摘要
瞬变电磁法在探测地下含水目的体时有非常敏感的反映，应用于井下超前探测时对煤矿掌子面在掘进前方的水体探测灵敏又准确。选择适当的井下瞬变电磁探测装置参数，可以准确又高效地查明对煤矿开采存在安全隐患的水体（如老窑采空积水区等），从而达到预报巷道前方富水情况的目的。扇形成像能直观准确地反映巷道掘进工作面各个方向及围岩的富水情况，为煤矿井下生产防治水工作提供可靠依据。
Abstract
Transient electromagnetic method has a very sensitive reflection in detecting underground water-bearing bodies， and is sensitive and accurate in the detection of water in front of coal mine face when applied to underground advance detection. Selecting the appropriate device parameters of the underground transient electromagnetic detection device can accurately and efficiently identify the water bodies that have potential safety hazards for coal mining （such as the goaf and stagnant water areas， etc.），so as to achieve the purpose of predicting the water-rich situation in front of the roadway. The fan-shaped image can directly and accurately reflect the water-rich condition of the front of the roadway and the surrounding rock，and provide a reliable basis for water prevention and control in coal mine production.
0 引言
湖南省的煤炭矿产资源非常丰富，主要有二叠系的龙潭煤系和石炭系的测水煤系。全省煤炭资源分布较广且储量可观。现阶段煤炭是中国的主要能源之一，由于湖南省的矿井水文地质环境极其复杂，原有小规模开采的小煤窑众多，同时又缺少有效的煤矿水害探测手段，因此煤矿水害事故时有发生，造成了极大的经济损失和惨重的人员伤害。因此研究煤矿矿井水害防治探测的工作更加凸显其重要性（宋林君，2017）。瞬变电磁法作为一种电磁感应方法，它具有对低阻积水区反映灵敏且准确的特点（Spies and Parke，1984），还具有装置灵活、工作效率高、直接测量二次场等特点，使该方法在煤矿、隧道超前预报方面展示了较好的应用及发展前景（薛国强和李貅，2018）。在数据处理时以扇形成像方式，可更直观准确地反映巷道掘进工作面各个方向及围岩的富水情况，该成像方法优于传统的矩形成像方法。
1 研究区地质及地球物理特征
本文以湖南某煤矿为例进行说明，工作区含煤岩系为二叠系龙潭组，含煤达 33层，可采煤层 9层，主采煤层3～4层。它除具有湘东南区的共同特点，如都是含煤碎屑岩系，可分为上下两段，上段含煤、下段不含煤，煤系顶、底均为硅质岩等外；还具有沉积厚度大、岩性粒度粗、旋回性强、小旋回多、煤层多而不稳定、时而分叉、时而合拢等特点。
2 瞬变电磁法勘探原理
瞬变电磁法的工作原理是电磁感应原理，它是一种地球物理勘探方法，主要用于探测地下矿产或解决其它地质体。瞬变电磁法是磁穿透方法，穿透能力强，能穿透高阻屏蔽层。井下瞬变电磁法工作原理同地面瞬变电磁法工作原理是相同的（姚伟华等，2018），这 2 种瞬变电磁法都是通过接收地下电性介质产生的感应电动势，来勘查对煤矿安全生产有害的水体（老窑采空积水区、断层裂隙富水等），而二者之间不同的是，井下瞬变电磁法的工作环境是在矿井下，所接收到的感应电动势是巷道空间周围电性介质的综合响应，是全空间瞬变电磁响应 （杨海燕等，2010；程久龙等，2014；姚伟华等，2018）。
3 采用的仪器
本文研究中井下瞬变电磁探测所采用的仪器为 Terra TEM 瞬变电磁仪，该仪器最大输出电流达 10 A，最大分辨率可达25 dB。在井下开展井下瞬变电磁工作时，可观测 . BIN 和 . SIR 两个时间序列的数据，以加强观测数据的多样性。
4 对比研究
本文选取在湖南茶醴煤田某煤矿-20 m 水平 7 号点迎头面进行多次研究的结果进行说明，将反演结果进行对比。本次井下超前探测采用重叠回线，供电电流均大于7 A。
4.1 发射线圈匝数研究
本次研究装置参数为：接收线圈为 60 匝，线圈边长为 1.5 m，观测角度 15°。发射线圈分别为 20 匝、30 匝、40 匝，反演结果分别为图1、图2、图3，进行对比。
图1发射线圈20匝结果图
图2发射线圈30匝结果图
从图1～图3可以看出：掘进巷道掌子面右前方 10°～30°方向，距离掌子面40～58 m（以迎头面中心点处为 0 m 计算）、富水体影响范围约 10 m，存在较强富水异常区，且有裂隙破碎带与迎头面联通，有一定水力联系；掘进巷道掌子面右侧60°～80°方向，距离掌子面 37～70 m（以迎头面中心点处为 0 m 计算）、富水体影响范围约12 m，存在较大范围的富水异常。掘进巷道掌子面左前方正常，未见明显富水异常。根据井下超前探测解释成果，矿方进行探放水验证工作，结果表明物探成果定性解释准确，定量解释误差在0.5 m左右。
图3发射线圈40匝结果图
图1～图3对比可以看出，发射线圈匝数增加，发射功率增大，测量到的感应信号增强。但从施工角度考虑，发射线圈匝数增多，施工中移动难度增大。图1相对来说信号较弱，20匝的发射线圈相对来说太少；图3与图2相比，图2已经能较好地反映井下富水情况，且能兼顾施工。经以上分析，在其它装置参数不变的情况下，设置发射线圈 30 匝，既能取得满意的物探地质效果，又能兼顾施工效率。
4.2 接收线圈匝数研究
研究装置参数为：发射线圈为 30 匝，线圈边长为1.5 m，每次旋转观测角度为15°。接收线圈分别为 30 匝、60 匝、90 匝，进行对比研究。接收线圈 30 匝、60 匝、90 匝反演结果分别为图4、图5、图6所示。
图4与图5对比可以看出，接收线圈减少，接收到的有效信号大大减少。图5与图6对比可以看出，接收线圈越多，接收到的干扰信息也多。经以上分析判断，在其它装置参数不变的情况下，设置接收线圈 60 匝，既能取得较好的物探效果，又能兼顾施工。在不同的工地施工时，要根据干扰情况判断，若干扰少可以尽量增加接收线圈的匝数，但接收线圈太多也太重，施工时线圈移动困难。
图4接收线圈30匝结果图
图5接收线圈60匝结果图
图6接收线圈90匝结果图
4.3 线圈边长大小研究
本次研究装置参数为：发射线圈 30 匝，接收线圈为 60 匝，观测角度 15°。线圈边长分别为 1.2 m、 1.5 m、1.8 m，进行对比。线圈边长 1.2 m、1.5 m、 1.8 m反演结果分别为图7、图8、图9所示。
图7线圈边长1.2 m结果图
从图7与图8、图9对比可以看出，图7由于线圈边长太小，探测深度受到较大影响。图8与图9对比可以看出，二图效果差不多，线圈边长大小主要对浅部信息有影响。本次试验巷道只有 2～2.5 m，线圈边长太大影响工作效率。经以上分析，在其它装置参数不变的情况下，线圈边长设定为1.5 m，既能取得较好的物探效果，又能兼顾施工。
图8线圈边长1.5 m结果图
图9线圈边长1.8 m结果图
4.4 观测角度研究
装置参数为：发射线圈 30 匝，接收线圈为 60 匝，线圈边长为1.5 m。
图10观测角度5°结果图
观测角度分别为 5°、10°、15°、20°，进行对比。观测角度5°、10°、15°、20°反演结果分别为图10～图13所示。
从图10与图13、图12对比可以看出，图12在最小值中心出现了极值，但是极值的出现对判断富水区没有太大影响，由于观测角度小，工作量大大增加，从而极大地降低了工作效率。图13与图12相比，反演效果大致相同，但也降低了工作效率。图13与图12相比，等高线密度降低，富水区范围准确度降低。经以上分析，在其他它装置参数不变的情况下，观测角度应取15°为宜。
图11观测角度10°结果图
图12观测角度15°结果图
图13观测角度20°结果图
5 结论
（1）从研究中可以看出，瞬变电磁井下超前探测在识别矿井低阻富水区（老窑采空积水区、富水构造等）时是非常有效实用的技术方法，可为复杂地质条件下的煤矿安全生产提供有力的技术支撑。
（2）在进行数据采集时，观测角度越小，数据精度越高；在一定的范围内线圈边长越小，其体积效应也越小，其横向、纵向分辨率也愈高；线圈边长大小一定的情况下，发射线圈匝数愈多，发射磁矩愈大，发射功率也愈大，接收回线感应信号也愈强。有效面积增大，发射磁矩愈大，发射功率也愈大，探测深度增大，接收回线感应信号也愈强。接收线圈越多，接收到的信息量越大，探测深度越大。
（3）在实际施工过程中，应根据不同的地质任务来设置不同的装置参数，从而达到既能有效探测矿井水害异常、提高分辨率、增加探测深度，又能提高工作效率的效果。
图(13)
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引用本文
王灿，宋锡芳，董旭，乔双. 2024. 基于扇形成像的瞬变电磁井下超前探测技术在湖南某煤矿中的应用［J］. 矿产勘查，15（s2）：64-68.
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Wang Can，Song Xifang，Dong Xu，Qiao Shuang. 2024. Application of TEM underground advance detection technology based on fan-shaped imaging in a coal mine in Hunan［J］. Mineral Exploration，15（s2）：64-68.
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