坑道掘进瞬变电磁超前探水技术应用分析

张平松 ，李永盛，胡雄武

（1.同济大学 土木工程学院，上海 200092；2.安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南 232001）

1 引 言

瞬变电磁法在坑道掘进超前水害探测中发挥了重要作用，可主要解决诸如含水构造、异常富水区等地质问题。该方法近年来在国内外发展较快，并逐渐被应用到各种地质异常探查中。由于瞬变电磁法探查中布极范围小，非接触布极方式不受接地条件约束，探测距离长，因此在地下空间有限的坑道中应用具有一定优势。许多学者[1－12]对瞬变电磁法在矿井及坑道超前探测中的原理算法、方法技术、适用条件等内容进行了不同程度的研究。目前已在坑道瞬变电磁探测机制、数据采集、干扰因素控制、反演算法、结果成图等方面取得了进步，但从现场实际应用角度来分析，其对数据干扰剔除、电阻率计算、深度校正、异常判定、地质解释、探水效果分析等方面仍存在不足。笔者改进了瞬变电磁超前探测技术现场观测方法，完成四断面数据采集与处理，通过纵、横剖面对比，进一步提高了对前方含水异常体的空间判断能力。

2 四断面测试工作技术方法

2.1 超前测试工作原理

瞬变电磁超前探测时向坑道工作面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，它将有一个过渡过程。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（见图1）。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，从而判断导体的存在[13－14]。

图1 全空间瞬变电磁场电流扩散示意图Fig.1 Current spread of transient electromagnetic field in full space

瞬变电磁场在地层中主要以扩散形式传播，其中高频部分主要集中在浅表附近，且其分布范围是源下面的局部，较低频部分传播到坑道深处，且分布范围逐渐扩大。根据采用的多匝小回线装置视电阻率计算，目前大多沿用通用的早、晚期视电阻率换算公式，其中晚期视电阻率仍采用经典的半空间均匀场晚期计算公式：

式中：ρτ为视电阻率；μ0为真空中的磁导率；S为单匝发射回线面积（mm）；s为单匝接收回线面积（m2）；N和n分别为发射和接收线圈匝数；V和I分别为感应电动势（V）和电流（A），V/I为接收的归一化二次感应电场值；t为二次场衰减观测时间（s）；C为近似系数，由井下全空间、线圈特性及围岩电性共同决定，如果不考虑该系数，则实际计算出来的视电阻率值偏小。C值的具体取值可依据实际探测区域岩体真电阻率值，通过在探测区域的应用验证对比来反复推求获取，并作为经验值使用。

计算某一测道深度时，设前一个测道的时间和计算深度分别为ti-1和hi-1，本测道的时间为ti，晚期电阻率为ρi，则本测道计算深度hi为

可得出测道的深度Hi为

式中：k为扩散速度数学模型转换系数，也需要根据不同测试条件、地质条件等综合选取。由此，可以获得每一测点的超前测深视电阻率曲线，并可进行一维测深反演[15]。

2.2 常用超前探测布置及结果表达

受坑道空间条件限制，瞬变电磁超前探测主要采用边长 2 m×2 m的多匝小线框同心回线布置方式，迎头数据采集简单。目前常用的观测系统有U型和扇型两种形式，也可为两者相结合的方式进行数据采集。图2(a)为常用的U型观测系统布置，即以巷道迎头立面中心为原点，沿巷道左帮、迎头和右帮采集数据，每个数据点处观测3个方向，分别为仰角45°顶板方向、水平顺层方向和俯角45°底板方向。传统处理时该数据常采用虚拟坐标方式，将3个方向数据依次排放，形成左帮、顺层、右帮的统一电阻率剖面，其重点是关注中间顺层数据，两帮数据由于测试影响条件不同，仅起到电性参数对比作用，其横坐标不代表巷道断面宽度。

图2(b)为全方位观测系统，是U型和扇形两种结合，采集方向包括左、右帮及迎头全方位。其数据采集量大，便于对巷道迎头空间进行数据对比，获得全面的地质认识。其中4～15号测点数据即为扇形观测系统测试范围，所关注的是迎头宽角度范围地质条件，测试时线框平面与测试介质之间空间变化会引起感应电磁场差异，对数据采集产生一定影响。图2(c)为数据结果成图方式，该数据是以O为坐标原点，根据测试方向不同将每一方向数据测深按空间坐标位置放置，形成统一的等值线图，坐标系中为真实的测深距离关系，便于进行地质解释。统一坐标成图时需根据两帮支护条件不同进行数据校正，且坑道转角部分数据点稀少，易插值出阻值异常区，解释时应加以分辨。

图2 不同观测系统布置及其结果图Fig.2 Layout of different observing system layouts and their results

2.3 四断面法超前探测布置

瞬变电磁超前常规布置中测试范围较大，易受四周环境干扰，获得的数据有奇异，且3个断面很难对前方含水异常体空间范围进行判断，不利于防治水技术措施制定。通过改进测试系统，增加坑道中心线位置测线，调整线框沿巷道顶板至底板方向逐点采集数据，可获得沿坑道中心的纵向垂直扇形剖面。这样以坑道中心线迎头数据为主线，降低两帮金属物体干扰，减小测试条件差异产生的影响程度，且能对异常体的空间范围进行判定，获得迎头全面的空间信息。

图3为坑道竖直剖面数据采集布置图，该布置将线框上仰45°后进行测试，依次降低一定角度，直至测试至俯角45°左右止，获得垂直扇形剖面。数据采集时尽量密集布控，大数据量利于进行地质解释。图4为整个4个断面综合的数据点分布图，其全空间特征显著。常规的3个剖面可以对前方异常体水平位置进行判识，而竖直剖面可以对前方异常纵向分布特征进行控制。

图3 竖直剖面测试布置图Fig.3 Detecting layout of vertical section

图4 四断面法数据点分布Fig.4 Distribution of data points by four-section method

3 坑道超前探测应用

3.1 探测地质条件

淮北某矿为大水矿井，坑道掘进中受水害威胁严重。其Ⅲ642工作面所采煤层为6煤，煤厚变化较大，平均厚度为3.5 m，局部受古河床冲刷变薄、尖灭。该工作面水文地质条件复杂，主要受煤层底板灰岩水威胁和顶板砂岩水的影响。局部存在老空积水，其积水区范围、积水量等情况不清，对风巷施工影响大。因此，坑道掘进时采取“先探后掘，边探边掘”的措施，现场采用瞬变电磁四断面法进行超前预报，为超前钻探孔位确定及矿井防治水技术措施制定提供依据。

3.2 探测处理与分析

目前，国内外用于坑道勘探的瞬变电磁仪器设备较少，现场采用国内第一款本安型YCS40（A）矿井瞬变电磁仪及2 m×2 m多匝小线框进行数据采集。按四断面测试要求，共完成仰角45°、顺层、俯角45°及竖直4个剖面测试，有效测点数20个。

数据处理采用自编软件进行，其主要过程包括：不同方向数据拆分，坐标系建立，数据预处理与校正，视电阻率计算与一维测深反演，图文地质资料综合对照，电阻率异常定性与半定量地质解释，异常区域圈定。结合6煤层掘进地质条件选定相应的视电阻率计算系数C和深度校正系数k。探测解释时以顺层平面为主，判断掘进前方相对低阻区；同时以仰角剖面判断顶板方向、俯角剖面判断底板方向，并以竖直剖面确定异常区具体位置。

图5为2010年10月风巷下段A4+66.2 m处超前探测4个断面结果，其中图5(a)～(c)分别为巷道前方顶板、顺层和底板3个方向电磁测试结果剖面，图 5(d)为巷道中心线处自顶板至底板岩层方向的竖直扇形剖面。根据测区内煤岩体地质特征及探测经验将低于10 Ω·m的区域解释为低阻异常区。探测控制距离为迎头前方 10～100 m，即 A4+76～166，其中0～10 m为关断时间及互感等产生的浅部盲区。测区内电阻率值分布在0～60 Ω·m，高阻值分布普遍，仅在 A4+141～A4+166段顶板 10 m以上局部岩层低阻特征明显（编号为 YC1），且底板剖面中低阻异常消失，而竖直剖面也反映其在顶板岩层中影响范围不大。推断测区内岩层整体赋水性弱，低阻区为顶板砂岩裂隙含水表现。

3.3 探测结果验证

该风巷上、下两段共实施了5次连续超前探测，表1为探掘结果对比。图6为图5中探测对应的垂直电阻率剖面实际验证对比图，其在断层位置处电性发生明显变化，且由高阻向低阻过渡，在解释的低阻异常区（YC1）处淋水现象严重。从表1可以看出，坑道掘进所揭露的地质异常与超前物探剖面中电性分布异常解释的一致性较好，对安全生产发挥了指导作用。

图5 四断面法超前电性剖面 (单位: Ω·m)Fig.5 Resistivity results of four-section method ahead of tunnel (unit: Ω·m)

表1 连续超前探测探掘结果对比Table 1 Verifying comparison of forecast results by continuous detection ahead of tunnel

图6 坑道掘进结果验证Fig.6 Verification of forecast result according to tunneling

4 结 论

（1）瞬变电磁超前探测布置中扇形观测系统相对合理，其结果表达兼顾全方位特点，数据分布特点对迎头前方空间异常响应有利。

（2）四断面法改进现场测试方法，形成横、竖直不同位置的4个电性断面，有利于对前方岩层含水空间特征的判断与分析，其实用性强。

（3）煤层坑道连续探测实践表明，测区煤层平均电阻率值较高，便于对低阻异常的识别。四断面法在预报前方地质异常体时，以低于10 Ω·m为低阻异常区判断标准，具有一定的可靠性。

（4）瞬变电磁超前探测中对前方异常体定量评价基础研究内容少，现采用的相对低阻特征判断岩层富水易产生误判。应综合直流电法进行联合超前探测，研究多方法之间的联合反演与解释，进一步提高超前勘探能力。

[1]董书宁. 对中国煤矿水害频发的几个关键科学问题的探讨[J]. 煤炭学报, 2010, 35(1): 66－71.DONG Shu-ning. Some key scientific problems on water hazards frequently happened in China’s coal mines[J].Journal of China Coal Society, 2010, 35(1): 66－71.

[2]薛国强, 宋建平. 线性规划法在瞬变电磁成像中的应用[J]. 西安交通大学学报, 2002, 36(12): 1315－1316.XUE Guo-qiang, SONG Jian-ping. Applying linear programming in transient electromagnetic imaging[J].Journal of Xi’an Jiaotong University, 2002, 36(12):1315－1316.

[3]刘树才, 刘志新, 姜志海. 瞬变电磁法在煤矿采区水文勘探中的应用[J]. 中国矿业大学学报, 2005, 34(4): 414－417.LIU Shu-cai, LIU Zhi-xin, JIANG Zhi-hai. Application of TEM in hydrogeological prospecting of mining district[J].Journal of China University of Mining & Technology,2005, 34(4): 414－417.

[4]岳建华, 姜志海. 矿井瞬变电磁探测技术与应用[J]. 能源技术与管理, 2006, (5): 72－75.YUE Jian-hua, JIANG Zhi-hai. Technique and application of transient electromagnetic method in mine[J]. Energy Technology and Management, 2006, (5): 72－75.

[5]于景邨, 刘志新. 用瞬变电磁法探查综放工作面顶板水体的研究[J]. 中国矿业大学学报, 2007, 36(4): 542－546.YU Jing-cun, LIU Zhi-xin. Transient electromagnetic detecting technique for water hazard to the roof of fully mechanized sub-level caving face[J]. Journal of China University of Mining & Technology, 2007, 36(4): 542－546.

[6]于景邨, 刘志新, 刘树才. 深部采场突水构造矿井瞬变电磁法探查理论及应用[J]. 煤炭学报, 2007, 32(8): 818－821.YU Jing-cun, LIU Zhi-xin, LIU Shu-cai. Theoretical analysis of mine transient electromagnetic method and its application to detecting water burst structures in deep coal stope[J]. Journal of China Coal Society, 2007, 32(8):818－821.

[7]刘志新. 矿井瞬变电磁场分布规律与应用研究[D]. 徐州: 中国矿业大学, 2007.

[8]姜志海. 巷道掘进工作面瞬变电磁超前探测机制与技术研究[D]. 徐州: 中国矿业大学, 2008.

[9]杜庆丰. 瞬变电磁法工作装置、数据预处理及反演解释系统[D]. 北京: 中国地质大学(北京), 2008.

[10]杨海燕. 矿用多匝小回线源瞬变电磁场数值模拟与分布规律研究[D]. 徐州: 中国矿业大学, 2009.

[11]谭代明. 隧道超前探水全空间瞬变电磁理论及其应用研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2009.

[12]胡博. 矿井瞬变电磁场数值模拟的边界元法[D]. 徐州:中国矿业大学, 2010.

[13]JIANG Z H, YUE J H, YU J C. Experiment in metal disturbance during advanced detection using a transient electromagnetic method in coal mines[J]. Mining Science and Technology, 2010, 20(6): 861－863.

[14]LIU S D, ZHANG P S. Characteristic of geological anomaly detected by combined geophysical methods in a deep laneway of coal mine[C]//Proceedings of the International Conference on Mining Science and Technology. Amsterdam: Elsevier, 2009: 936－942.

[15]LI X, XUE G Q. Application of the adaptive shrinkage genetic algorithm in the feasible region to TEM conductive thin layer inversion[J]. Applied Geophysics,2005, 2(4): 204－211.