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摘要：结合瞬变电磁技术和煤矿水害特征，将瞬变电磁技术应用到煤田水文勘探中，能有效的预防煤矿水害事故的发生。本文分别介绍了瞬变电磁技术在查明构造含导水性、采空区勘查、含水层富水性评价和矿井水文勘探中的应用，针对不同的目的任务，提出了地面大定源回线和井下偶极两种数据采集装置，分析了每种装置的工作方法，并研究了实际生产中的主要影响因素，指出了应用中存在的问题和今后努力的方向。
关键词：煤矿水害 瞬变电磁技术 水文物探 大定源回线装置 偶极装置
中图分类号：TV523 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）32-583-01
引言
瞬变电磁法（简称TEM法）属于时间域电磁法，由于该方法是纯二次场测量，故与传统直流电法勘探相比较，具有对低阻异常体反映灵敏，勘探深度大，受地形影响小，工作效率高等优势[1，2]。近年来，随着瞬变电磁探测技术的发展，该技术已经广泛应用到金属矿产勘查、油气勘探、工程勘查、考古探测、煤田勘探等多个领域，同时已经成为煤田水文勘探的首选物探方法。本文详细列举了瞬变电磁法在煤田水文探测中的几种主要应用，并总结了实际生产中存在的问题。
1 方法概述
瞬变电磁法开始只应用于金属矿勘探，上世纪90年代以后随着仪器的数字智能化发展，瞬变电磁法才开始应用于煤田水文探测中，如查明断层和陷落柱等构造的含导水性、地下采空区勘查、评价含水层富水性、结合水文钻孔预测矿井涌水量、矿井迎头超前探测等方面都取得了良好的效果。地面瞬变电磁法多采用大定源回线装置，探测深度较大；井下超前探测一般采用偶极装置，探测深度一般100m左右。
2地球物理前提
地层的含水性是个极其复杂的难题。在构造发育带附近，或者出现层位错动、或者是地层产生揉皱变化、或岩溶发育地带等，这种变化一般都伴随着一定范围内地层裂隙发育，从而为岩层水体的富集提供了有利空间。当裂隙充水时，在纵向与横向上都打破了原有电性的固有变化规律，呈现相对低阻。在石炭二迭系砂、泥岩地层中，地下水富集呈现低阻反映，但是泥岩的电阻率也仅为10～20.m，所以在石炭二迭系砂、泥岩地层中的低阻不能都解释为与地下水相关。结合三维地震资料，在区分砂泥岩、灰岩的前提下，能够有效地分辨地层及其构造等含水性。在奥灰内部，电阻率存在各向异性，岩溶发育带与完整灰岩相比，电阻率明显降低，依此可确定奥灰灰岩岩溶发育的空间分布。这就是用电磁法进行水文地质探测的地球物理前提[3，4]。
3 实际应用
在煤田水文勘探过程中，以往查明富水异常区位置都是依靠钻探方法，该方法虽然结果较可靠，但是控制范围小、成本高且速度慢，难以精确圈定富水区范围和导水构造的空间位置，而且在打钻时容易导通富水区域和开采巷道，存在一定的危险。相比之下瞬变电磁法由于其体积效应小、分辨率高、方向性强、施工快速、对低阻区敏感、近距离观察的优点，被广泛的应用于煤田水文勘探工作。
3.1构造含导水性探测
引起煤矿水害一个重要的原因是煤矿含导水性构造，它不仅是在煤矿建设与开采过程中必须要解决的问题，同时也是煤田水文地质研究中的重要课题。断层、陷落柱等构造极易导通上下含水层，使相邻含水层发生导水联系，这给煤矿开采造成了严重的威胁。断层、陷落柱等构造往往伴随裂隙发育，给煤矿水提供了富水空间，当裂隙充水时呈低阻反映，不充水时呈高阻反映[5]。
3.2含水层富水性分析
煤系地层中岩石的粒度、厚度、地質构造发育状况和煤层顶、底板结构等都是影响含水层富水性的因素[6，7]。砂岩颗粒越粗、砂岩层越厚，则煤层顶底板含水层富水性往往越好。影响地下水赋存的重要因素是砂岩厚度，厚度大可储水空间大，反之，厚度小则可储水空间小。如果砂岩和泥岩交替出现，则大大限制了不同砂岩含水层段之间的水力联系和砂岩含水层中构造裂隙的延展性，对砂岩富水不利。
由于同一含水层不同区段砂岩的粒度、厚度以及构造发育情况不一，因此往往含水层富水性不均，给煤矿开采造成极大的困难。以往水文勘探常通过水文钻孔勘探定义含水层富水性，但是钻探成本高，网度低，且带有一定的盲目性。而瞬变电磁勘探成本低，网度可根据实复杂情况调整到20×20或者10×10，联系水文钻孔能够做到点面结合，综合对含水层富水性做出精确评价。
3.3采空区勘查
近年来采空区透水事故层出不穷， 给煤矿安全生产造成了重大的灾难。地下煤层开采影响上升到地表以后，在采空区上方地表会形成一个凹地——地表移动盆地。在充分采动情况下，地表移动过程完成以后，地表移动盆地一般可分三个区域，中间区、内边缘区和外边缘区。
由于煤田采空区将形成地表移动盆地，在形成盆地的过程中，上部岩石将发生形变，形成裂隙发育区，改变了岩石原有的电性特征，电阻率值与非采空区有明显的差别，当煤层采空区充水时形成低阻反映，从而为瞬变电磁勘探提供了可能。
3.4矿井瞬变电磁勘探
矿井瞬变电磁法基本原理与地面瞬变电磁法基本相同。所不同的是，矿井瞬变电磁法是在井下巷道内进行，瞬变电磁场呈全空间分布。煤层一般情况下为高阻介质，电磁波易于通过，所以煤层对TEM来说就没有像对直流电场那样的屏蔽性，故接收线圈接收到的信号是来自发射线圈周围全空间岩石电性的综合反映，因而在判定异常体空间位置时，需根据线圈平面的法线方向并结合地质资料加以综合分析确定。
目前，矿井瞬变电磁法主要用于解决煤层顶板（或底板）岩层内部的富水异常区探测、巷道掘进头迎头前方的突水构造预测、含水陷落柱勘查等水文地质问题。
4结论
随着瞬变电磁技术的不断发展和进步，该方法被越来越多的应用于煤矿水害防治工作中，无论在地面大定源回线装置，还是在井下超前探测都取得了可喜的成果。但正是因为瞬变电磁技术广泛的应用，出现的问题也越来越多。比如野外采集数据中有效信息的提取，不同地形条件下电磁场的变化研究，不同地电条件下电磁波传播速度的求取，数据反演过程中与已知水文地质资料的结合等。因此个人认为在大力发展航空瞬变电磁、海洋瞬变电磁和三维瞬变电磁反演的环境下，更应该注重跟实际条件的相结合，把更多的精力放在解决实际问题，提高瞬变电磁技术的分辨率和解释精度中[8]。
参考文献
[1]牛之琏.时间域电磁法原理[M].长沙：中南大学出版社，2007.1-6.
[2]蒋邦远.实用近区磁源瞬变电磁法勘探[M].北京：地质出版社，1998.2-6.
[3]任正和，尹训志，田庆安等.大地电磁测深在山东齐河法王南部地区地热普查中的应用[J].山东国土资源，2008，28（12）：45—49.
作者简介：
张伟强（1984-），男，山东潍坊人，工程师，主要从事煤田地质、物探工作；E-mail；395772115@qq.com.
关键词：煤矿水害 瞬变电磁技术 水文物探 大定源回线装置 偶极装置
中图分类号：TV523 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）32-583-01
引言
瞬变电磁法（简称TEM法）属于时间域电磁法，由于该方法是纯二次场测量，故与传统直流电法勘探相比较，具有对低阻异常体反映灵敏，勘探深度大，受地形影响小，工作效率高等优势[1，2]。近年来，随着瞬变电磁探测技术的发展，该技术已经广泛应用到金属矿产勘查、油气勘探、工程勘查、考古探测、煤田勘探等多个领域，同时已经成为煤田水文勘探的首选物探方法。本文详细列举了瞬变电磁法在煤田水文探测中的几种主要应用，并总结了实际生产中存在的问题。
1 方法概述
瞬变电磁法开始只应用于金属矿勘探，上世纪90年代以后随着仪器的数字智能化发展，瞬变电磁法才开始应用于煤田水文探测中，如查明断层和陷落柱等构造的含导水性、地下采空区勘查、评价含水层富水性、结合水文钻孔预测矿井涌水量、矿井迎头超前探测等方面都取得了良好的效果。地面瞬变电磁法多采用大定源回线装置，探测深度较大；井下超前探测一般采用偶极装置，探测深度一般100m左右。
2地球物理前提
地层的含水性是个极其复杂的难题。在构造发育带附近，或者出现层位错动、或者是地层产生揉皱变化、或岩溶发育地带等，这种变化一般都伴随着一定范围内地层裂隙发育，从而为岩层水体的富集提供了有利空间。当裂隙充水时，在纵向与横向上都打破了原有电性的固有变化规律，呈现相对低阻。在石炭二迭系砂、泥岩地层中，地下水富集呈现低阻反映，但是泥岩的电阻率也仅为10～20.m，所以在石炭二迭系砂、泥岩地层中的低阻不能都解释为与地下水相关。结合三维地震资料，在区分砂泥岩、灰岩的前提下，能够有效地分辨地层及其构造等含水性。在奥灰内部，电阻率存在各向异性，岩溶发育带与完整灰岩相比，电阻率明显降低，依此可确定奥灰灰岩岩溶发育的空间分布。这就是用电磁法进行水文地质探测的地球物理前提[3，4]。
3 实际应用
在煤田水文勘探过程中，以往查明富水异常区位置都是依靠钻探方法，该方法虽然结果较可靠，但是控制范围小、成本高且速度慢，难以精确圈定富水区范围和导水构造的空间位置，而且在打钻时容易导通富水区域和开采巷道，存在一定的危险。相比之下瞬变电磁法由于其体积效应小、分辨率高、方向性强、施工快速、对低阻区敏感、近距离观察的优点，被广泛的应用于煤田水文勘探工作。
3.1构造含导水性探测
引起煤矿水害一个重要的原因是煤矿含导水性构造，它不仅是在煤矿建设与开采过程中必须要解决的问题，同时也是煤田水文地质研究中的重要课题。断层、陷落柱等构造极易导通上下含水层，使相邻含水层发生导水联系，这给煤矿开采造成了严重的威胁。断层、陷落柱等构造往往伴随裂隙发育，给煤矿水提供了富水空间，当裂隙充水时呈低阻反映，不充水时呈高阻反映[5]。
3.2含水层富水性分析
煤系地层中岩石的粒度、厚度、地質构造发育状况和煤层顶、底板结构等都是影响含水层富水性的因素[6，7]。砂岩颗粒越粗、砂岩层越厚，则煤层顶底板含水层富水性往往越好。影响地下水赋存的重要因素是砂岩厚度，厚度大可储水空间大，反之，厚度小则可储水空间小。如果砂岩和泥岩交替出现，则大大限制了不同砂岩含水层段之间的水力联系和砂岩含水层中构造裂隙的延展性，对砂岩富水不利。
由于同一含水层不同区段砂岩的粒度、厚度以及构造发育情况不一，因此往往含水层富水性不均，给煤矿开采造成极大的困难。以往水文勘探常通过水文钻孔勘探定义含水层富水性，但是钻探成本高，网度低，且带有一定的盲目性。而瞬变电磁勘探成本低，网度可根据实复杂情况调整到20×20或者10×10，联系水文钻孔能够做到点面结合，综合对含水层富水性做出精确评价。
3.3采空区勘查
近年来采空区透水事故层出不穷， 给煤矿安全生产造成了重大的灾难。地下煤层开采影响上升到地表以后，在采空区上方地表会形成一个凹地——地表移动盆地。在充分采动情况下，地表移动过程完成以后，地表移动盆地一般可分三个区域，中间区、内边缘区和外边缘区。
由于煤田采空区将形成地表移动盆地，在形成盆地的过程中，上部岩石将发生形变，形成裂隙发育区，改变了岩石原有的电性特征，电阻率值与非采空区有明显的差别，当煤层采空区充水时形成低阻反映，从而为瞬变电磁勘探提供了可能。
3.4矿井瞬变电磁勘探
矿井瞬变电磁法基本原理与地面瞬变电磁法基本相同。所不同的是，矿井瞬变电磁法是在井下巷道内进行，瞬变电磁场呈全空间分布。煤层一般情况下为高阻介质，电磁波易于通过，所以煤层对TEM来说就没有像对直流电场那样的屏蔽性，故接收线圈接收到的信号是来自发射线圈周围全空间岩石电性的综合反映，因而在判定异常体空间位置时，需根据线圈平面的法线方向并结合地质资料加以综合分析确定。
目前，矿井瞬变电磁法主要用于解决煤层顶板（或底板）岩层内部的富水异常区探测、巷道掘进头迎头前方的突水构造预测、含水陷落柱勘查等水文地质问题。
4结论
随着瞬变电磁技术的不断发展和进步，该方法被越来越多的应用于煤矿水害防治工作中，无论在地面大定源回线装置，还是在井下超前探测都取得了可喜的成果。但正是因为瞬变电磁技术广泛的应用，出现的问题也越来越多。比如野外采集数据中有效信息的提取，不同地形条件下电磁场的变化研究，不同地电条件下电磁波传播速度的求取，数据反演过程中与已知水文地质资料的结合等。因此个人认为在大力发展航空瞬变电磁、海洋瞬变电磁和三维瞬变电磁反演的环境下，更应该注重跟实际条件的相结合，把更多的精力放在解决实际问题，提高瞬变电磁技术的分辨率和解释精度中[8]。
参考文献
[1]牛之琏.时间域电磁法原理[M].长沙：中南大学出版社，2007.1-6.
[2]蒋邦远.实用近区磁源瞬变电磁法勘探[M].北京：地质出版社，1998.2-6.
[3]任正和，尹训志，田庆安等.大地电磁测深在山东齐河法王南部地区地热普查中的应用[J].山东国土资源，2008，28（12）：45—49.
作者简介：
张伟强（1984-），男，山东潍坊人，工程师，主要从事煤田地质、物探工作；E-mail；395772115@qq.com.