王智聪，张 军
(中煤科工集团 西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)
矿井水灾是矿山常见的主要灾害之一，一旦发生透水事故，不但影响矿井的正常生产，而且有时还会造成人员伤亡，淹没矿井和采区，危害十分严重。所以做好矿井防水工作，是保证矿井安全生产的重要内容之一[1]。
最近几年，我国磷矿资源的开采深度不断加深，开采难度也在不断增加，巷道掘进工作面面临的地质灾害更加多元，水文地质条件更加复杂。尤其是在矿山巷道掘进的过程中，掘进工作面前方的富水情况直接影响到后方巷道内人员和设备的安全，对矿山的安全生产造成严重威胁。因此在巷道掘进前进行超前探水工作就显得尤为必要。
目前矿井物探常用的方法有矿井地震法(槽波、瑞雷波、微震监测等)，矿井电磁法(直流电法、瞬变电磁法、无线电波透视法等)、矿井测井法(钻孔测斜、自然伽玛测井等)等[2]，这些方法均已在煤矿井下取得良好的应用效果，但在磷矿中的应用却寥寥可数。由于目前磷矿开采深度的增加以及掘进过程中面临的水文地质条件的复杂化，使得磷矿物探成为急需解决的问题。申大元等[3]采用探地雷达超前探水(溶洞)地质钻探验证相结合手段在磷矿已取得了良好的应用效果。瞬变电磁法是目前矿井物探常用的施工方法，它是通过线圈向地下发射一次脉冲磁场，一次场在传播过程中遇到良导体会激发感应电流，形成二次场，并用线圈接收二次场，研究二次场的分布规律[4,5]。瞬变电磁法施工技术因具有施工方便快捷、设备轻便、异常响应强等优势，在煤矿矿井中应用广泛，效果显著[6-8]，并在隧道中也取得了良好的应用效果[9-11]。王秋萍等[12]研究了一套复杂地形下瞬变电磁法勘查工作的解释方法，为金属矿井的勘察提供了相关技术支持。郑建烽[13]认为铁矿中不充水采空区具有高阻特性，并运用瞬变电磁法查明了铁矿采空区的富水情况。
由于瞬变电磁法在激发二次场过程中会受到周边铁磁物质的干扰影响，尤其是锚网支护及大型掘进机械等[14-17]，以及信号前期受关断效应的影响会使得早期的信号产生畸变，同时受到一次脉冲磁场以及小线圈自感和互感的影响[18-20]使得瞬变电磁法施工在进行资料解释时面临诸多困难。周金等[21]在井下实验中分析了铁轨影响下不同距离的瞬变电磁响应规律；
郭峰伟等[22]结合实际应用提出了改变瞬变电磁线圈回线装置、提高频率和在数据处理中建立反演模型的方法，来压制干扰信号，提高信噪比，并结合电测深方法提高了勘探成果的可靠性。
针对目前瞬变电磁探测施工布置及数据处理中存在的问题，对矿井瞬变电磁施工布置方法进行了改进，并对数据处理方法进行了进一步的提升，使探测结果能够与实际地层特征相符，充分反映地层含水特性。通过对矿井探测的实际成果进行充分的印证，改进后的施工布置方法与数据处理方法能够更好地为矿井安全施工服务，提高了矿井的生产安全性。
贵州省某磷矿地势以低山丘陵、沟谷为主，地形比高相差近100 m，西北部相对较高，东南部较低，山脊基岩裸露，植被稀少，地表主要为裸露的碳酸盐类岩层，岩溶和裂隙均较发育，大气降水为该矿井充水的主要水源以及各地下含水层的主要补给水源。
该矿区大气降水转换为地表水后，由冲沟、壑从北向南排泄流出矿界，部分降水通过第四系含(透)水层、火烧区补给地下。大气降水对矿井充水的主要影响一方面是通过北部露头风氧化带进入矿井，另一方面是在形成一定规模的采空区后，引起地表变形而形成的地裂缝，大气降水多集中在7、8月份，大气降水对地表水、地下水等具有补给作用，使矿井涌水量增大。
本次探测工作装置选用的是中心回线装置，正方形发射线框，线框规格为边长2 m，线圈匝数为10匝，发射电流4.5 A，工作时选用的发射频率为6.25 Hz，采样叠加次数为100次，采样率为200 Hz，接收装置为天线接收，天线等效面积450 m2。
人们使用瞬变电磁法进行对掘进迎头超前探测需要在进行施工前，先将大型掘进机械后退20 m以上。在迎头超前探施工时，分别采用横向和纵向施工方法进行探测，常规探测测线布置示意图如图1所示。
图1 常规瞬变电磁超前探测施工布置示意图Fig.1 General layout of transient electromagnetic construction
图1(a)为横向布置图，在施工时，线圈装置首先放置于巷道左侧帮，使线圈中心法线方向垂直于左侧帮开始探测。然后旋转线圈装置使线圈法线方向与巷道方向呈一定夹角测量，夹角逐渐增大至线圈法线方向与巷道方向垂直，继续旋转线圈使线圈法线方向与巷道方向夹角由直角逐渐减小至0°，即法线方向与右侧帮垂直，注意旋转角度与左侧帮旋转角度呈对称关系。图1(b)为纵向布置图，在施工时，线圈中心法线方向垂直于底板开始探测，然后旋转线圈装置，夹角逐渐增大至线圈法线方向与巷道方向垂直，继续旋转线圈使线圈法线方向与顶板方向夹角由直角逐渐减小至0°。这样就得到了以迎头位置为中心、向掘进方向呈扇形的探测范围，从而能够较全面地掌握掘进前方低阻异常的存在。
由于瞬变电磁探测方法在施工过程中受到金属体的干扰影响较大，使用常规探测测线布置方法施工，会受到巷道两帮及顶底板锚网支护的干扰影响，从而导致探测结果跟实际误差较大。
针对上述问题，对常规探测测线布置方法进行改进，改进后的测线布置方法如图2所示。
图2 瞬变电磁超前探测施工布置示意图Fig.2 Construction layout of transient electromagnetic
图2(a)为横向布置图，线圈装置首先放置于巷道左侧帮，使线圈中心法线方向与左侧帮呈45°夹角开始探测，到线圈中心法线方向与右侧帮呈45°夹角停止，即减少了左右两帮45°范围内探测。同样图2(b)减少了上下45°范围内探测，线圈中心法线方向与底板呈45°夹角开始探测，到线圈中心法线方向与顶板方向呈45°夹角停止。
该方法减少了对巷道两帮及顶底板的探测，能有效避免锚网支护的干扰影响，改善探测结果，使之更加精确。
在进行瞬变电磁数据处理时，需要对探测数据进行校正。首先对采集的原始曲线进行电流校正处理，以剔除关断效应产生的畸变及小线圈自感和互感的影响，校正方法就是从探测数据中减去小线圈产生的一次场自感和互感影响值。
单匝回线的自感系数如下
(1)
其中：
式中，r为发射线圈半径,单位为m；
a为接收线圈半径, 单位为m；
h为两线圈之间间距，单位为m；
μ0为真空磁导率, 单位为H/m；
L0为自感系数, 单位为H；
E为自感电动势,单位为V。
在对原始数据进行电流电感影响校正以后，需要通过地层校正的方法消除装置的固有过渡过程对实测曲线晚期段抬升的影响。
通过对探测原始数据的电流校正和地层校正，可以得到较为准确的瞬变电磁探测数据，数据校正方法过程如图3所示。
图3 数据校正方法示意图Fig.3 Schematic diagram of data correction method
图3中横坐标为采样时间，纵坐标为衰减电压值，实线为原始数据，短虚线为电流校正后曲线，长虚线为地层校正后数据。由图3可以看出，通过两步数据校正，可以得到更为准确的瞬变电磁探测数据，能够更加真实地反映地层地球物理信息，有助于对地层含水情况的分析与解释。
对地层校正后的曲线，需要进行滤波处理，以压制晚期噪声信号的影响，提高信号的信噪比；
数据滤波方法如式(2)所示。
ε′(ti)=[ε(ti-1)+2ε(ti)+ε(ti+1)]
(2)
式中，ε′为滤波后衰减电压数据，单位为μV;ε为各测点原始衰减电压数据，单位为μV;ti为当前道测量时间，单位为单位为μs;ti-1为上一测道测量时间，单位为μs;ti+1为下一测道测量时间, 单位为μs。
经过电流校正和地层校正，以及数据滤波计算后，进行视电阻率的转换计算，视电阻率ρr计算方法如式(3)所示。
(3)
式中，C为常数；
ST为发射线圈面积, 单位为m2；
SR为接收线圈面积, 单位为m2；
t为时窗时间,单位为μs，U为二次场电位值,单位为μV。
矿井中，在不改变原生地层的条件下，各介质电阻率在纵向上变化规律相对是固定的。一般情况下，含磷矿石具有相对较高的电阻率，砂岩、泥岩类次之。当矿井中地层有断层、陷落柱等构造存在时，如果其内部不含水，局部电阻率值比较高；
反之，就会有局部低电阻率异常体存在。这些特征为矿井的地球物理工作，尤其是瞬变电磁法探测的开展提供了良好的地球物理基础。
为了掌握西南某磷矿掘进迎头周边富水情况，使用中心回线瞬变电磁仪进行了超前探测施工。在迎头分别采用横向和纵向施工布置方法探测，并且分别用常规测线布置方法和改进后测线布置方法进行了探测。数据采集完成后，用改进后的数据处理方法成图对比，并进行钻探验证。
通过常规瞬变电磁探测，可以得到如图4所示的迎头超前探测成果图。改进后测线布置方法的探测结果如图5所示。
图4 常规测线布置超前探测成果Fig.4 Map of advance detection results
从图4(a)的横向探测结果图中可以看出，迎头左右两帮各有一大片低阻异常区，即图中蓝色区域；
迎头左前方50～60 m位置有一处绿色区域视电阻率值略偏低。从图4(b)的纵向探测结果图中可以看出，迎头顶板向上40～100 m处有一处低阻异常区，即图中蓝色区域；
迎头正前方60～70 m位置有一处区域视电阻率值略偏低。
图5 改进后测线布置超前探测成果Fig.5 Map of advance detection results
从图5(a)的横向探测成果图中可以看出，左前方50 m左右范围处有一处低阻异常区，右前方50 m左右范围处有一处低阻异常区，即图中蓝色区域；
且两处低阻异常区与迎头正前方50 m左右绿色区域相互连通；
从图5(b)的横向探测成果图中可以看出，正前方60 m左右位置有一处低阻异常区，即图中蓝色区域。
针对图4、图5的探测结果，在迎头位置布置6个钻孔。1#钻孔沿迎头右帮布置，钻进80 m后无异常终孔；
2#钻孔沿迎头右前方布置，钻进至45 m处出水；
3#钻孔沿迎头正前方布置，钻进至50 m处出水；
4#钻孔沿迎头左前方布置，钻进至48 m处出水；
5#钻孔沿迎头左帮布置，钻进80 m后无异常终孔；
6#钻孔在迎头处沿顶板方向布置，钻进80 m后无异常终孔。
通过上述钻探结果可以看出，图4中左右两帮及顶板上方出现的异常为假异常，且假异常在物探成果图中经常会掩盖真实异常，验证了改进后测线布置方法的可行性。同时通过横、纵向探测的对比，可确定低阻异常区的三维空间分布形态。
本文介绍了瞬变电磁常规施工布置方法，并对施工布置方法和数据处理方法加以改进，通过在磷矿掘进迎头使用瞬变电磁超前探测技术，可得出以下结论：
1)通过对磷矿掘进迎头进行瞬变电磁法的探测，并对探测结果进行处理与分析，结合钻探验证情况，证明瞬变电磁方法在磷矿有良好的应用效果。
2)通过本次探测结果可以分析出，常规瞬变电磁测线布置方法施工中，由于巷道两帮以及顶板锚网支护的影响，会对探测结果造成较大误差，误差表现为锚网支护影响会使相应探测位置出现假异常结果，且这些假异常大多情况下会掩盖真实异常。
3)通过对两种施工布置方法成果进行对比，并结合钻探验证的成果分析，进一步验证了改进后测线布置方法的可靠性。
4)对改进后的探测装置布置与数据处理方法，进行了验证性探测与数据分析。通过分析发现，改进后测线布置方法与数据处理方法更加精确，与地层真实情况更加吻合。
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