张龙科，王 磊

(1.国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，陕西 西安 710021；2.陕西省煤田物探测绘有限公司，陕西 西安 710005)

0 引言

在资源开采过程中经常会碰到一些较大的地质灾害，这些地质灾害不仅打破了资源空间的连续性，而且很有可能导致矿井事故，给煤矿安全生产造成了很大的威胁。因此矿井超前物探具有非常重要的意义。矿井瞬变电磁法是近些年在矿井巷道内探查其周围空间物质以及含水构造的一种矿井物探方法，此方法的体积效应小、分辨率高、对低阻区敏感，是目前矿井水害探测的最佳方法之一[1-4]。

该钻探方法虽然准确，但其效率低、成本高，对巷道的正常掘进生产影响大，另外钻孔探测为一孔之见，不能对前方大区域的范围给予评价，盲目性极强。因此，开展了矿井瞬变电磁超前探测的应用实践，以期高效、准确地解释巷道迎头的前方地质状态，进而提高矿井的生产效率。

1 矿井瞬变电磁法理论基础

1.1 矿井瞬变电磁法原理

磁场方面：矿井瞬变电磁法(MTEM)是利用不接地回线，在井下巷道内摆设通额定电流的发射线圈，使其周围的空间发生电磁感应产生了一次电磁场，在巷道周围的导电良好的岩矿体中也产生了一次电磁场，并使巷道周围导电围岩中产生了感应电流[5-8]。在电流关断之前，电流在回线的周围建立起一个稳定的空间磁场。在t=0时，突然将电流断开，由该电流周围产生的磁场也会立即消失。空间磁场的剧烈变化通过空气和周围导电介质传送到回线周围岩层中，为了不使空间原先的磁场立即消失从而在岩层里激发出二次感应电流以平衡周围介质原先存在的磁场。这种磁场的能量会随着周围介质的热损耗而消耗掉。

电流方面：由于电磁场传播的速度在空气中比在导电介质中快，当断开一次电流时，一次磁场剧烈的变化首先会传播到周围巷道的侧帮和顶底板。由此刚开始激发的感应电流仅仅局限于巷道附近的岩层之中，且在巷道附近各处的分布是不均匀的，在巷道的顶底板处最强。随着时间推移，感应电流会向外逐渐扩散，其强度也会逐渐减弱，电流的分布趋于均匀。通过研究得到：在任一时刻，巷道的顶底板导电岩层中的涡旋电流在巷道空间内产生的磁场，可以等效认为是一个环状线电流产生的磁场。在电流刚关断时刻，环状电流靠近发射回线，与发射回线有着相同的形状。随着时间的后移，电流环会向外扩散，并逐渐变形为圆电流环。该等效电流环类似从发射回线“吹”出来了一系列“线圈”，由此，将巷道顶底板中导电岩层的涡旋电流向外扩散称为“烟圈”效应。

1.2 瞬变电磁法应用特点

地面瞬变电磁法特点：地面瞬变电磁法勘探与其他物探方法相比具有体积效应小、工作效率高、纵横向分辨率高、低阻反应灵敏的特点[9-11]。根据近年来矿井直流电法的发展思路和应用经验，将地面瞬变电磁方法勘探同理应用于矿井下。采用多匝数以及小回线工作装置探查不同矿井不同深度的含水构造，该方法与地面瞬变电磁法勘探相比，具有分辨率较高，体积效应较小、旁侧影响较小、测量速度较快以及轻便等优点。受巷道周围勘探环境的影响，回线线圈大小有限，且勘探深度不如地面深，其深度一般会在100 m左右。地面瞬变电磁勘探为半空间响应，这种响应主要来自于地表下半空间的地层，给明确异常体位置带来了困难，在实际资料解释中，必须结合地质以及水文地质情况进行综合分析。

井下瞬变电磁法特点：总体来说，井下瞬变电磁法与地面瞬变电磁法相比具有以下的特点。①由于井下勘探条件的影响，矿井瞬变电磁勘探的工作装置，采用了边长不大于3 m的多匝线框，测量设备较轻便、数据采集工作量较小、工作效率极高、成本较低等优点；②井下勘探点距(一般为2～10 m)，可以降低体积效应，提高电磁法勘探在横向上的分辨率；③井下勘探距离异常体近，提高了采集信号的信噪比，试验表明，相同有效面积的工作装置，井下采集数据信号的强度比地面的信号强10～100倍；④由于关断时间的影响，井下瞬变电磁勘探往往在浅部形成15 m左右的盲区；⑤对于井下干扰比较大的地方需要在后期资料处理中进行合理的校正或剔除；⑥与井下直流电法、地震等物探方法相比，井下瞬变电磁法不受巷道的耦合条件影响，适应性较广，施工效率较高。

瞬变电磁法应用方向：根据瞬变电磁法对于低阻区域比较敏感的属性，其应用方向主要有3种：①巷道掘进前方的富水性超前探测以及评价；②巷道工作面顶板和底板的富水性探查以及评价；③回采工作面的老空水区域探测，废弃老巷道探查。

2 应用实例

2.1 工程背景

矿区内出露地层有石炭系中上统壶天群组(C2+3ht)，二叠系下统栖霞组(P1q)、当冲组(P1d)，上统乐平组(P2l)和长兴阶(P2ch)等地层。井田位于矿区中部，物性比较稳定区内，测井段所见主要岩性有硅质岩、泥岩、页岩、粉砂岩、石英砂岩、煤(石墨矿)层等。在有些钻孔中还见到了花岗岩。井田地质特点比较稳定，结构较简单，大多在可采厚度以上，煤质好，顶底板岩性较稳定，与煤层有一定的物性差异(见表1)。煤层在测井参数曲线上反映的异常组合规律和对比规律较好，界面特征点较明显，绝大部分煤层可利用测井曲线进行定性与定厚解释，经井壁取芯验证，误差在规定范围之内。综上，井田内煤(石墨)层电阻率值具有明显的低阻特征，具备井下瞬变电磁超前探测的地球物理前提。

表1 鲁塘井田岩煤层物性参数表

2.2 实例分析

在运输巷道掘进过程中，发现上方有老巷道出露，并有少量积水流出，为了保证安全生产，在石门开采资源同时进行了迎头超前勘探。本次探测采用的仪器为华虹YCS 512矿用本安型，具有自动存储功能、自动化程度高、稳定性好，高分辨率、高灵敏度等特点，本次探测采用大小为1 m的重叠回线装置，发射线圈20匝，接收线圈40匝，发射电流4 A左右。线框摆放的位置与底板30°的夹角进行采集数据，随后对采集的数据进行了处理，得到的物探结果如图1所示。

图1 掘进迎头前方超前探资料解释

由图1看出巷道迎头左帮0°～15°方向，纵坐标15～40 m位置视电阻曲线呈低阻凹陷，条带状分布，通过了解周围的地质情况，推断此处含水性较大，因此进行了钻孔验证，验证结果与物探结果相符，从而达到了此次物探的目的。

3 结语

通过实例演示，可以看出瞬变电磁法探测深度大约60 m左右，采集的设备轻巧，操作简单，井下施工较为方便、工作效率高及反映地质效果好，能够较好地适应目前矿井水文地质勘探工作要求。该方法可有效预测巷道掘进迎头前方的含水异常，以及前方采空区的积水情况和裂隙发育区的含水情况。为了更好地服务于矿井掘进，在分析物探资料时，尽可能多的结合井下已知的勘探条件，从而做出更全面的分析解释。