0 引 言
矿井瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Method，TEM)采用电磁波在煤矿井下全空间激发一次场，在一次场脉冲的间隔期间(断电后) ，观测由围岩体感应形成的二次场随时间的变化[1]。其在对采煤工作面内部以及巷道掘进前方隐伏小煤窑采空区、断层、陷落柱、水文钻孔等地质异常体的导含水性超前探测中取得了良好的应用效果[2]。受井下空间及防爆限制，矿井瞬变电磁探测回线边长尺寸和发射功率较小，为了达到相应的探测深度及探测精度，研究合适的数据采集及处理参数尤为重要[3]。国内不少专家学者进行了大量研究，姜志海等[4]采用物理试验对矿井瞬变电磁观测系统的发射功率、发射磁矩、关断时间等参数随发射线圈匝数的变化关系，以及关断时间、接收信号随接收线圈匝数的变化关系进行了定性研究；李飞等[5]通过数值模拟和现场试验，分别研究了矿井半空间和全空间条件下瞬变电磁法偶极装置观测信号随收发距的变化规律；陈明生等[6]应用时域有限差分方法(FDTD)分析地下和地面的瞬变响应，采用3～5 ms的延迟时间可探测较浅的异常体；陈健强[7]开展了瞬变电磁法探测参数的现场试验研究，通过发射频率、叠加次数、数据采集密度等采集参数及视电阻率系数、深度系数等处理参数的对比试验，得出了适用于试验矿区及相似地球物理场条件下的最优探测参数；邱浩[8]在朝阳煤矿9101 工作面巷道掘进过程中通过基于瞬变电磁法频率、叠加次数的参数优化试验，确定了工作面内部老旧巷道探测的最优参数；文献[9-12]分别从地面瞬变电磁法中心回线、小线框、浅埋深采空区以及不同系统装置的角度对各类参数进行了地面试验研究，优化了相关地面采集技术，取得了一定成果。
在以上研究基础上，为了获取适合井下施工的矿井瞬变电磁法参数，在晋煤集团朝阳矿已知积水采空区进行了大量参数优化试验工作，并将优化结果应用到晋煤集团王台铺矿超前探测采空区及积水区，取得一定的成果，对榆林、鄂尔多斯、山西等地的矿井瞬变电磁法探测工作可以起到一定的借鉴作用。
1 试验区概况及试验设计
1.1 试验区概况
晋煤集团某矿9101工作面轨道巷位于9号煤层中，探测位置东面为矿界，南部为未采区(可能存在采空区)。井田内可采煤层为山西组的3号煤层及太原组的9、15号煤层。
2015年8月23日在轨道巷1 152 m处施工超前探测钻孔，在掘进工作面正前方45 m处与右帮方位角160°方向65 m处见空，并有采空区积水涌出(图1)。经测定，水压最大可达0.2 MPa，涌水量为10～20 m3/h。采取水样进行水质化验后，发现非常高的矿化度和S
离子含量，具备采空区积水水文地质特征。
图1 物探位置钻孔示意
Fig.1 Schematic of geophysical location drilling
超前探测钻孔揭露采空区以后，为了提高瞬变电磁法探测精度，在9101工作面轨道巷1 152 m处(图1)，进行了矿井瞬变电磁法超前探测参数优化试验的现场数据采集工作。试验现场轨道巷宽度4.1 m，高度2.2 m，锚杆锚网支护，综掘机退后27 m，掘进工作面正中间1号钻孔与右帮B5号钻孔作为放水孔对采空区积水进行疏放，外接排水钢管，长度1 m左右，掘进工作面与右帮管路接口处有少量涌水。距掘进工作面3～5 m处有钢管等铁器，右帮距掘进工作面5 m处钻孔有渗水，颜色为黄色。图1中，1号钻孔：方位角90°，倾角+5°，孔深45 m时出水，出水量约为10 m3/h，水压0.2 MPa。B4号钻孔：方位角180°，倾角-1°,孔深127 m,揭露全煤。B5号钻孔：方位角160°，倾角-0.9°，孔深时65 m出水，出水量约为10 m3/h,水压0.2 MPa。
1.2 试验设计
矿井瞬变电磁法超前探测试验设计探测方向为顺煤岩层向掘进工作面前方探测，共布置横向探测角度14个(图2)，探测角度分别是左侧帮(180°、165°、150°、135°、120°、105°)、正前方(90°、 90°)、右侧帮(0°、15°、30°、45°、60°、75°)，计14个测点数据[12]。
图2 横向探测角度示意
Fig.2 Schematic of lateral detection angle
2 参数优化试验
2.1 发射频率
矿井瞬变电磁一般要求井下探测区域附近进行断电处理，以防止受到生产用电的干扰；矿井瞬变电磁仪的发射波形为方形波，发射频率为普通用电频率的倍数或约数，通过滤波可完全对普通用电频率的干扰进行剔除[13-14]。频率越高，探测深度越小，目标体分辨率越高；频率越低，探测深度大，目标体分辨率越低。在频率的选择上，一般以实际探测时曲线的完整为标准，既要兼顾探测深度，又能兼顾探测精度[15-16]。
本次试验选取发射频率为2.5、6.25和25 Hz时进行试验(叠加次数均为32次，采样密度均为中密度)。1号钻孔方向(探测角度90°方向)不同发射频率的归一化电压-时间曲线和视电阻率-深度曲线分别如图3和图4所示，由图3可以看出：6.25和25 Hz曲线衰减较为圆滑，2.5 Hz曲线40 ms之前曲线衰减较为圆滑，40 ms之后曲线尾支出现较大的跳跃性，曲线衰减不稳定，且随着频率从2.5、6.25 Hz到25 Hz逐步增大，其感应二次场随衰减时间的增加而减少；在图4中表现为随频率增大，其最大探测深度减少，2.5、6.25、25 Hz最大探测深度分别为170、120、100 m左右。结合图1中在探测深度45 m打钻出水位置，可以看出：随着频率增大，视电阻率也逐步增大，25 Hz的曲线视电阻率显示较高，不能很好地表现低阻异常，2.5 Hz曲线视电阻率虽然较低，但衰减不稳定，影响探测精度，而6.25 Hz曲线衰减圆滑，且在出水位置表现出相吻合的低阻异常，与现场实际最为符合。
图3 1号钻孔方向测点归一化电压-时间曲线
Fig.3 Normalized voltage-time curves of measuring points in No.1 borehole direction
图4 1号钻孔方向测点视电阻率-深度曲线
Fig.4 Resistivity-depth curves of measuring points in No.1 borehole direction
不同发射频率的瞬变电磁法顺层方向超前探测视电阻率等值线拟断面如图5所示，图中横坐标0点位置为探测位置，横坐标负轴对应巷道左侧，正轴对应巷道右侧，纵坐标为沿顺层方向探测的距离；图中从冷色调到暖色调表示视电阻率不断升高。从图5中可以明显看出：2.5 Hz和6.25 Hz的断面图中，1号钻孔45 m处开始出现凹陷状冷色调低阻异常，与现场打钻情况相符，而25 Hz的断面图则出现正常的视电阻率值，冷色调低阻异常出现在70 m之后，与打钻出水情况不符；考虑到现场掘进工作面左右帮均有锚网及钻杆等铁器干扰，在图5中所有断面图中左右帮均出现大片低阻干扰异常，与B5号钻孔出水位置重合，不具备验证性。
2.2 叠加次数
矿井瞬变电磁法在数据采集时，可能遇到游散电流等随机干扰，通过多次数据采集并叠加到一起可以减弱随机干扰，增强数据的真实性；但有时遇到井下交流电缆等周期性干扰，通过多次数据采集叠加，可能增强或突出周期性干扰，降低探测结果的可靠性[17-18]。另外，叠加次数越多，采集时间越长，施工效率越低，所以不能简单增加叠加次数来提高数据质量，不能简单从叠加次数的多少来说明探测结果的质量，选择叠加次数也是以实际探测时曲线的完整、圆滑为标准[19-20]。
图5 不同发射频率超前探测视电阻率等值线拟断面
Fig.5 Pseudo-section of apparent resistivity isoline for advanced detection with different emission frequencies
本次选取叠加次数为16、32和64次进行试验(发射频率均为6.25 Hz，采样密度均为中密度)。1号钻孔方向(探测角度90°方向)不同叠加次数的归一化电压-时间曲线和视电阻率-深度曲线分别如图6和图7所示。由图6可知：3种叠加次数曲线衰减均较为圆滑，只有16次叠加曲线尾支出现上扬，不能有效压制晚期二次场干扰，不同之处在于在0.1～3.0 ms时，32次叠加次数曲线整体归一化电压值最大，16次和64次叠加次数曲线最小，16次叠加次数相比较于64次整体略大；图7中32次叠加次数曲线整体视电阻率值位于30 Ω·m以下，而16次和64次叠加次数曲线在30 Ω·m以上，在1号钻孔45 m深度也有类似的表现。根据在井下探测总结的经验，一般视电阻率值位于30 Ω·m以下推断为含水异常，30 Ω·m以上推断为不含水正常岩层或高阻异常。因此，32次叠加次数在1号钻孔45 m深度表现为低阻含水异常，与出水位置相吻合，与现场实际最为符合，为矿井瞬变电磁法最佳叠加次数。
图6 1号钻孔方向测点归一化电压-时间曲线
Fig.6 Normalized voltage-time curves of measuring points in No.1 borehole direction
图7 1号钻孔方向测点视电阻率-深度曲线
Fig.7 Resistivity-depth curves of measuring points in No.1 borehole direction
瞬变电磁法顺层方向不同叠加次数超前探测视电阻率等值线拟断面如图8所示，可以明显看出：32次的断面图中1号钻孔45 m处开始出现大片蓝色低阻异常，与现场打钻情况相符，而16次和64次叠加次数的断面图均出现正常或偏高的视电阻率值，与打钻出水情况不符；左右帮均存在铁器干扰，断面图左右帮不具备试验验证性。
图8 不同叠加次数超前探测视电阻率等值线拟断面
Fig.8 Pseudo-section of apparent resistivity isoline for advanced detection with different number of superpositions
2.3 采样密度
一般采样密度越高，采集的数据点越多，数据质量越可靠，但采样密度越高，采集时间越长，施工效率就越低，且受限于计算机处理效率，不能无限增大采样密度[21-22]。另外，采样密度越高，采集的电性信息越多，地质信息越丰富，分辨异常越精细，同时采集到的干扰信息也可能增多，干扰增大，所以需要试验选择合理的采样密度来提高数据质量，不能简单从增加采样密度来提高异常分辨率，选择采样密度也是以实际探测时曲线的衰减圆滑程度为标准，更要兼顾实际。
本次试验选取低密度、中密度和高密度进行试验(发射频率均为6.25 Hz，叠加次数均为32次)。1号钻孔方向(探测角度90°方向)不同采样密度的归一化电压-时间曲线和视电阻率-深度曲线如图9和图10所示，由图9可知，3种采样密度曲线衰减均较为圆滑，且较为重合，高密度采样曲线尾支稍显上翘，归一化感应电压未见明显差异；图10中表现为较明显的视电阻率差异，中密度采样曲线整体视电阻率最低，低密度采样曲线视电阻率整体居中，高密度采样视电阻率值整体偏高，但均位于30 Ω·m以下，属于低阻含水异常，低阻异常幅度有差异。因此，中密度采样曲线吻合程度最高，为矿井瞬变电磁法最佳采样密度[23]。
图9 1号钻孔方向测点归一化电压-时间曲线
Fig.9 Normalized voltage-time curves of measuring points in No.1 borehole direction
图10 1号钻孔方向测点视电阻率-深度曲线
Fig.10 Resistivity-depth curves of measuring points in No.1 borehole direction
瞬变电磁法顺层方向低密度、中密度、高密度采样的超前探测视电阻率等值线拟断面如图11所示。可以看出：低密度采样断面图中低阻异常位于正前方及偏左方向，中密度低采样断面图中低阻异常呈现在正前方一片，左右对称，而高密度采样断面图中低阻异常位于正前方及偏右方向，中密度采样断面图中的低阻异常可以较好地涵盖现场实际富水区分布。
图11 不同采样密度的超前探测视电阻率等值线拟断面
Fig.11 Pseudo-section of apparent resistivity isoline for advanced detection with different sampling densities
3 应用实例分析
按照以上优化的瞬变电磁法发射频率、叠加次数以及采样密度等参数，对山西晋城矿区王台铺矿进行矿井瞬变电磁法超前探测工作，以准确查明前方采空区及积水情况。超前探测位置位于XV3308工作面的33083巷500 m处(距离开切眼30 m)，探测成果叠加如图12所示，图中从蓝色到红色(冷色调到暖色调)表示视电阻率不断升高。可以看出在掘进工作面两帮随着距离增大，出现较大面积的低阻异常区(蓝色)，推断为含水采空区；而在掘进工作面前方较近区域存在大范围高阻异常区(红色)，推断为不含水或弱含水采空区。
图12 顺层切片叠加及小窑采空区分布
Fig.12 Stratigraphic slice stacking and small kiln goaf distribution
由图12可以看出存在明显的1处高阻异常体和2处低阻异常体，且分界面明显，其与查明的小窑巷道分布区基本重合。后经过矿方打钻验证，正前方50 m之外的高阻异常区见空，通过钻孔透视发现，为小煤窑采空区，无积水，后退30 m，向右侧帮1处低阻异常区打钻，打到深度35 m遇空出水，水量较大。可以看出，瞬变电磁法发射频率、叠加次数以及采样密度优化结果在晋城矿区煤矿应用取得较好验证效果。
4 结论与建议
1)矿井瞬变电磁法确定了采用6.25 Hz的发射频率、32次叠加和中密度采集方式的采空区及积水区超前探测优化参数，可取得较好探测效果。
2)根据在鄂尔多斯地方煤矿、临汾地方煤矿、晋煤集团、朔州地方煤矿等井下探测总结的经验，一般视电阻率值位于30 Ω·m以下推断为含水异常，30 Ω·m以上推断为不含水正常岩层，更高则推断为高阻异常。
3)将采集优化参数应用到瞬变电磁法实例中，成功发现前方采空区及积水区。
4)本次试验由于防爆仪器本身局限性，部分常用参数如发射电流等不能试验，并且尚未考虑资料处理过程部分参数如视电阻率系数、深度系数等对数据曲线的影响，未来试验中会加大这方面参数的试验工作。
致谢：感谢晋煤集团技术研究院物探工程分公司以及煤炭科学技术研究院有限公司安全分院晋城项目部的各位领导、同事对本次试验的重视和支持！
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