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摘要 ：矿井地质条件复杂，勘探工作环境也越来越复杂，对矿井地下含水结构的检测要求也越来越高。为了确 保矿井的安全，迫切需要开发高精度的检测手段和技术。 瞬变电磁探测技术是一种主要的探测手段，它适用于金属 矿范围内的小型窑、古窑采空区，可以确定采空区的具体位置和积水情况等。本文以A 公司地面瞬变电磁勘探井田 区域内的采空区为例，探讨了瞬变电磁法在勘探采空区方面的方法和应用。通过对瞬变电磁检测技术的改进，提高 了检测和定位的精度，对矿井的安全掘进、水患预报和水防治等方面发挥了重要指导作用。
关键词 ：矿井古窑采空区,瞬变电磁法勘探,水害防治
由于乱采乱挖，采空区围岩破碎，采空区空间结构错综复杂，导致采空区和水的分布不够全面，给采矿工作带来了巨大的安全风险。在矿井中，因采空区积水而引发的水灾事故也是屡见不鲜。因此， 在开采之前， 必须对采空区 的积水进行科学探测。目前， 瞬变电磁法、直流电法等地质勘探技术已被广泛应用于金属矿井下积水的探测，然而直流电法由于地形的限制受到了很大的约束。瞬变电磁测量 技术是一种用于测量地下介质的电磁测量技术，它能够在脉冲不连续过程中产生涡流，并且在脉冲中断之后不会立即消失 ;随着时间的推移，次级场的衰减规律主要与超导体的导电性、体积大小、埋入深度、发射电流的形状和频率有关。由于该方法对低电阻体非常敏感， 施工方便， 并且受地形影响较小， 因此成为目前矿井水患勘查的首选方法。
1 矿井瞬变电磁法基本原理
1.1 基本原理
矿山瞬变电磁场法是基于地表瞬变电磁场方法，在考 虑矿山地质条件和勘查要求的基础上发展起来的一种瞬 变电磁场方法。该方法通过利用不同地质体之间的电导率 差异，采用一次或多次的脉冲磁场，并在间歇时间内通过 线圈或地电极对二次涡流进行观察。以不接地回线为例， 矿山瞬变电磁法的观测设备主要由发射回线和接收回线 构成。工作过程包括发射、电磁感应和接收。在井下探测 时，特定频率的脉冲电流被通入瞬变电磁线圈发射回线， 在回线中部和外围形成一个稳定的磁场(即初级场或激励 场)。当一次电流突然切断(即脉冲间隔)，一次磁场就会 消失。在这种情况下，在良导线的内侧会因磁通的改变而产生感应电位，在良导电材料中产生二次涡流区域。随着 焦耳热量的损耗，二次涡流会逐渐减弱，二次电场也会逐 渐减弱。二次场的大小和衰减速度与地壳的电导率有关， 因为二次电场产生的大部分来自导体的感应电流。地下介 电层的电导率越高，感生二次电场的衰减越慢，感生电压 越高 ;二次场的衰减速度越大，电势振幅越低。通过瞬变 电磁场方法在断电后测得的二次场衰减特性，可以判断其 地质体的电学性质、矿床的分布形式等信息。矿山瞬变电 磁场方法与地表瞬变电磁场方法最大的不同在于 ：地表瞬 变电磁场测量时观测的是半空间反应 ;而金属矿瞬变电磁 方法必须在井下巷道中进行，且瞬时电磁场会在整个空间 中传播，其测量结果反映了整个隧道周边环境的电介质整 体反应，称为“全时空”，这是金属矿瞬变电磁技术在使用 中不可避免的问题。利用瞬变电磁方法对井巷中的瞬变电 磁感应线圈的回旋半径进行探测时，可以将其等同为一种 连续向下、向四周辐射的电流环，也即所谓的双重“烟圈 效应”。
金属层的电阻率普遍较高，而在金属层中，以黏土岩 组为最小。在原始岩层中，金属层的沉积相对较为单一， 在水平方向上具有各向异性的导电特性，并且分布相对均 匀 ;但从垂直方向来看，由于层间分层的存在，电阻性有 不同程度的差异。当存在断裂时，导电强度取决于是否存 在水分，这也取决于探测到的电阻率。因此，在矿井地下 勘探中，由于具有非均质性的构造环境，这种特殊的结构 与周围岩石的导电率有较大差别，因此，利用瞬变电磁方 法进行矿井地下地质勘探工作具有重要的理论依据。
1.2 探测深度
由于金属矿中瞬变电磁方法的应用，传输线圈和接收 线圈的尺寸受限。在矿山中通常使用2米的线架， 因此，主 要在2米以内进行金属矿的探测。同时，考虑到矿山的地 质条件和设备的防爆性能都非常严格，所以在井下瞬变电 磁方法进行检测时，发射电流必须适中，而不能过大。矿 山瞬变电磁场检测通常使用小型线圈和低电流的发射器 进行探测。想要增加探测深度，就得采取增加线圈圈数、 增加磁矩等多种方式，但总会有一个最大的探测深度。此 外，发射和接收绕组本身具有转换过程，因此地面接收到 的信号可分为两类 ：一类是从地面上传来的信号，另一类 是由线圈自身产生的信号，再加上发射线圈自身的感应信号，导致瞬变电磁法具有最短的探测距离。
1.2.1 最大探测深度
瞬态电磁在介质中的传播，由于趋肤效应，高频分量 主要在发射线圈周围区域集中，而低频分量则向深层扩散。 瞬变电磁方法在理论上可以达到无穷大的探测深度，但在 实际测量中，它的激发电流是周期性脉动的，最大探测深 度由周期脉冲的频率决定。在基频恒定的情况下，增加磁 矩并不能增加探测深度， 只能增加瞬变电磁场的信噪比。
1.2.2 最小探测深度
在瞬变电磁场接收信号的初期，所接收到的信号既包 含了探测对象感知到的地质信息，也包含了线圈自身产生 的自感知信号，而线圈自感信号明显大于有效信号，但其 衰减速率也较快。由于在线圈自感效应的时间范围内，很 难从浅层介质中分辨出线圈的自感信号，因此，在一定的 时间范围内，我们无法分辨出有价值的信号，这个区域就 是矿井瞬变电磁法的最小探测盲区。
2 矿井瞬变电磁勘探技术
常规的瞬变电磁探测方法只对工作面进行一次探查， 因此会产生异常解释，忽视了环境的影响，导致对工作面 位置的错误判断和疏误。基于以上分析，本文提出了基于 瞬变电磁法的矿井瞬变电磁勘探技术。勘探指对被测物体 的属性特性进行持续检测，是一种动态的测量方法。而矿 井的瞬变电磁方法，则是利用电阻率的差异来识别低电阻 异常。瞬变电磁勘探则是通过持续勘探的方式，识别出异 常的变化，从而实现对电阻性异常进行动态勘探。具体可 分为巷道勘探与定位技术以及回采区勘探技术。
掘进工作面瞬变电磁勘探定位技术 ：瞬变电磁勘探定 位技术是利用瞬变电流磁场方法，在整个掘进过程中，通 过对隧道正面和前方的地质异常进行多次连续检测，来检 测出前部的低电阻现象，并确定其具体位置。根据矿山瞬 变电磁场的基本理论， 利用瞬变电磁线圈同时向上、向下、 同时向四周辐射的“烟圈效应”，这种“烟圈”会沿着47度 的斜锥方向向四周扩展， 也就是可以检测到 94度的双向锥 形区域，因此，在水平方向上，瞬变电磁场的分辨率应该 更高。但是，对于时深变换问题(垂直分辨率) 的分析还不 够成熟， 而且其深度的确定常常会出现很大的偏差。因此， 利用瞬变电磁勘探技术可以有效地克服这个问题，利用瞬 变电磁波监视的方法，在水平方向上获得更高的精度，并 利用观测到的反射角变化，从而进一步判断出低电阻现象 的位置。在隧道施工过程中， 采用了瞬变电磁勘探定位法， 根据不同的掘进部位进行预测观测。如果前面出现低电阻 现象，那么，在顶点发生变化的同时，其位置也会发生变 化，并且与顶点之间的夹角和间距也会相应地发生变化。
瞬变电磁提前检测因其在横向上具有更高的灵敏度，因而 其对角的变化反应更为精确，而在距离上的变化则没有那 么显著。根据这一特点， 可以采用多项技术进行多次观测， 并在两次以上采集到的数据中找到更精确的异常点。
由于隧道内的地形比较复杂，瞬变式侧向检测常常会 遇到诸如“U”型钢、锚网、风管等金属干扰物，会对检测 的效果产生一定的不利影响。而在这种情况下，没有一种 比较有效的干扰消除手段，所以必须另辟蹊径。采用瞬变 电磁场勘探方法，对多种试验的结果进行对比和分析，可 以有效地克服上述问题。因为观测的背景场是一样的，而 且每一次的探测出现的干扰种类和地点都是一样的，因 此，不同的观测值会产生同样的扰动。瞬变电磁勘探定位 法并不侧重于单一观测的结果，而是侧重于多个结果的综 合比较，利用多个结果的组合比较，不仅可以验证单个异 常区的结果，还能比较准确地反映采区内低电阻异常体的 分布及其视电导率的变化。
3 案例分析
3.1 概况
结 合 A 公 司 现 有 的 数 据， 某 采 空 区 面 积 约 为 2.0495knf。井田内采空区积水的主要原因有两种。一种是 直接顶板和间接砂岩蓄水层的补充，另一种是地表水渗 漏。A公司井田内空区在封堵时留有出水口，空区原采标 高高于现采区，可从出水口排出积水，水流经大巷流入水 仓，再排出地面，采空区的排水量为 520m3/d，现采区为 720m3/d，雨季时增加至 1008m3/d。所以，A 有限公司的采 空区没有大面积的积水，仅在低洼处有少量的积水，必须 彻底查清采空区的范围和积水， 以确保矿井的安全生产。
3.2 瞬变电磁法原理及野外施工方法
瞬变电磁探测设备采用大回路定源法，测量点直径 40m ×20m， 靶体深度不超过400m， TDEM 的最大控制深 度为 500m。
在现场观测资料上要进行严格检查，并密切关注接收 主机的显示画面，一旦发现异常的显示曲线，立即定位问 题根源。通过重新收集数据来提高曲线的可用性，确保野 外数据的质量。
发送器T4 具有 0.05mm 的发送机制断开时间、DB/D 的测量信号、12V ～ 108V 的输入电压、40A 的输出电流以 及2.8kW 的输出功率。
根据目前的数据分析，首次采矿区周围没有明确的空 区，而二次采矿区的南边和东边存在着未确定的采动区。 因此，在这两个勘探区域中，分别选择合适的空区进行实 验工作。经过合格测试后，可以进行野外作业。在野外工 作时，必须删除不合格的观测曲线，并根据干扰程度适当延长采样次数和采样时间。总共完成了2597个瞬变电磁物 探，其中包括208 个试验点、2003 个坐标点、220 个加密点 和 166个检查点。
3.3 数据的处理
瞬变电磁数据的计算和处理是通过计算机完成的，计 算和绘制程序相对复杂， 基本流程如下。
(1)接收原始数据。逐一检查现场采集的资料，并排 除不符合要求的资料。使用相对误差和平均方差计算早期 和中期延时道数据。
(2)对原始数据进行预处理。对接收到的原始数据进 行滤波、排序等基础处理， 以便进行下一步的计算和处理。
(3)计算若干关键参数。根据瞬变电磁场法的基本原 理和要求，使用计算机对各测量点的数据进行计算，得出 各点的视电阻率和视深度参数， 为定性分析提供资料。
(4)绘制定性和定量解释地图。根据实际地质勘查区 域的数据情况，按质量检验站比例进行检验。通过 166 个 检查站，占全部工作总量的 7.5%，平均方差值为 5.04%， 准确率达到A级，超过了本地区的限制，符合《DZT0187- 1997》的规定。
3.3.1 瞬变电磁勘探资料解释
瞬变电磁波方法的解释应与地质数据的联系，从定性 到定量分析。在矿区范围内，我们对小金属窑和古窑采空 区的具体位置范围以及积水情况进行了调查。结合现有的 水文地质数据，我们综合考虑了地区的地质条件，并对该 区域内的老空区富水情况进行了深入的分析和研究。
3.3.2 勘查低阻区域的特征
岩体的含水量是其电阻率的重要因素。同一类型的岩 体，其电阻系数与其水饱和程度成正比。由于矿区面积较 大且含矿物种类和量变化较少，所以同一层位岩的电阻性 较好。然而，由于采空区和储层的差异，水平电阻的改变 存在一定的非均质性。因此，通过参考不同的电气参量剖 面，并结合平面等高线的方向和规律，我们给出了各个测 量线路的视电阻系数剖面。根据感应电压特征、多测道剖 面形状的突变、等值线密度的大小或部分区域的视电阻率 突变等特征， 我们推断出采空区、构造或开挖破裂区。
3.4 地质成果
(1)首采区 15金属层的富水区已初步确定26个，确定 了矿区的位置和区域， 首采区 15金属层电法井的采空区没 有说明。
(2)已初步确定二采区 15层采空区4 个、空积水区 13 个、14 个富水区。根据金属矿的实际数据和电勘探解释结 果，我们解释了一条断层F1.并对井田内已知的陷落柱富 含水性进行了评估。
我们对4 个采动破裂区域进行了全面的推断和分析， 区域内的采动区域较为明确，其中以偏东地区为最偏东区 域的东南侧为主，并在中部确定了一个采动区，共有 6 个 采空积水区。南部则有 3个采动区，较多的是采空积水区， 共有 7 个，其中2CJ-13 区域最大。在全国范围内，大多数 地区都有富水区，但其分布较为分散，面积不大，只有中 央地区相对较多。
3.5 验证情况
A公司在地质勘探的异常区显示范围内，在实际施工 中，坚持“地质勘探、钻井跟踪、化探证实”的方针。在地 质勘探的异常区设置了 5 个钻井证实孔，重点关注三盘区 运输上山北段地表勘探异常区、前头及两侧帮的积水状 况，并确定了三盘区运输上山提前 100m、帮间 30m没有水 患风险， 与地球物理勘探的成果相一致。
在北部钻井期间，3号钻孔和 5号钻孔均出现了出水情 况，3号钻孔最大流量为28m3/h， 累计排泄3000m3. 并成功 排除了钻孔中的积水。根据空区的理化性质，对河北省金 属矿地质调查院进行了化验， 经化验确认为旧空区的积水。
3.6 验证结论
由于矿山水灾对金属矿的安全构成了严重的威胁，因 此在实际作业中，当井场范围内的采空区面积不明确时， 应根据《金属矿防治水规定》的要求，以“地质勘探为主， 钻井跟踪，化探核实”的方针来排除水患隐患，而不能盲 目地安排作业。A公司根据现场条件，利用地球物理勘探 和钻井技术对三盘区的运输上山地表物探进行了调查和 分析，取得了良好的效果，符合了工程的地质工作需要， 为金属矿的实际施工奠定了基础。
4 结语
在当前的能源消费格局中，金属仍然扮演着重要的角 色。此外，金属是国家重要的能源消耗之一，其储量巨大， 拥有着不可替代的优势。另外，由于我国金属矿开发程度 较高，可以满足国内巨大的能源消费需求。由于储量稀少， 地质条件也较为复杂，开采存在困难。安全有效的地质保 护技术是保证金属矿安全生产和促进金属矿高品质发展的 关键。总之，通过完善瞬变电磁场检测技术和手段，可以在 矿井安全掘进、水害预报、水害防治等工作中起到很好的 参考作用。由于瞬变电磁勘探定位法在矿井中的使用，常 需更换观测站以获取数据，因此，在未来的工作中，可以考 虑将其与矿井下的机械臂相结合，研制出具有智能化的瞬 变电磁勘探设备， 以满足矿井智能化发展的需求。
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