張平松 ，李永盛，胡雄武

（1.同濟大學 土木工程學院，上海 200092；2.安徽理工大學 地球與環(huán)境學院，安徽 淮南 232001）

1 引 言

瞬變電磁法在坑道掘進超前水害探測中發(fā)揮了重要作用，可主要解決諸如含水構造、異常富水區(qū)等地質問題。該方法近年來在國內外發(fā)展較快，并逐漸被應用到各種地質異常探查中。由于瞬變電磁法探查中布極范圍小，非接觸布極方式不受接地條件約束，探測距離長，因此在地下空間有限的坑道中應用具有一定優(yōu)勢。許多學者[1－12]對瞬變電磁法在礦井及坑道超前探測中的原理算法、方法技術、適用條件等內容進行了不同程度的研究。目前已在坑道瞬變電磁探測機制、數據采集、干擾因素控制、反演算法、結果成圖等方面取得了進步，但從現場實際應用角度來分析，其對數據干擾剔除、電阻率計算、深度校正、異常判定、地質解釋、探水效果分析等方面仍存在不足。筆者改進了瞬變電磁超前探測技術現場觀測方法，完成四斷面數據采集與處理，通過縱、橫剖面對比，進一步提高了對前方含水異常體的空間判斷能力。

2 四斷面測試工作技術方法

2.1 超前測試工作原理

瞬變電磁超前探測時向坑道工作面發(fā)送回線上供一個電流脈沖方波，在方波后沿下降的瞬間，產生一個向回線法線方向傳播的一次磁場，在一次磁場的激勵下，地質體將產生渦流，其大小取決于地質體的導電程度，在一次場消失后，該渦流不會立即消失，它將有一個過渡過程。該過渡過程又產生一個衰減的二次磁場向掌子面?zhèn)鞑?，由接收回線接收二次磁場，該二次磁場的變化將反映地質體的電性分布情況（見圖1）。如按不同的延遲時間測量二次感生電動勢V(t)，就得到了二次磁場隨時間衰減的特性曲線。如果沒有良導體存在時，將觀測到快速衰減的過渡過程；當存在良導體時，由于電源切斷的一瞬間，在導體內部將產生渦流以維持一次場的切斷，所觀測到的過渡過程衰變速度將變慢，從而判斷導體的存在[13－14]。

圖1 全空間瞬變電磁場電流擴散示意圖Fig.1 Current spread of transient electromagnetic field in full space

瞬變電磁場在地層中主要以擴散形式傳播，其中高頻部分主要集中在淺表附近，且其分布范圍是源下面的局部，較低頻部分傳播到坑道深處，且分布范圍逐漸擴大。根據采用的多匝小回線裝置視電阻率計算，目前大多沿用通用的早、晚期視電阻率換算公式，其中晚期視電阻率仍采用經典的半空間均勻場晚期計算公式：

式中：ρτ為視電阻率；μ0為真空中的磁導率；S為單匝發(fā)射回線面積（mm）；s為單匝接收回線面積（m2）；N和n分別為發(fā)射和接收線圈匝數；V和I分別為感應電動勢（V）和電流（A），V/I為接收的歸一化二次感應電場值；t為二次場衰減觀測時間（s）；C為近似系數，由井下全空間、線圈特性及圍巖電性共同決定，如果不考慮該系數，則實際計算出來的視電阻率值偏小。C值的具體取值可依據實際探測區(qū)域巖體真電阻率值，通過在探測區(qū)域的應用驗證對比來反復推求獲取，并作為經驗值使用。

計算某一測道深度時，設前一個測道的時間和計算深度分別為ti-1和hi-1，本測道的時間為ti，晚期電阻率為ρi，則本測道計算深度hi為

可得出測道的深度Hi為

式中：k為擴散速度數學模型轉換系數，也需要根據不同測試條件、地質條件等綜合選取。由此，可以獲得每一測點的超前測深視電阻率曲線，并可進行一維測深反演[15]。

2.2 常用超前探測布置及結果表達

受坑道空間條件限制，瞬變電磁超前探測主要采用邊長 2 m×2 m的多匝小線框同心回線布置方式，迎頭數據采集簡單。目前常用的觀測系統有U型和扇型兩種形式，也可為兩者相結合的方式進行數據采集。圖2(a)為常用的U型觀測系統布置，即以巷道迎頭立面中心為原點，沿巷道左幫、迎頭和右?guī)筒杉瘮祿?，每個數據點處觀測3個方向，分別為仰角45°頂板方向、水平順層方向和俯角45°底板方向。傳統處理時該數據常采用虛擬坐標方式，將3個方向數據依次排放，形成左幫、順層、右?guī)偷慕y一電阻率剖面，其重點是關注中間順層數據，兩幫數據由于測試影響條件不同，僅起到電性參數對比作用，其橫坐標不代表巷道斷面寬度。

圖2(b)為全方位觀測系統，是U型和扇形兩種結合，采集方向包括左、右?guī)图坝^全方位。其數據采集量大，便于對巷道迎頭空間進行數據對比，獲得全面的地質認識。其中4～15號測點數據即為扇形觀測系統測試范圍，所關注的是迎頭寬角度范圍地質條件，測試時線框平面與測試介質之間空間變化會引起感應電磁場差異，對數據采集產生一定影響。圖2(c)為數據結果成圖方式，該數據是以O為坐標原點，根據測試方向不同將每一方向數據測深按空間坐標位置放置，形成統一的等值線圖，坐標系中為真實的測深距離關系，便于進行地質解釋。統一坐標成圖時需根據兩幫支護條件不同進行數據校正，且坑道轉角部分數據點稀少，易插值出阻值異常區(qū)，解釋時應加以分辨。

圖2 不同觀測系統布置及其結果圖Fig.2 Layout of different observing system layouts and their results

2.3 四斷面法超前探測布置

瞬變電磁超前常規(guī)布置中測試范圍較大，易受四周環(huán)境干擾，獲得的數據有奇異，且3個斷面很難對前方含水異常體空間范圍進行判斷，不利于防治水技術措施制定。通過改進測試系統，增加坑道中心線位置測線，調整線框沿巷道頂板至底板方向逐點采集數據，可獲得沿坑道中心的縱向垂直扇形剖面。這樣以坑道中心線迎頭數據為主線，降低兩幫金屬物體干擾，減小測試條件差異產生的影響程度，且能對異常體的空間范圍進行判定，獲得迎頭全面的空間信息。

圖3為坑道豎直剖面數據采集布置圖，該布置將線框上仰45°后進行測試，依次降低一定角度，直至測試至俯角45°左右止，獲得垂直扇形剖面。數據采集時盡量密集布控，大數據量利于進行地質解釋。圖4為整個4個斷面綜合的數據點分布圖，其全空間特征顯著。常規(guī)的3個剖面可以對前方異常體水平位置進行判識，而豎直剖面可以對前方異?？v向分布特征進行控制。

圖3 豎直剖面測試布置圖Fig.3 Detecting layout of vertical section

圖4 四斷面法數據點分布Fig.4 Distribution of data points by four-section method

3 坑道超前探測應用

3.1 探測地質條件

淮北某礦為大水礦井，坑道掘進中受水害威脅嚴重。其Ⅲ642工作面所采煤層為6煤，煤厚變化較大，平均厚度為3.5 m，局部受古河床沖刷變薄、尖滅。該工作面水文地質條件復雜，主要受煤層底板灰?guī)r水威脅和頂板砂巖水的影響。局部存在老空積水，其積水區(qū)范圍、積水量等情況不清，對風巷施工影響大。因此，坑道掘進時采取“先探后掘，邊探邊掘”的措施，現場采用瞬變電磁四斷面法進行超前預報，為超前鉆探孔位確定及礦井防治水技術措施制定提供依據。

3.2 探測處理與分析

目前，國內外用于坑道勘探的瞬變電磁儀器設備較少，現場采用國內第一款本安型YCS40（A）礦井瞬變電磁儀及2 m×2 m多匝小線框進行數據采集。按四斷面測試要求，共完成仰角45°、順層、俯角45°及豎直4個剖面測試，有效測點數20個。

數據處理采用自編軟件進行，其主要過程包括：不同方向數據拆分，坐標系建立，數據預處理與校正，視電阻率計算與一維測深反演，圖文地質資料綜合對照，電阻率異常定性與半定量地質解釋，異常區(qū)域圈定。結合6煤層掘進地質條件選定相應的視電阻率計算系數C和深度校正系數k。探測解釋時以順層平面為主，判斷掘進前方相對低阻區(qū)；同時以仰角剖面判斷頂板方向、俯角剖面判斷底板方向，并以豎直剖面確定異常區(qū)具體位置。

圖5為2010年10月風巷下段A4+66.2 m處超前探測4個斷面結果，其中圖5(a)～(c)分別為巷道前方頂板、順層和底板3個方向電磁測試結果剖面，圖 5(d)為巷道中心線處自頂板至底板巖層方向的豎直扇形剖面。根據測區(qū)內煤巖體地質特征及探測經驗將低于10 Ω·m的區(qū)域解釋為低阻異常區(qū)。探測控制距離為迎頭前方 10～100 m，即 A4+76～166，其中0～10 m為關斷時間及互感等產生的淺部盲區(qū)。測區(qū)內電阻率值分布在0～60 Ω·m，高阻值分布普遍，僅在 A4+141～A4+166段頂板 10 m以上局部巖層低阻特征明顯（編號為 YC1），且底板剖面中低阻異常消失，而豎直剖面也反映其在頂板巖層中影響范圍不大。推斷測區(qū)內巖層整體賦水性弱，低阻區(qū)為頂板砂巖裂隙含水表現。

3.3 探測結果驗證

該風巷上、下兩段共實施了5次連續(xù)超前探測，表1為探掘結果對比。圖6為圖5中探測對應的垂直電阻率剖面實際驗證對比圖，其在斷層位置處電性發(fā)生明顯變化，且由高阻向低阻過渡，在解釋的低阻異常區(qū)（YC1）處淋水現象嚴重。從表1可以看出，坑道掘進所揭露的地質異常與超前物探剖面中電性分布異常解釋的一致性較好，對安全生產發(fā)揮了指導作用。

圖5 四斷面法超前電性剖面 (單位: Ω·m)Fig.5 Resistivity results of four-section method ahead of tunnel (unit: Ω·m)

表1 連續(xù)超前探測探掘結果對比Table 1 Verifying comparison of forecast results by continuous detection ahead of tunnel

圖6 坑道掘進結果驗證Fig.6 Verification of forecast result according to tunneling

4 結 論

（1）瞬變電磁超前探測布置中扇形觀測系統相對合理，其結果表達兼顧全方位特點，數據分布特點對迎頭前方空間異常響應有利。

（2）四斷面法改進現場測試方法，形成橫、豎直不同位置的4個電性斷面，有利于對前方巖層含水空間特征的判斷與分析，其實用性強。

（3）煤層坑道連續(xù)探測實踐表明，測區(qū)煤層平均電阻率值較高，便于對低阻異常的識別。四斷面法在預報前方地質異常體時，以低于10 Ω·m為低阻異常區(qū)判斷標準，具有一定的可靠性。

（4）瞬變電磁超前探測中對前方異常體定量評價基礎研究內容少，現采用的相對低阻特征判斷巖層富水易產生誤判。應綜合直流電法進行聯合超前探測，研究多方法之間的聯合反演與解釋，進一步提高超前勘探能力。

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