贵州矿业有限公司兴阳煤矿 贵州毕节 552100
摘要：我国煤矿水文地质情况复杂。根据早些年的调查资料，各主要产煤省区、重点矿区均存在程度不同的水患，国有重点煤矿原有的600多处矿井中，约27％受“水患”威胁。特别是贵州煤矿属喀斯特水文地质类型，溶洞突水隐患严重，而且含水构造复杂，推广瞬变电磁探测技术用于水害预测预报 具有非常重要的实用价值和推广意义。
关键词：瞬变电磁；水害；
一、瞬变电磁探测技术目的及意义
为了避免巷道掘进中直接揭露含水构造，根据现场巷道施工情况，在巷道适当位置采用矿井瞬变电磁探测技术进行超前探测，探测巷道前方100m范围、顶板斜向上100m范围和底板斜向下100m范围内含水构造发育情况，为布置探防水钻孔设计提供依据。
二、矿井瞬变电磁（TEM）的原理及工作方法
瞬变电磁法或称时间域电磁法（Time domain electromagnetic methods），简称TEM，它是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲电磁场，在一次脉冲电磁场间歇期间，利用不接地线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。其基本工作方法是：于地面或井下设置通以一定波形电流的发射线圈，从而在其周围空间产生一次磁场，并在地下导电岩矿体中产生感应电流。断电后，感应电流由于热损耗而随时间衰减。衰减过程一般分为早、中和晚期。早期的电磁场相当于频率域中的高频成分，衰减快，趋肤深度小；而晚期成分则相当于频率域中的低频成分，衰减慢，趋肤深度大。通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征。
在电流断开之前，发射电流在回线周围的大地和空间中建立起一个稳定的磁场（如图所示）。在t=0时刻，将电流突然断开，由该电流产生的磁场也立即消失。一次磁场的这一剧烈变化通过空气和地下导电介质传至回线周围的大地中，并在大地中激发出感应电流以维持发射电流断开之前存在的磁场，使空间的磁场不会即刻消失。由于介质的热损耗，直到将磁场能量消耗完毕为止（见图）。
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瞬变电磁法感应电磁场转换原理示意图
由于电磁场在空气中传播的速度比在导电介质中传播的速度大得多，当一次电流断开时，一次磁场的剧烈变化首先传播到发射回线周围地表各点，因此，最初激发的感应电流局限于地表。地表各处感应电流的分布也是不均匀的，在紧靠发射回线一次磁场最强的地表处感应电流最强。随着时间的推移，地下的感应电流便逐渐向下、向外扩散，其强度逐渐减弱，分布趋于均匀。研究结果表明，任一时刻地下涡旋电流在地表产生的磁场可以等效为一个水平环状线电流的磁场。在发射电流刚关断时，该环状线电流紧挨发射回线，与发射回线具有相同的形状。随着时间推移，该电流环向下、向外扩散，并逐渐变形为圆电流环。等效电流环象从发射回线中“吹”出来的一系列“烟圈”，因此，人们将地下涡旋电流向下、向外扩散的过程形象地称为“烟圈效应”。
从“烟圈效应”的观点看，早期瞬变电磁场是由近地表的感应电流产生的，反映浅部电性分布；晚期瞬变电磁场随时间的变化规律，可以探测大地电性的垂向变化。
三、矿井瞬变电磁（TEM）的特点
（一）受矿井巷道的影响矿井瞬变电磁法只能采用边长1.5m的多匝回线装置，这与地面瞬变电磁法相比数据采集劳动强度小，测量设备轻便，工作效率高，成本低。
（二）采用小规模回线装置系统，因此为了保证数据的质量、降低体积效应的影响、提高勘探分辨率，特别是横向分辨率。
（三）井下测量装置距离异常体更近，大大的提高测量信号的信噪比，经验表明，井下测量的信号强度比地面同样装置及参数设置的信号强很多；
（四）地面瞬变电磁法勘探一般只能将线框平置于地面测量，而井下瞬变电磁法可以将线圈放置于巷道底板测量，探测底板一定深度内含水性异常体垂向和横向发育规律，也可以将线圈直立于巷道内，当线框面平行巷道掘进前方，可进行超前探测；当线圈平行于巷道侧面煤层，可探测工作面内和顶底板一定范围内含水低阻异常体的发育规律；
（五）矿井瞬变电磁法对高阻层的穿透能力强，对低阻层有较高的分辨能力。在高阻地区如果用直流电法勘探要达到较大的探测深度，须有较大的极距，故其体积效应就大，而在高阻地区用较小的回线可达到较大的探测深度，故在同样的条件下TEM较直流电法的体积效应小得多。
四、工作布置实例及质量评述
（一）沿兴阳煤矿11604运输巷布置3条测线，每条测线10个物理点，总计30个物理点。通过在掘进头移动发射/接收线圈，形成3条超前探测的实测剖面图，施工方法如下图。
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瞬变电磁法超前探施工布置
（二）施工技术措施，本次物探使用的仪器型号为TEMHZ75（A）矿用瞬变电磁仪，矿井瞬变电磁法勘探装置类型采用重叠回线组合装置，边长1.5m的激发和接收正方形线圈，激发线圈匝数16匝，接收线圈匝数40匝。供电电流为2.5A，供电脉宽10ms，采样率16µS。每个测点至少采用30次叠加方式提高信噪比，确保了原始数据的可靠性。
（三）质量评述本次矿井瞬变电磁法勘探试验数据采集，严格按《瞬变电磁法技术规程》《电阻率测深法技术规程》执行，并通过增加叠加次数的方法增强二次场，提高信噪比等方法，保证了本次试验的数据采集，从而保证了施工质量。
（四）11604运输巷迎头位置顶板、右帮为锚网支护，左帮因巷道高度原因，存在一定异常区域。
瞬变电磁法探测成果图