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]。一是造成顶板淋水，巷道积水，老空区积水使得工作面及其附近巷道空气潮湿，工作环境恶化，影响工人身体健康；二是使排水费用增加，生产效率降低，开采成本提高；三是导致井下各种生产设备，设施腐蚀和锈蚀，使用寿命缩短；四是突然发生大量涌水时，轻则造成生产环境恶劣或局部停产，重则直接危及工人生命和造成国家财产损失；五是影响煤炭资源的回收和煤炭质量[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。煤矿采掘工作面施工过程中必须严格坚持“预测预报、有掘必探、先探后掘、先治后采”的探放水十六字原则，传统的物探方法有直流电法、超声波探测法、槽波探测法、坑透探测法、瞬变电磁法等多种物探方法进行物探确保施工安全。各种物探方法的应用的具体条件各不相同，也各有其独特的特点。瞬变电磁法主要是依靠煤岩体的电阻率和水的电阻率差异化的特点，通过不同大小的电阻率来判断掘进巷道周围是否存在异常区域，由于其操作简单、成本低廉、应用条件简单等优点，目前已经在国内煤矿得到了广泛的应用，本论文以瞬变电磁法为研究重点进行了研究和应用，收到了良好的使用效果。
2. 矿井及工作面概况
2.1. 矿井概况
闽安煤矿位于贵州省毕节市金沙县城约210˚方位，直距金沙县城约18.7 km，行政区划属金沙县安洛乡管辖，隶属于贵州国兴矿业集团有限责任公司。该矿设计生产能力为45万吨/年，矿井采用斜井开拓方式，主斜井、副斜井、回风斜井采取中央并列式开拓。该矿目前有10401工作面1个工作面回采，11501回风巷、11501运输巷、11503运输巷、15#煤层北翼排水巷掘进。闽安煤矿属于煤与瓦斯突出矿井。矿井通风方式为中央并列式通风，矿井采用抽出式通风，矿井在回风井采用了两台主要通风机进行通风，主要通风机的风机型号为FBCDZ-8-No24 (B)型轴流式通风机进行通风，主要通风机的功率为2 × 220 KW，额定风量为56 m3/s~134 m3/s。根据《贵州天健矿业集团股份有限公司金沙县安洛乡闽安煤矿(兼并重组)资源储量核实报告》：得出闽安煤矿的4#、9#、13#、14#、15#煤层均为III级—不自燃煤层。该矿构造不发育，地质构造中等，不存在大的构造破坏，突水系数按不大于0.1计算，后期在开采过程中如遇到有地质破坏带时，矿方须根据突水系数不大于0.06计算突水威胁区；水文地质条件是中等矿井。
2.2. 综掘工作面概况
15#煤层北翼排水巷在一采区回风上山底部以0˚方位角开口，为优化巷道布局；15#煤层北翼排水巷自原回风斜井底部先以0˚方位角、0˚坡度施工14 m后转巷，再以266˚方位角、0˚坡度施工约91 m (岩巷段包括专用回风巷)揭露15#煤层，最后沿15#煤层顶板施工15#煤北翼排水巷(半煤岩段)，方位角0度，15#煤北翼排水巷岩巷段巷道呈半圆拱型，掘进宽4.2 m，高3.3 m (墙高1.2 m，拱高2.1 m)，断面积12 m2。沿煤层掘进段巷道断面呈矩形，掘进宽4.2 m，高2.5 m，断面积10.5 m2。开口点标高：+998 m；开口点坐标X = 35611029.4570；Y = 3022179.8610。采用综掘机进行掘进，刮板运输机配合皮带的方式进行运输。
3. 存在的问题
15#煤层北翼排水巷布置在一采区15#煤层中，15#煤层距离茅口组较近，仅有平均厚度为3.64 m的铝土岩相隔，所以存在着受到水害威胁比较严重的情况。为了确保安全生产和有效解决巷道掘进过程中的水害威胁，在掘进过程中必须坚持“预测预报、有掘必探、先探后掘、先治后采”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。
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
瞬变电磁法属时间域电磁感应方法，时间域电磁法(Time domain electromagnetic methods)或称瞬变电磁法(Transient electromagnetic methods)，缩写为TEM，是一种建立在电磁感应原理基础上的时间域人工源电磁探测方法。其探测原理是：它利用不接地回线(磁源)或接地线源(电偶源)向地下发送一次脉冲磁场(通常称为一次场)，在其激发下，地下地质体中激励起的感应涡流将产生随时间变化的感应电磁场(通常称为二次场)。由于二次场包含有地下地质体丰富的地电信息，在一次脉冲磁场的间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次场(或称响应场)，通过对这些响应信息的提取和分析，从而达到探测地下地质体的目的。显然，所研究的是响应场与时间的关系，故称之为时间域电磁法。见下图1所示。
Figure 1. Working principle 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
首先通过布置在巷道内的发射线框在巷道周围岩层中建立起脉冲式一次电磁场，用接受探头观测由该脉冲电磁场感应的地下涡流产生的二次电磁场，通过对该二次场的空间和时间的分布分析来认识有关地质问题。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˚，如图2所示。
Figure 2. Schematic diagram of the layout of advanced detection fan-shaped measuring points underground
图2. 井下超前探测扇形测点布置示意图
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，根据现场探测实际，迎头掘进顺层+4˚方向选择45˚~135˚从右至左探测，迎头掘进底板方向选择−11˚从右至左45˚~135˚探测，迎头掘进顶板方向选择+19˚从右至左45˚~135˚探测，其探测方向如图3所示。
Figure 3. Schematic diagram of advance detection direction underground
图3. 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。
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) 北冀排水巷掘进工作面迎头顺层+4˚方向
Figure 4. Effect diagram of the North Hebei drainage roadway excavation face in the+4˚ direction along the upstream layer
图4. 北冀排水巷掘进工作面迎头顺层+4˚方向效果图
如图4所示，北冀排水巷掘进工作面迎头顺层+4˚ (开口起点K0 m+269.4 m) (从右45˚至左135˚)共计7个探测点，其探测结果如波形图上分析显示：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迎头待掘巷道的左侧，正前方，右侧，其掘进正前方低阻异常区距探测点约10 m~38 m、巷道左帮−27 m~31 m，低阻区域分别向掘进左侧至右侧延伸，其它区域为相对高阻值区域。
2) 北冀排水巷掘进工作面迎头底板−11˚方向
如图5所示，北冀排水巷掘进工作面迎头底板−11˚方向(开口起点K0 m + 269.4 m)从右45˚至左135˚共计7个探测点，其探测结果如波形图上分析显示：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迎头待掘巷道的左侧，正前方，右侧，其掘进正前方低阻异常区距探测点约10 m~27 m、巷道左帮−17 m~17 m，低阻区域分别向掘进右侧至左侧延伸，其它区域为相对高阻值区域。
Figure 5. Effect diagram of the North Hebei drainage roadway excavation working face in the direction of the head-on bedding −11˚
图5. 北冀排水巷掘进工作面迎头顺层−11˚方向效果图
3) 北冀排水巷掘进工作面迎头顶板+19˚方向
Figure 6. Effect diagram of the North Hebei drainage roadway excavation working face in the direction of forward bedding+19˚
图6. 北冀排水巷掘进工作面迎头顺层+19˚方向效果图
如图6所示，北冀排水巷掘进工作面迎头顶板+19˚方向(开口起点K0 m + 269.4 m)从右45˚至左135˚共计7个探测点，其探测结果如波形图上分析显示：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迎头待掘巷道的左侧，正前方，右侧，其掘进正前方低阻异常区距探测点约10 m~44 m、巷道左帮−27 m~31 m，低阻区域分别向掘进左侧至右侧延伸，其它区域为相对高阻值区域。
综合分析判断，本次对闽安煤矿北冀排水巷掘进工作面迎头采用瞬变电磁法对工作面待掘前方130 m、顶底板各130 m范围内富水性的超前探测，探测成果显示巷道掘进前方、顶板和底板方向均存在相对低阻异常区域。矿井应按照《煤矿防治水细则》要求，设计并施工物探验证钻孔，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。
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。