1 工程概况
8509工作面在8煤中掘进，煤层厚度1.6~2.3m，煤层上部含褐黑色细砂岩夹石一层，厚度0. 2m左右。煤层直接顶板为四灰，灰色，质不纯，厚层状，含薄层状泥质粉砂岩，裂隙较为发育，裂隙为方解石充填。下部含蜒类化石及燧石。直接底板为泥质粉砂岩，厚度0.8~1.2m，灰色，泥质胶结，团块状，含植物化石。
8509工作面底板距五灰、奥灰距离为50~70m，奥灰在本区域内属于强含水层，对工作面后期回采安全威胁较大。为保障回采面的安全生产，因此需对8509工作面底板富水性进行探查，圈定工作面底板存在的富水异常区，经过钻探验证后，回采前有针对性的对富水异常区进行疏水注浆等治理。
2 瞬变电磁法简介
2.1 基本原理
瞬变电磁法属时间域电磁感应方法。其探测原理是：在发送回线上供一个电流脉冲方波，在方波后沿下降的瞬间，产生一个向回线法线方向传播的一次磁场，在一次磁场的激励下，地质体将产生涡流，其大小取决于地质体的导电程度，在一次场消失后，该涡流不会立即消失，它将有一个过渡(衰减)过程(见图2-1)。该过渡过程又产生一个衰减的二次磁场向掌子面传播，由接收回线接收二次磁场，该二次磁场的变化将反映地质体的电性分布情况。如按不同的延迟时间测量二次感生电动势V(t)，就得到了二次磁场随时间衰减的特性曲线。如果没有良导体存在时，将观测到快速衰减的过渡过程;当存在良导体时，由于电源切断的一瞬间，在导体内部将产生涡流以维持一次场的切断，所观测到的过渡过程衰变速度将变慢，从而发现导体的存在(如图2-2)。瞬变电磁场在大地中主要以“烟圈“扩散形式传播，在这一过程中，电磁能量直接在导电介质中传播而消耗，由于趋肤效应，高频部分主要集中在地表附近，且其分布范围是源下面的局部，较低频部分传播到深处，且分布范围逐渐扩大。
2.2 仪器设备
本次探测使用仪器为福州华虹智能科技股份有限公司生产的YCS256矿用本安型瞬变电磁仪(图2-3)，该矿用本安型瞬变电磁仪对低阻充水区域反映特别灵敏、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，既可以用于煤矿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，为煤矿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。
2.3 矿井瞬变电磁探测特点
由于井下特殊施工环境，矿井瞬变电磁法与地面瞬变电磁法以及其它的矿井物探方法有很大的不同，主要有以下几方面的特点：
(1)受井下施工空间所限，无法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，因此与地面瞬变电磁法相比具有测量设备轻便，工作效率高，成本低等优点，可用于其他矿井物探方法无法施工的(长度有限或掘进迎头超前探测等);
(2)由于采用小线圈测量，点距更密(一般为2~20m)，体积效应降低，横向分辨率提高，再者测量装置靠近目标体，异常体感应信号较强，具有较高的探测灵敏度;
(3)由于小线框发射电磁波的方向性明显，井下超前探测时，探测目标区域更具针对性;
(4)受发射电流关断时间的影响，早期测量信号畸变，无法探测到浅层的地质异常体，一般存在10～20m左右的浅部探测盲区;
(5)井下施工时，测量数据容易受到金属物(采煤机械、变压器、金属支架、排水管道等)的干扰，需要在资料处理解释中进行校正或剔除。
矿井瞬变电磁法同样面临全空间电磁场分布的问题。因煤层通常为高阻，电磁波易于通过，所以煤层对瞬变电磁法来说就没有像对直流电场那样的屏蔽性，故瞬变电磁法所测信号为线框周围全空间岩石电性的综合反映。但可利用小线框体积效应小、电磁波传播具有方向性的特点，通过改变线框平面方向并结合地质资料来判断地质异常体的空间位置。
3 现场工作技术方法
3.1 井下观测系统布置
本次探测于2013年11月28日完成现场数据采集，采集区域包含8509工作面出口巷的390m、8509工作面机巷的280m，具体物理测点布置详见附图1所示。
本次主要是探测8509工作面底板的富水性，结合探测现场情况及要求，在每个测点上布置四个探测方向。现场测点布置为每10m一个测点，具体的布置方式如图3-1所示。
图3-1 单个测点布置示意图
根据实际施工条件，共布置测点69个，每个测点均探测4个方向;在8509工作面出口巷布置测点40个，弃点0个，每个测点探测4个方向;8509工作面机巷布置测点29个，弃点0个，每个测点探测4个方向。考察巷道底板下方100m范围电性的变化情况。每组数据选择80个时间窗口，具体采集数据量见表3-1。
表3-1 2013年11月28日现场瞬变电磁探测工作量统计表
4.1 数据处理
本次瞬变电磁探测数据处理采用YCS256矿用本安型瞬变电磁仪配套的处理系统，其处理主要流程为：数据上传—格式转换—数据滤波处理—计算晚期视电阻率—正反演计算—结果成图。
4.2 结果解析
经上述数据处理，获得工作面底板各方向瞬变电磁剖面结果，图中用不同色调代表岩层不同的视电阻率值，从冷色(蓝)到暖色(红)的变化，分别反映出岩层视电阻率从低到高的变化情况。本次8509工作面瞬变电磁探测视电阻率值在0Ω•m~200Ω•m之间，定义视电阻率值在20Ω•m以内为低阻异常区。
图4-1映的是8509工作面出口巷底板探测四个方向的视电阻率值拟断面图，图中横坐标表示为测线长度，纵坐标表示为探测深度。
图4-1 8509工作面出口巷瞬变电磁底板各方向视电阻率拟断面图
8509工作面出口巷底板探测结果显示，在坐标点18m~30m、140m~220m、270m~330m、350m~390m出现视电阻率值低值区域，分析为底板五灰、奥灰富水引起的视电阻率异常。同时局部区域岩层电性变化较大，分析为底板裂隙发育，存在导水可能。
图4-2反映的是8509工作面机巷底板探测四个方向的视电阻率值拟断面图，图中横坐标表示为测线长度，纵坐标表示为探测深度。
图4-2 8509工作面机巷瞬变电磁底板视电阻率拟断面图
图4-3反映的是8509工作面底板不同深度上的视电阻率分布图，分别提取出深度30m、38m、45m、50m、60m及70m深度的视电阻率值切片。
图4-3 8509工作面底板不同深度视电阻率值切片图
5 结论及建议
5.1 结论
根据8509工作面出口巷、8509工作面机巷的瞬变电磁探测结果及现场收集的地质资料，得出如下结论：
本次8509工作面底板瞬变电磁探测结果共存在3处低电阻异常区域，具体范围如图4-3所示圈出区域(定义(x，y)分别为x轴方向的范围和y轴方向的范围，坐标原点为8509出口巷0#测点处)。
表5-1 8509工作面底板瞬变电磁探测结果
本次探测结果显示异常2和3的视电阻率值较低，其中2号异常范围大，对该工作面的回采影响大，应提前钻孔疏水注浆治理，确保回采面施工安全。同时说明现场探测时，异常1~3受到现场环境的一定干扰，对探测结果解析造成一定的干扰。
5.2 建议
(1)根据《煤矿防治水规定》的相关规定：物探方法作为煤矿现场工作的辅助手段，不能代替钻探，采取物探和钻探相互结合的方式才能满足实际生产需要。因此建议要针对低阻异常区进行钻探，同时对地质分析可能存在水害隐患的区域施工钻孔，确保生产安全。
(2)8509工作面回采前建议矿方根据提供的物探资料进行钻探验证，钻探首先应针对2号异常区虚线圈定范围进行钻探验证，然后根据2号异常区的钻探验证结果，再对其它相对低阻异常区进行验证;针对存在的裂隙发育、富水区进行注浆治理，确保安全后方可回采。
(3)瞬变电磁结果是反映底板不同深度岩层的相对视电阻率值，因此后期钻探资料对结果的休整极为重要，矿方可把前期的钻探结果及时反馈给物探施工方，可以对探测结果进一步的修正，提高物探解释精度。
6 验证结果
我们于2014年2月跟该矿联系，收集矿方实际揭露资料，矿方反应这次瞬变探测结果比较准确，具体验证情况如下：
瞬变电磁物探结果显示在80~240m 范围为强富水区，推测为五灰、奥灰富水影响。该矿在工作面底板探水钻孔验证中，出口巷140m、160m、190m、220m四组8个钻孔，每组钻孔方向为底板和面外30度，出水在3m3/h-20 m3/h 之间，190m面外钻孔出水量略大，约在20 m3/h;机巷在70m，110m，140m，190m，220m五组10个钻孔，每组钻孔方向为底板和面外30度，出水在3m3/h-27 m3/h 之间，其中190m钻孔出水略大，约在27m3/h ，与探测结果基本吻合。
作者简介：
满凯凯，男，桂林理工大学勘查技术与工程专业，福州华虹华东办事处助理工程师。
