关键词：综合物探；瞬变电磁法；直流电法；采空区；富水性探测
1、前言
甘肃某矿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。通过采用两种物探手段对3506工作面掘进迎头前方100m范围内3504工作面采空区富水性情况进行探测。为工作面防治水工作提供物探资料。
2、技术原理简介
2.1、瞬变电磁法
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。
2.2、直流电法
直流电法是依据单极—偶极电阻率法测量原理，在均匀介质中，利用单点电源A供电，另一供电电极B置于“无穷远”(使B点电源场在探测区域内可以忽略)，点电源A形成的等位面为球面，通过观测测量电极M、N之间的电位差，该电位差为MN所夹球壳内岩体的综合电性响应。通过在掘进头后方滚动布置供电测量电极对，获取测量电极之间的电位差。
3、应用实例设计简述
3.1、地质任务
采用矿井瞬变电磁法超前探测技术，探查3506工作面回风顺槽L6点前25m处至3506工作面回风顺槽506/12#点前174.6米处之间500m范围开展综合物探超前探测，探查采空区，共开展6个循环，每个循坏探测迎头前方100m范围内的富水情况，掘进80m进行下一个循环，探测长度500m。
3.2、地质概况
3.2.1、工作面概况
巷道布置在中侏罗统延安组第一段(J2y1)煤5层中，井下标高在+977.415m～+995.125m之间；地面标高约在+1563.5m～+1671.4m之间。位于井田三采区北翼，北部为井田边界，西部为待回采的3506工作面，南部与三采区轨道下山相连接，东部为3504工作面采空区，3506工作面走向长998.966m，倾向长172.307m。
图3-1 3506工作面采掘工程平面示意图
井田内构造简单，没有大的断裂构造，裂隙不发育。且直接充水含水层埋深大，其上部又有多个隔水层覆盖，地表水系不发育，矿井直接充水含水层与地表水基本无联系。煤5层顶底板直接充水含水层水量很小，单位涌水量小于0.1L/(s.m)。
3.3、现场布置与数据采集
3.3.1、瞬变电磁法现场布置
瞬变电磁法施工按照半圆观测系统布置，以巷道迎头为中心点呈扇形布置13个探测点，最左、最右探测点与巷帮垂直，每个探测点夹角15°；每个探测点剖面上观测3个方向，分别为斜上30°方向、顺层方向、斜下30°方向；同时，位于迎头巷中沿巷道掘进方向做纵向竖直剖面，自巷道顶板90°至底板90°方向，每个测点夹角15°；每次瞬变电磁探测巷道采集13×3+13=52个瞬变电磁物理点。详见图3-2。
图3-2 3506工作面回风顺槽瞬变电磁探测单次测点方向布置示意图
单次直流电法超前探测，布置八个发射电极，每次接收八组数据，后移动八组接收电极两次，电极间距4m，测线布置长度约为116m，其中，电极从巷道掘进迎头与底板相交处依次布置发射点，A1、A2……A8号电极，后极依次以4m间距沿巷道走向布置M1、M2……M8接收电极，接收完成后，继续移动布置在M9、M10……M16，M17、M18、M24，M8与M9、M16与M17重合；布置时电极位于底板巷道中心轴线上，如图3-3。
图3-3 电法超前单次探测示意图
4.1、数据处理
4.1.1、瞬变电磁数据处理
为获得丰富的地质信息和较好的显示形式，在综合分析了测区地质、水文地质、地震等现有资料基础上，对处理流程及参数进行了多次试验，获得了较理想的处理效果。软件处理主要流程为：数据上传——格式转换——数据滤波处理——计算全期视电阻率——时深转换——结果成图。本次井下瞬变电磁法(TEM)资料处理和解释工作是在“矿井TEM数据处理与解释系统”专用软件中进行处理和解释的。最终形成等视电阻率断面图。
4.1.2、直流电法数据处理
现场实测资料经计算机处理后，根据测区的不同情况，经自动迭代回归分析和常系数代入处理。数据处理步骤一般包括新建工程、坐标输入、查看观测系统、计算视电阻率曲线图、生成视电阻率剖面图、生成视电阻率二维相关系数图。
4.2、成果解释
4.2.1、瞬变电磁法成果解释
通过对甘肃某矿3506工作面回风顺槽的瞬变电磁法迎头追踪超前探测，合计得到6个异常区。具体情况如表4-1、附图1所示。
表4-1 瞬变电磁法异常区情况表
4.2.2、直流电法成果解释通过对甘肃某矿3506工作面回风顺槽的直流电法迎头追踪超前探测，合计得到13个异常区。具体情况如表4-2、附图2所示。
表4-2 直流电法异常区情况表
4.3、探测结论结合6次瞬变电磁探测与直流电法的探测结果，共计得出6个综合异常(ZHYC1、ZHYC2、ZHYC3、ZHYC4、ZHYC5、ZHYC6)，推测与3506工作面附近3504工作面采空区积水有关。
5、矿方验证
针对物探异常区，矿方进行了钻探验证。具体情况如下表5-1所示。
表5-1物探验证探放水钻孔情况表
6、结束语
通过在甘肃某矿3506工作面回风顺槽瞬变电磁探测法的探测应用，充分说明煤矿井下瞬变电磁法与直流电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：
1)瞬变电磁法与直流电法具有施工周期短、效率高、效果好的优点,为矿井防治水提供了可靠依据；
2)在瞬变电磁与直流电法的探测结果中可以发现，异常区视电阻率值呈现梯度变化，表示该区域富水条件发生了变化。随着巷道掘进以及对采空区积水的疏放，探测结果中异常区视电阻率值由大变小，再由小变大；3504工作面采空区运输顺槽巷道由下山变为上山。
综合物探结果以及水文地质条件得出，3504工作面采空区运输顺槽在下山时且在3506工作面回风顺槽对其完成疏放水后，物探探测异常区视电阻率值发生由大到小的变化；随着3504工作面采空区巷道变为上山段时且在3506工作面回风顺槽对探测区段内的3504工作面采空区最低点进行疏放水后，物探探测异常区视电阻率值发生由小到大的变化。
3)实践证明,矿方对异常区进行了钻探验证,验证结果与物探结果非常吻合,为该矿安全生产提供了可靠的地质资料。
附图1、3506回风顺槽瞬变电磁法迎头追踪超前探测成果图
