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1、1 .前言1. 1课题立项背景及研究意义煤炭工业是我国国民经济的基础产业，煤炭在我国一次能源生产和消费结构中占 67%左右，近年来还呈上升趋势。我国富煤、贫油、少气的资源特点，决定了煤炭在一 次能源中的重要地位，据预测，在未来相当长的时期内，煤炭仍将是我国主要的基础能 源。按照目前的能源消费标准，根据专家的预测，到2020年，要使国内生产总值在2000 年的基础上再翻两番，将消耗40亿吨标准煤。考虑到节能因素，2020年我国能源消费总 量将高达3032亿吨标准煤，其中原煤2223亿吨，甚至更多。因此，煤炭工业的持 续、稳定、健康发展直接关系着我国能源安全和建设全面小康社会目标的实现。然而，近年
2、来国有或地方煤矿连续发生重特大灾害事故的惨痛教训表明，安全是煤 炭工业和煤炭企业发展的前提和保证。安全投入和因灾害事故造成的经济损失已成为煤 矿生产成本中不可忽略的重要组成部分。与国际上其它先进采煤国家相比，我国煤矿安 全生产形势差距很大。2001年我国煤矿的百万吨死亡率为5.85，2002年为5，2003年为 3.71。而南非煤矿的百万吨死亡率为0.13,印度为0.42,波兰为0.26,俄罗斯为0.46。2002 年美国煤矿百万吨死亡率仅有0.025U。我国严重的煤矿安全生产现状在国内外造成严重 影响和全社会的广泛关注，严重损害了我国的国际形象。因此，提高煤矿安全生产保障 程度，构建本质安全
3、型矿井已成为国家安全生产工作的重点。我国是世界上煤矿水文地质条件最为复杂的国家之一，煤矿水害是仅次于瓦斯灾害 （瓦斯煤尘爆炸、煤与瓦斯突出）的第二大煤矿灾害性事故。我国矿井水害的类型很多， 按水的来源大构造上可分为六类：地表水构造水害、老空水水害、孔隙水水害、裂隙水 水害和岩溶水水害等。废弃井口、采后冒裂带、岩溶地面塌陷坑（洞）、陷落柱、断层 带及煤层顶底板或封孔不良的旧钻孔都会成为可能的导水通道，当采煤工作面或掘进巷 道接近或沟通老空区时，极易发生老空水水害。长期以来，采煤工作面内顶、底板和巷道掘进前方的地质构造异常、顶底板突水灾 害和煤与瓦斯突出等问题一直困扰着煤炭综采、综放技术的应用，而
4、其中的水害是影响 矿井安全生产和建设最普遍、发生最多的重大灾害。由于矿井突水迫使工作面停产、搬 迁，严重的发生人员伤亡事故，例如，1984年6月2日，开滦矿务局范各庄煤矿2171 综采工作面，因陷落柱导水发生了罕见的透水灾害，特大水害不到21小时就淹没了整 个矿井，（突水的最大涌水量为2053t/min），给国家造成经济损失达5亿多元；1991年山 东肥城矿务局郭家庄煤矿因断层构造导水，淹没了整个矿井；峰峰矿务局梧桐庄矿95 年12月3日发生特大突水事故（最大涌水量34000m3/h），几个小时内淹没矿井；另外， 淮北矿业集团公司、淮南矿务局、河南义马矿务局、焦作矿务局、皖北矿务局和河南永 煤
5、集团等均发生过较大突水事故。造成煤矿水害原因是多种多样的，根据目前多个矿井突水情况分析，主要突水类型 有以下几种：因导水断层与强含水层或含水岩溶相连，把水导入矿井而引起突水； 因陷落柱导水而引起突水；因老窑采空区积水而引起矿井导水； 烧变岩含水层导 入矿井引起突水。因此，对矿井各种引起水害发生的突水构造提前预测，是防止矿井突 水灾害发生的根本保证。目前国内外常采用的预测方法主要是根据矿井已有的水文地 质、构造地质和钻探资料，借助于各种物探方法探测进行综合分析。而物探方法在井下 探测各种引起煤矿突水构造比地面探测具有独特的优势（刘天放，李志聃，1992）， 目前，探测矿井各种突水构造的物探方法主
6、要为矿井直流勘探方法、无线电波透视法和 音频电透视法。由于井下测量环境的限制，测线和测点布置主要局限于巷道顶、底板， 因此，传统的矿井直流电法勘探只能探测到巷道顶、底板岩层一定范围内的含（导）水 构造。而工作面内顶、底板岩层发育的含（导）水构造，在回采过程中由于地应力的重 新分布，隔水层的破坏，是引起矿井突水灾害的最重大危险因素。对工作面顶底板含（导） 水构造和掘进巷道前方突水构造的提前预测，是保证煤矿安全建设和生产的前提，并已 引起大水矿的高度重视（皖北矿务局任楼矿为工作面掘进中突水淹井，永煤集团车集矿 为工作面回采过程中底板内导水构造引起的突水）。矿井电穿透方法（韩德品，石亚丁， 2000
7、）和音频电透视法可探测工作面内顶、底板导水构造，在一定地质和矿井条件下， 取得较好的地质效果。但由于矿井电穿透法供电电极和测量电极分别布置在两个不同的 巷道，工作面宽度一般在100180m之间，造成测量信号很弱，信噪比大大降低，特别 对于只有一条巷道或巷道长度有限的条件下，就无法进行观测；对于在巷道条件允许情 况下，采用单极一偶极法测量，虽然能观测到较强的信号，由于构造积效应相对增大， 影响异常构造的准确定位；对于巷道掘进头含（导）水构造的超前探测，采用单极一偶 极法进行探测，大多数情况下效果不够明显，且探测距离较短；采用音频电透视法预测 工作面顶底板导水构造，由于使用频率较低（100Hz左右
8、），和矿井直流类似，井下干扰 严重，构造积效应大，同时受巷道长度的限制。瞬变电磁法（Transient Electromagnetic Methods）或称时间域电磁法（Time domain electromagnetic methods），简称TEM或TDEM，它是利用不接地回线或接地线源向地下 发射一次脉冲电磁场，在一次脉冲电磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流 场的方法。其基本工作方法是：于地面或空中设置通以一定波形电流的发射线圈或线源， 从而在其周围空间产生一次电磁场，并在地下导电岩矿构造中产生感应电流，断电后， 感应电流由于热损耗而随时间衰减。衰减过程一般分为早、中和晚期，
9、早期的电磁场相 当于频率域中的高频成分，衰减快，趋肤深度小；而晚期成分则相当于频率域中的低频 成分，衰减慢，趋肤深度大小。通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律， 可得到不同深度的地电特征。该方法除了具有穿透高阻层能力强及人工源方法随机干扰 影响小等优点外，还具有：（1）断电后观测纯二次场，可以进行近区观测，减少旁侧影响，增强分辨能力；（2）可用加大发射功率的方法增强二次场，提高信噪比，从而增加 勘探深度；（3）通过多次脉冲激发，场的重复测量叠加和空间域多次覆盖技术应用，提 高信噪比；（4）可通过选择不同的时间窗口进行观测，有效地压制地质噪声，可获得不 同勘探深度等一系列优点。因而，用
10、瞬变电磁法进行找矿、地质构造、地下水、地热资 源和环境工程勘查的研究愈来愈被人们重视。地面瞬变电磁法勘探与其它物探方法相比具有构造积效应小、工作效率高、纵横向分辨 率高和对低阻反映灵敏等优点。根据近十年来矿井直流电法理论和技术的研究思路和实 际应用经验，将地面瞬变电磁方法应用于矿井下，采用多杂数、小回线组合装置进行探 测矿井不同位置含水构造，从理论上分析，不仅具有比地面瞬变电磁法分辨率高（回线 边长为两米左右）、构造积效应小、旁侧影响小、测量快速和轻便等优点，同时可以弥 补井下直流电法勘探无法探测的矿井地质问题（如巷道长度有限或短巷道内探测工作面 顶底板含水构造、巷道超前探测等）。关于采用瞬变
11、电磁法在井下巷道探测各种位置的 含水构造，国内外尚无人应用。根据多年的矿井直流电法探测经验和近年来在多个矿井 的瞬变电磁法探测试验研究，井下瞬变电磁法探测信噪比比地面瞬变电磁法和矿井直流 电法勘探高得多，如图1-1所示，图1-1a为巷道内瞬变电磁噪声电位衰减曲线，其最大 值为200uV/A;图1-1b为井下实际测量的电位衰减曲线，其t=30ms的电位值远大于同 时间窗口的电磁噪声，说明矿井瞬变电磁法勘探具有很高的信噪比，是一种很有前景的 探测方法。由于地面瞬变电磁场分布特征和探测技术是建立在半空间条件下，其干扰因 素主要是由天电产生的电磁噪声，因此，地面瞬变电磁场分布特征和探测技术不适用于 矿
12、井瞬变电磁法。类似于矿井直流电法勘探理论和技术的研究思路，要使得矿井瞬变电 磁法有效地解决各种矿井水文地质问题，首先必须研究矿井瞬变电磁场全空间分布特 征、井下探测技术及井下各种干扰因素的瞬变响应特征，形成一套从方法理论到探测技 术的系统方法，密切结合其它矿井物探方法，应用于井下探测不同位置含水构造，必将 为矿井防治水工作带来光明前景。由于瞬变电磁法研究的是地下导电构造在一次场作用下所感应的二次场随时间的 变化规律，其观测参数为不同时间窗口的感应电位，可换算为反映地下岩层电性特征的 视电阻率。过去在瞬变电磁法勘探资料解释中，常规的解释图件为时间一视电阻率拟断 面图和电位衰减曲线剖面图，根据这些
13、图件解释的成果为不同时间的电性分布特征，而 不能直接与地下地层的电性分布特征进行直接对比。类似于其它物探方法，必须将时间 视电阻率曲线换算成深度视电阻率曲线，这样才能与实际地质情况对比，可将 物探信息转换为地质信息，因此，时一深度换算是把物探解释结果转换为地质信息的关键。首先必须从理论上分析和研究影响瞬变电磁法探测深度的因素，推导出时间 深度换算数学模型，研究出快速、有效的瞬变电磁法时间一深度转换算法，不仅推 动瞬变电磁法勘探的广泛应用，而且对瞬变电磁法理论发展，既具有重要的理论价值， 又具有明显的实际意义。1. 2国内外研究概况在矿井水灾防治方面，欧美等国在煤层顶、底板水害方面作了大量研究工
14、作，通过 多学科交叉研究，对煤矿开采诱发的水文地质变化提出了若干耦合模型，模拟计算顶、 底板特别是底板岩构造的采动破坏和水力学性质等方面的变化。美国、加拿大、瑞典、 澳大利亚在水文地质信息获取方面研制开发了新的物化探仪器设备，包括地质雷达、单 孔多含水层综合水文地质参数测试技术等，对突水进行监测与监控，提高突水预报的有 效性。美国斯坦福大学等广泛利用地理信息系统进行水害的诊断和预测。突水是我国煤 矿面临的主要危害之一，我国煤矿水文地质条件复杂，世界上各种类型的突水事故在我 国均有发生。采用矿井直流电法勘探技术调查矿井水补给源、导水通道和进行含水层、 隔水层划分等是我国地球物理工作者的一大贡献。
15、在两代人的共同努力下，针对我国含 煤地层的电性地质特征，提出了适合我国水文地质条件和井巷支护条件的具有鲜明特色 的矿井水文物探方法。而前苏联主要将矿井直流电法勘探应用于煤层小构造探测、矿井 水文地质条件调查，煤层界面起伏和煤层尖灭、冲刷带探测，顶板稳定性评价，以及矿 压监测、岩煤突出预报、巷道变形监测等。匈牙利重工业技术大学则重点研究了用于探 测高阻煤层内小构造的直流层测深技术，在圈定煤层变薄区等方面取得成功经验，日本 曾应用巷道与地面间的电阻率成像技术研究断裂构造和金属矿床的赋存状态等。我国对矿井直流电法勘探理论、技术和仪器设备的研究系统、全面。从早期不考虑 巷道影响的层状介质全空间电位数字
16、滤波计算方法，到考虑巷道影响的全空间直流电场 边界元法、有限差分法、有限元法数值模拟技术；从巷道多极距偶极剖面法、高密度电 阻率法、巷道断面测深技术，到直流电透视技术；从引进国外仪器到自主研制出矿井防 爆数字直流电法仪，乃至矿井直流电法勘探的推广应用水平，无不标志着我国在矿井直 流电法勘探理论、技术和仪器设备等方面均已处于世界先进行列。但是矿井直流电法勘 探也有其局限性，如在独头巷道超前探测方面其探测能力明显不足，当遇到破碎顶板时， 因电极接地困难其应用效果明显受到影响；当巷道极短致使供电极距不够大时，无法满 足勘探深度要求等，这些都迫使我们探索新的探测技术手段14-19。中国矿业大学在国内外首次将瞬变电磁应用于井下，中科院地质与地球物理所之后 也开展了煤矿井下瞬变电磁法的试验研究工作，这是对煤矿矿井水文物探技术的重要补 充，该项研究可以弥补矿井直流电法的不足。矿井瞬变电磁法属于时间域电磁感应法， 其发射线圈和接收线圈布置在井下巷道中，尽管发射和接收线圈的尺寸依然受巷道有限 断面
