【摘要】煤礦安全生產(chǎn)受到了社會各界的廣泛關(guān)注，而在礦井各種災(zāi)害事故中，巷道突水事故由于其發(fā)作兇猛、危害大等特點(diǎn)而成為煤礦安全領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。目前在地下水文勘探中，使用較多、技術(shù)較成熟的是瞬變電磁法，該方法可以較為準(zhǔn)確反映出巷道前方地質(zhì)體的空間特征。本文針對該方法的基本原理和運(yùn)行機(jī)制研究，并通過實(shí)際案例介紹了該方法在巷道超前探測中的具體操作環(huán)節(jié)，分析了相關(guān)的影響因素，總結(jié)了在操作過程中需要注意的關(guān)鍵問題，具有一定的推廣價值。

【關(guān)鍵詞】瞬變電磁法；巷道突水；水文勘探

1.引言

在井下煤礦開采和巷道掘進(jìn)過程中，不可避免的會遇到一些威脅到井下安全的地質(zhì)情況，如斷層破裂帶、裂隙發(fā)育區(qū)、巖溶等。這些地質(zhì)構(gòu)造一方面提高了煤層的開采難度，增大了開采工作量，更重要的是容易引發(fā)井下突水、冒頂?shù)仁鹿剩绕涫蔷峦凰鹿?，一旦發(fā)生就會造成災(zāi)難性的影響，對巷道、煤炭資源、電氣設(shè)備甚至井下工作人員的生命安全都造成了嚴(yán)重的威脅。因此，必須采取有效手段，在巷道掘進(jìn)過程中，超前預(yù)測前方地質(zhì)構(gòu)造，保障巷道安全。瞬變電磁法最早由加拿大地球物理學(xué)家提出一種礦井物探技術(shù)，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前該技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟，并形成了一套行之有效的應(yīng)用方案。該方法可較好的勘探出巷道周圍空間不同形態(tài)的含水構(gòu)造，且具有方向性強(qiáng)、分辨率高、對低阻區(qū)敏感等優(yōu)點(diǎn)。利用該方法，可以迅速、高效且準(zhǔn)確的超前探測巷道迎頭前方賦水狀態(tài)，大大減少了勘探所需的時間和工作量，節(jié)約了生產(chǎn)成本。

2.瞬變電磁法原理分析

瞬變電磁法利用不接地回線或接地線源在井下空降內(nèi)發(fā)射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間，利用線圈或接地電極觀測二次渦流場的方法。通過研究二次渦旋電磁場的時空分布特征來完成探測地質(zhì)構(gòu)造及含水特征等任務(wù)。

瞬變電磁法具有方向性，因此在探測時令線圈法線方向?qū)?zhǔn)預(yù)定的被探方向發(fā)射階躍電流，然后利用接收線圈測量感應(yīng)二次場。通過接收到的二次場的感應(yīng)電動勢隨時間的變化特征，隨后經(jīng)數(shù)據(jù)的解釋處理確定相關(guān)的地質(zhì)特征，同時準(zhǔn)確的圈定異常區(qū)域的距離、范圍等情況。在礦井中使用該技術(shù)時，在信號探測范圍內(nèi)，介質(zhì)巖層按電性特征的不同，各自反饋回信號響應(yīng)，接收回線線圈接收到反饋后，按以下視電阻率演化公式進(jìn)行計(jì)算：

該公式是在地面電磁數(shù)據(jù)處理方式的基礎(chǔ)上，加上了全空間響應(yīng)系數(shù)C的影響，從而使其適用于井下探測的數(shù)據(jù)處理；S為接收回線線圈面積；N為線圈匝數(shù)；t為二次場衰減時間；V/I為接收的歸一化二次場電位場值。

3.影響因素分析

井下巷道結(jié)構(gòu)多變，環(huán)境復(fù)雜，且具有較多的管道與設(shè)備，這些人工設(shè)施對測量工作帶來了一定的影響，必須在數(shù)據(jù)處理階段加以調(diào)節(jié)，抵消干擾影響，否則探測結(jié)果可能較大幅度的偏離真實(shí)值，給巷道的安全掘進(jìn)埋下隱患。根據(jù)長期的勘探實(shí)踐和總結(jié)，影響井下瞬變電磁法超前探測中主要人文設(shè)施有：①巷道的鐵軌；②工字鋼支護(hù)；③金屬管路；④運(yùn)輸皮帶支架。由以上分析可以看出，干擾源基本是由人工鋪設(shè)的金屬設(shè)施組成的，原因在于這些金屬物件在探測裝置發(fā)射出瞬變電磁場時會產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁響應(yīng)，這些響應(yīng)信號輻射至測試裝置的接受線圈后，會同正常反饋的探測信號相疊加，導(dǎo)致信號的異常波動，從而給信號處理帶來了較大的誤差。

4.應(yīng)用實(shí)例

（1）地質(zhì)概況 礦井屬于石炭二疊紀(jì)煤田，區(qū)內(nèi)地勢平坦。地層自上而下依次為第四系、第三系、二疊系、石炭系、奧陶系。第四系主要為淺黃、褐黃色松散的黏土夾砂層。第三系以黏土為主，上部夾砂層，下部夾鈣質(zhì)黏土等。二疊系為含煤地層之一，主要由泥巖、砂巖及煤層組成。石炭系主要由砂巖、泥巖、灰?guī)r及煤層組成。奧陶系以石灰?guī)r、泥灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r為主。

（2）水文地質(zhì)條件 由于工作面煤層埋藏較深，一般不受第四系含水層影響，主要是受煤系地層含水層以及奧陶系灰?guī)r水影響。本次瞬變電磁勘查重點(diǎn)是要查明巷道掘進(jìn)前方含水層和泥巖、泥灰?guī)r互層含水層中的富水區(qū)域?qū)ο锏谰蜻M(jìn)的影響。

（3）探測結(jié)果 使用多匝重疊小回線裝置形式，線圈匝數(shù)為20匝，線圈邊長2m，根據(jù)井下防爆要求，發(fā)射電流采用2A，關(guān)斷時間約1.5ms，64次疊加，進(jìn)行了順層方向的探測。橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)為從掘進(jìn)頭始的超前探測距離。超前探測距離公式為：

其中：M為發(fā)送磁矩；ρ1為表層電阻率；η為最小可分辨電壓。由上式可知，瞬變電磁的探測深度與發(fā)送磁矩、覆蓋層電阻率及最小可分辨電壓有關(guān)。從圖1可以看出，距離迎頭正前方50～75m，距離右側(cè)側(cè)幫25～50m范圍內(nèi)，視電阻率值降低；距離左側(cè)側(cè)幫30～55m，距離迎頭45m范圍內(nèi)，視電阻率值降低，表明該范圍內(nèi)巖層電性發(fā)生變化。結(jié)合地質(zhì)資料，推測該范圍為老窯積水區(qū)。在掘進(jìn)頭繼續(xù)向前掘進(jìn)時順煤層打鉆，鉆孔涌水，證明該范圍確為積水區(qū)，探測結(jié)果得到較好驗(yàn)證。

5.總結(jié)

瞬變電磁法經(jīng)過多年的實(shí)踐摸索，已逐漸應(yīng)用成熟。通過大量的實(shí)際案例證實(shí)，該方法具有探測深度較大、施工方便、探測操作簡單、耗費(fèi)時間短、成本可控性高等優(yōu)點(diǎn)，尤其是其探測具有方向性的優(yōu)勢使得該方法特別適合于在類似井下巷道這樣的狹小空間內(nèi)實(shí)施勘探，較好的滿足了當(dāng)前煤礦水文地質(zhì)勘探的需求。相信隨著我國煤炭工業(yè)的不斷發(fā)展，瞬變電磁法必將為我國煤礦安全生產(chǎn)提供更有力的保障。

作者簡介

宋兆勝，出生于1971年11月，男，山東省棗莊市人，中專學(xué)歷，工作于安徽省煤田地質(zhì)局第三勘探隊(duì)地質(zhì)科，主要從事野外地質(zhì)編錄工作。