部富水所致。 图5-5为1711工作面上顺槽巷道迎头超前瞬变电磁探测顺层方向视电阻率等值线图，线框布置从巷道左侧旋转至巷道右侧，可以了解顺层方向视电阻率分布情况；由图可知1711工作面上顺槽巷道迎头顺层方向出现一处低阻异常区域，位于横坐标-100∽-10m，纵坐标0∽50m，结合矿方地质资料推测可能是由于发育局部富水所致。 5.5 成果验证
探测成果提交后，矿方根据瞬变电磁探测成果对异常区进行钻探验证；其中钻孔总出水量10m³/h，与物探结果相符。
6 总结
（1）YCS3000矿用瞬变电磁仪实际应用效果较好，物探异常与地质钻探对比校验较为一致，能够为地质防治水工作提供技术依据；
（2）仪器性能稳定，主机轻便灵活，操作简单；
（3）资料解释直观，自研软件成图智能化，软件操作简单，步骤简单易懂，且输出的信息丰富，为煤矿安全生产提供可靠的技术依据。