1. 引言
煤炭是我国能源结构中的支柱，煤矿的安全高效生产是源源不断提供煤炭的基础，井工煤矿占我国煤矿数量比重的90%以上，所以井工煤矿安全高效生产是原煤生产的重中之重[1]。由于井工煤矿的水文地质条件比较复杂，水灾事故时有发生，成为制约煤矿安全生产的主要影响因素[2]。矿井在建设和生产过程中，地面水和地下水通过各种通道涌入矿井，当矿井涌水超过正常排水能力时，就造成矿井水灾[3]。矿井水灾(通常称为透水)，是煤矿常见的主要灾害之一，一旦发生透水，不但影响矿井正常生产，而且有时还会造成人员伤亡[4]。淹没矿井和采区，危害十分严重，所以做好矿井防治水工作，是保证矿井安全生产的重要内容之一[5]。矿井水对煤矿安全生产有重大影响，主要表现在如下几个方面[6]。一是可能造成矿工受伤甚至死亡；二是水灾会影响矿井的正常运作；三是可能导致矿山环境受污染；四是水灾可能导致建筑物损坏；五是水灾可能会影响地下矿山的结构稳定性[7]。因此非常有必要对防治水技术展开深入研究，保障矿井的安全生产。
2. 矿井及工作面概况
2.1. 矿井概况
骆驼山煤矿位于内蒙古乌海市海勃湾区，隶属于国家能源集团乌海能源有限责任公司。目前骆驼山煤矿属于基建矿井，设计年产量150万吨。矿井基建期间采用中央分列式通风方式，抽出式通风方法。现主斜井、副斜井进风，南风井回风，形成二进一回通风系统。南风井安设DK54-6-№18 (2 × 110 kW)型轴流式通风机2台，一用一备，总进风量4247 m3/min，负压680 Pa，等积孔2.81 m2，属通风容易矿井，巷道风阻小，通风网络简单、通风系统可靠，各巷道风量满足规程和规范要求。矿井生产期间采用分区式通风方式，抽出式通风方法。矿井移交生产时共有五条井筒，主斜井、副斜井、缓坡斜井，进风立井进风，一号回风立井回风，一号回风立井服务于11采区，形成四进一回通风系统。一号回风立井安设FBCDZ-8-№28 (2 × 630 kW)，一用一备，矿井通风容易时期风量10,080 m3/min，负压657.4 Pa，等积孔8.0 m2；通风困难时期风量10,080 m3/min，负压1951.6 Pa，等积孔4.5 m2，均属通风容易矿井。随着矿井生产接续，后期在相应采区增设二、三号回风立井，作为后期回风井井筒兼安全出口，二号回风立井服务于12采区，三号回风立井服务于13、14采区。矿井基建期间，根据主斜井、副斜井和地勘资料分析，反掘工作面施工过程中需要依次揭露10#、9#、8#、3#、2#、1#煤层，因该井筒位于平沟煤矿III盘区，而平沟煤矿为突出矿井，9#、10#煤层在鉴定区域均属于突出煤层，III盘区未鉴定前所有煤层均按突出煤层管理。矿井计划安设井下移动瓦斯抽采系统，在二号行人斜巷上部车场回风道内安设CBF400-2BV3型移动抽采泵2台，一用一备，电机功率132 Kw，额定抽采流量110 m3/min。管路选用Φ355 mmPE管沿 + 920水平辅助运输大巷至 + 920水平联络通道到缓坡斜井反掘工作面，按规范安设除渣器、正负压放水器、防回气防回水装置、防火抑爆装置、V锥流量计、监控设备等。
骆驼山煤矿矿井涌水量目前主要包括主、副斜井井壁涌出的松散层水、中央轨道大巷和中央胶带大巷通过F64断层涌出的奥灰水。矿井现正常涌水量130 m3/h，最大涌水量150 m3/h，矿井涌水量整体呈稳定。骆驼山煤矿于2012年开始建立由中煤科工集团西安研究院有限公司生产的KJ117矿井水文监测系统，实现了对奥灰含水层地下水位的动态监测。此系统主要包含主站1套(地面生产指挥中心)，地面分站YJSY (DW) 5台(BC1、B2-2、B3-2、B1-5、B1-3水文补勘钻孔附近各1台)；井下分站(KJ117-F) 2台(+920 m变电所1台，+870 m主变电所1台)，明渠流量计(GUY30 (A)) 5台(+920 m水平辅助运输大巷1台，+870 m主副水仓入水口处1台，副斜井井底车场1台，中央带式输送机大巷1台，中央轨道运输大巷1台)，管道流量计(LCZ-803 (A)) 2台(中央水泵房内)，水质传感器(GPDH18) 1套(+870 m生活水仓内)。骆驼山煤矿矿井水文地质类型属于极复杂型。
2.2. 综掘工作面概况
一号探放水治理巷工作面位于骆驼山煤矿 + 920 m水平，该面上部及下部均尚未开拓。该面北部30 m为11采区1号集中回风上山；西部为11采区下部车场；南部20 m为11采区带式输送机上山；东部580 m为11采区回风联络巷。该面相邻巷道均已掘进完成。距地表垂深约363.3 m~358.7 m。相对地表位置北距井田北部边界151 m处，南距进风立井934 m，西距运煤专线13 m，东距回风立井1124 m，地面无建筑物，对掘进无影响。该工作面采用综掘机进行掘进，综掘机型号为EBZ260H型。同时采用锚网索支护，锚杆选用φ20 mm，L = 2200 mm的Ⅲ级左旋无纵肋螺纹钢锚杆。锚杆配件：采用配套Q235蝶形钢托盘、减摩擦垫圈、调心球垫，托盘采用200 mm × 200 mm × 8 mm钢托盘。锚杆间排距为800 mm × 800 mm。锚杆外露长度为10~50 mm，锚杆预紧力矩不低于200 N∙m，锚杆抗拔力不低于120 KN。每次掘进后，工作面距离永久支护锚杆不得超过2000 mm最大控顶距，永久支护完成后，工作面距离永久支护锚杆不得超过400 mm最小控顶距，帮部锚杆可滞后工作面不大于25 m，空帮高度不得超过1.8 m，工作面空顶时间不得超过30 min。锚索材料为φ21.6 mm，1 × 7股预应力钢绞线，锚索长度为7900 mm。锚索配套采用300 mm × 300 mm × 20 mm拱形托盘，Q235钢板制成，及配套锁具紧固锚索。锚索间排距为2000 mm × 2400 mm，每根锚索锚固力不低于200 kN，张拉后，锚索露出锁具长度为150~250 mm，锚索可滞后工作面不大于2400 mm。
3. 存在的问题
骆驼山煤矿矿井水文地质类型属于极复杂型。骆驼山煤矿矿井掘进工作面距离奥灰水较近，历史上骆驼山煤矿曾经在2010年3月1日发生过特大透水事故，造成过严重的人员伤亡事故。因此骆驼山煤矿的防治水压力非常，尤其是在掘进过程中必须严格执行“预测预报、逢掘必探、先探后掘，先探后采”的原则，采用物探先行，钻探验证的方法对探放水工程进行施工，杜绝水灾事故的发生。
4. 瞬变电磁法探测技术在煤矿的实践与应用
4.1. 瞬变电磁法探测技术的工作原理
瞬变电磁法(Transient Electromagnetics Method, TEM)是以地壳中岩(矿)石的导电性与导磁性差异为主要物质基础，根据电磁感应原理，利用不接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场的间隙期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场，并研究该场的空间与时间分布规律，来寻找地下矿产资源或解决其它地质问题的支时间域电磁法。图1即为瞬变电磁法原理的图解。
Figure 1. Working principle diagram of transient electromagnetic method
图1. 瞬变电磁法工作原理图
4.2. 瞬变电磁法探测技术的具体应用
1) 瞬变电磁法探测技术在巷道中的布置
在实际工作过程中对于每个发射点，也可调整天线的法线与巷道底板的夹角大小，以探测巷道顶板、顺层和底板方向的围岩变化情况，根据现场探测条件，可选择0~180˚探测，也可选择45˚~135˚探测，从右到左或从底板往顶板方向探测。在做井下瞬变电磁超前探测工作时，迎头面积很小，往往采用扇形探测技术，每个测点间距15度。如图2和图3为施工布置图。
Figure 2. Schematic diagram of advance detection direction underground
图2. 井下超前探测方向示意图
2) 瞬变电磁法探测技术的使用仪器及注意事项
YCS2000A矿用瞬变电磁仪是井下电磁法勘探仪器，也可用于地面进行电法勘探工作。探测系统由主机、发射线框、接收探头组成，主机完成发射与接收的控制、信号采集、操作界面数据的实时处理与显示。瞬变仪主机由发射机与接收机两大部分组成，其中主要包括FPGA主控部分、A/D转换器、发射、控制、显示、电源等。其中FPGA与工控机组成系统主控部分，实现对整个系统的时序控制、发射信号与采集信号的同步、初步的数据处理、数据存储以及实时显示；发射线框与发射板组成发射部分，提供瞬变电磁探测所需的双极性方波脉冲。接收探头和A/D转换器及其配套电路组成瞬变电磁数据采集部分，主要完成对二次场信息的高精度采集以及数据的传输。数据采集完成之后，仪器可对数据进行初步处理，显示当前测点的电压曲线，视电阻率以及多个测点的多测道图。YCS2000A矿用本安型瞬变电磁仪探测，有效超前探测距离为150 m，为提高测量准确性，对本次设计探测距离进行矫正，设置为150 m，从而提高其精度及准确性。
Figure 3. Schematic diagram of the layout of advanced detection fan-shaped measuring points underground
图3. 井下超前探测扇形测点布置示意图
使用YCS2000A矿用瞬变电磁仪注意事项：
1) 操作人员必须是经过专业培训并通过考试合格的人员方可上岗作业；
2) 操作人员在现场施工前必须认真检查顶板支护情况和使用便携式瓦斯检测仪认真检查现场的瓦斯浓度情况，发现隐患必须及时处理，只有在确保安全的情况方可施工；
3) 操作人员施工前必须认真检查仪器的完好情况，发现仪器有损坏的情况必须立即进行调整；
4) 操作人员施工前必须将施工地点的铁器、杂物清理干净，与本工作无关的人员严禁在现场逗留；
5) 操作人员施工过程中必须严格按照仪器的操作流程进行施工，并且必须精力集中，不允许干与本职工作无关的事情；
6) 施工结束后操作人员必须将仪器放回原位，并认真清点设施设备是否完好整齐，数量是否有缺失，只有确认完好无缺后方可撤离现场。
5. 瞬变电磁法探测技术的效果分析
1) 一号探放水治理巷掘进工作面(第二循环)迎头顺层−17˚ (从右往左)
一号探放水治理巷掘进工作面(第二循环)迎头(开口起点K0 + 103 m)顺层−17˚由右帮0˚至左帮180˚，共计13个探测点，其探测结果如图4的波形图上分析显示：图中显示蓝色和淡蓝色区域为低阻异常区域，其中蓝色低阻区域位于待掘巷道的左侧，正前方，右侧，其低阻异常区位于掘进正前方10 m~50 m、巷道左右两帮30 m~45 m区域，低阻区域分别向掘进前方及左右两侧延伸，其它区域为相对高阻值区域。
2) 一号探放水治理巷掘进工作面(第二循环)迎头顺层−2˚ (位于待掘巷道顶板方向)
一号探放水治理巷掘进工作面(第二循环)迎头(开口起点K0 + 103 m)顺层−2˚由右帮0˚至左帮180˚，共计13个探测点，其探测结果如波形图上分析显示：如图5中显示蓝色和淡蓝色区域为低阻异常区域，其中蓝色低阻区域位于待掘巷道顶板方向的左侧，正前方，右侧，其低阻异常区位于掘进正前方10 m~45 m、巷道左右两帮25 m~33 m区域，低阻区域分别向掘进前方及左右两侧延伸，其它区域为相对高阻值区域。
3) 一号探放水治理巷掘进工作面(第二循环)迎头顺层−32˚ (位于待掘巷道底板方向)
一号探放水治理巷掘进工作面(第二循环)迎头(开口起点K0 + 103 m)顺层−32˚由右帮0˚至左帮180˚，共计13个探测点，其探测结果如波形图上分析显示：如图6中显示蓝色和淡蓝色区域为低阻异常区域，其中蓝色低阻区域位于待掘巷道底板方向的右侧，正前方，左侧，其低阻异常区位于掘进正前方10 m~40 m、巷道左右两帮35 m~40 m区域，低阻区域分别向掘进前方及左右两侧延伸，其它区域为相对高阻值区域。
4) 一号探放水治理巷掘进工作面(第二循环)迎头上下(从底板45˚至顶板135˚)
一号探放水治理巷掘进工作面(第二循环)迎头(开口起点K0 + 103 m)从底板45˚至顶板135˚方向，共计7个探测点，其探测结果从波形图上分析：如图7中显示蓝色和淡蓝色区域为低阻异常区域，其中蓝色低阻区域位于待掘巷道剖面图显示的正前方，顶板至底板方向，其剖面低阻异常区位于掘进正前方10 m~55 m、顶板30 m至底板40 m区域。低阻区域分别向掘进前方及顶、底板两侧延伸，其它区域为相对高阻值区域。
Figure 4. Effect diagram of the excavation working face of the No.1 exploration and drainage water treatment roadway in the direction of −17˚ forward bedding
图4. 一号探放水治理巷掘进工作面迎头顺层−17˚方向效果图
综合分析判断，本次对骆驼山煤矿一号探放水治理巷掘进工作面迎头采用瞬变电磁法分别对工作面迎头掘进方向(−17˚)、掘进顶板方向(−2˚)、掘进底板方向(−32˚)及顶底板纵向方向150 m范围进行探测，巷道掘进方向及顶底板方向均出现了低阻异常区，建议煤矿在物探低阻异常区域，应严格按照《煤矿防治水细则》设计并施工超前探测钻孔，以验证物探结果的准确性，并采取相应的安全措施，同时也建议在物探未发现的低阻异常区域，也应按《煤矿防治水细则》适量打超前探孔，以确保掘进安全。物探技术手段存在一定的多解性和局限性，物探探测要与水文地质分析，水文地质与钻探相结合，根据现场具体水文地质情况综合分析，以此来降低物探资料的多解性。
Figure 5. Effect diagram of the excavation working face of the No.1 exploration and drainage water treatment roadway in the −2˚ direction along the upstream layer
图5. 一号探放水治理巷掘进工作面迎头顺层−2˚方向效果图
Figure 6. Effect diagram of the heading direction of the No. 1 exploration and drainage water treatment roadway excavation face in the −32˚ direction
图6. 一号探放水治理巷掘进工作面迎头顺层−32˚方向效果图
Figure 7. Effect diagram of the excavation working face of the No.1 water treatment tunnel from the bottom plate 45˚ to the top plate 135˚ in the upward and downward direction
图7. 一号探放水治理巷掘进工作面迎头上下从底板45˚至顶板135˚方向效果图
6. 结语
1) 瞬变电磁法探测技术为煤矿防治水工作提供了理论依据和科学指导；
2) 瞬变电磁法探测技术为打钻进行探放水工作提供了方法基础，使得打钻探放水工作能够做到有的放矢。
3) 瞬变电磁法探测技术的相关设施便于生产和使用。
4) 瞬变电磁法探测技术的相关设施结构简单，成本低廉，使用效果显著，并为工作面防治水工作提供了新的技术支撑和思路。
NOTES
*通讯作者。