我国浅部煤炭资源的开发已难以满足当前国民经济迅速发展的需求，地下资源的勘探、开采逐渐向深部延拓[1]，这不但对各种地球物理勘探方法提出了更高的要求，由此导致的各类矿井安全问题也日益突出，特别是煤矿透水事故，近几年频频在媒体报道中出现，造成巨大的生命和财产损失[2]。隐蔽致灾水害研究逐步成为矿山水文地质方面的热点，各个方面都有所发展和进步，为煤矿生产安全提供了有力的支持和保障。但是，隐伏致灾水源探测理论和方法仍不成熟，诸多方面有待加强。尽管近年来借助于地面三维地震勘探技术[3]，依据主采煤层的强反射波同相轴的连续性和完整性来推断解释陷落柱的存在，但是，近几年来煤田生产过程中引起突水事故的含水陷落柱大多数发育在煤层底板下，没有穿过煤层，以往的三维地震勘探对发育于煤层底板下的含水陷落柱勘探存在一定困难，而且对查明的构造赋水性解释仍处于研究阶段，对于构造的富水性一般借助于地面瞬变电磁法[4]和可控源音频大地电磁法[5]勘探解决。煤矿井下无线电波透视技术[6](简称坑透)、探地雷达[7-8]、音频电透视技术[9-10]和矿井瞬变电磁探测技术[11-15]，对采煤工作面底板隐伏导水隐伏陷落柱探测、煤层顶板离层水和“五含”水的探测，取得了一定成效。但针对大埋深矿井，煤层顶板隐蔽致灾水体距离巷道和地面均较远，常规地面电磁法探测精度满足不了生产要求，井下电磁法发射磁矩较小，探测距离短，这就是多年来探后矿区仍有矿井突水灾难的事故发生主要原因之一。因此，笔者提出了井上下双磁源探测方式，利用数值模拟技术研究井上(地面)激发井下接收和井上下双磁源激发井下接收观测方式瞬变电磁响应特征，并在某矿进行实际应用，为煤矿防治水工作提供有效探测方法。

1井上下瞬变电磁立体探测方法

受地面-巷道瞬变电磁探测方法[16]和矿井瞬变电磁[17]的启发，提出了井上下双磁源立体探测方法，如图1所示，利用井上磁源与井下多匝重叠小回线激发源同时激励电磁场,采用井下重叠小回线接收总的二次磁场。

图1 井上下双磁源立体探测示意
Fig.1 Diagram of dual magnetic sources

该种探测方式可兼顾地面、井下物探技术的优点，又能克服两者的缺点。既能利用地面布设较大线圈、增强供电电流实现较大的探测深度。充分结合了地面大线框激发功率大、探测深度深的优点和矿井多匝小回线激发线圈面积小、距离目标体近、分辨率高的优点。

2瞬变电磁场三维时域有限差分法

时域有限差分法是瞬变电磁场三维数值模拟的主要方法。时域有限差分法采用的网格单元如图2所示，这样的离散方式使突变面上电磁场分量的连续性条件自然得到了满足。准静态近似下麦克斯韦方程组为

(1)

(2)

·B=0

(3)

·J=0

(4)

其中，为哈密度算符;×为旋度;·为散度;E为电场强度;B为磁感应强度;H为磁场强度;σ为介质电导率;J为传导电流密度;γ为虚拟介电常数。虚拟介电常数的引入使在计算晚期场时可以放宽对时间步长的要求。

图2 Yee单元网格示意
Fig.2 Diagram of cell grid

式(1)～(4)为无源区域的方程，在有源区域方程(2)需要被修改为

×H

(5)

式中，Js为电流密度。

将式(1)～(5)进行差分离散就可以得出电场和磁场的迭代方程。采用上述方法并在模型外围采用CPML边界即可对瞬变电磁场进行数值模拟计算[18]。

3井上下瞬变电磁立体探测数值模拟

为了掌握井上下瞬变电磁立体探测隐蔽致灾水体的响应规律，以某矿煤层顶板“五含”水为探测目标体，分别设置均匀介质和顶板存在含水体2种地球物理模型。针对井上激发井下接收和井上下双磁源激发井下接收2种工作装置形式，采用三维有限差分数值模拟方法对2种地球物理模型进行正演计算，如图3所示，巷道位于地下500 m深度，含水体位于巷道顶板上50 m，其大小为100 m×100 m，厚度为30 m。均匀介质电阻率为100 Ω·m，含水体电阻率为1 Ω·m。地面激发回线大小为400 m×400 m，井下激发回线和接收回线大小均为2 m×2 m。

图3 数值模拟地电模型
Fig.3 Numerical simulation of geoelectric model

图4为均匀介质和煤层顶板存在含水体全空间瞬变电磁响应数值模拟电位衰减曲线，其中图4(a)为地面激发，在井下巷道接收工作装置形式电位衰减曲线。图4(b)为地面和井下同时激发，在井下巷道接收工作装置形式电位衰减曲线。两图中黑色曲线为均匀背景场电位衰减曲线，红色曲线为巷道顶板存在含水体时电位衰减曲线。分析图4(a)中电位衰减曲线可以看出，当只有地面激发，在井下巷道接收时，无论是否存在含水体，感应电位衰减曲线始终是“抛物线”形态，这是因为只有地面存在激发源时，依据“烟圈”效应理论，早期的感应场位于激发源附近地层中(近地面地层)，随时间推移逐渐扩散到地下，所以，当接收线圈位于地下巷道内，早期接收不到任何感应信息，随着时间推移，接收线圈接收到的感应信号逐渐增强，当等效涡流环扩散到顶板某一位置，感应信号达到最大值，随着等效涡流环逐渐扩大，向深部扩散，接收线圈接收的信号逐渐减弱;对比图中红色和黑色曲线可以看出，顶板存在含水体时，感应电位曲线极大值向右侧移动，曲线最大幅值相对降低，这是由于地面感应涡流场向深部扩散过程中，到达含水体激发二次涡流场同时，含水体为低阻体，部分涡流场衰减也相对增大;曲线过最大值后两曲线出现交叉，在交叉点左侧，红色曲线幅值相对较小，交叉点右侧红色曲线幅值高于黑色曲线(均匀介质响应曲线)，这是因为巷顶板存在含水体，会产生较强的涡流场，含水体感应涡流场扩散到巷道位置，在接收线圈就会产生较强的电磁感应信号。

分析图4(b)中电位衰减曲线可以看出，当地面和井下同时激发，在井下巷道接收。红色和黑色感应电位衰减曲线在交叉后与图4(a)只有地面激发情况相似，交叉点左侧两图曲线变化较大。图4(b)中红色和黑色曲线变化复杂，曲线响应幅值较强，与地电模型关系较弱。对比分析图3中2种地球物理模型和图4两种工作装置瞬变电磁响应曲线变规律可以看出，在巷道顶板存在含水体时，通过对比井下激发接收、地面和井下同时激发井下接收2种工作方式瞬变电磁响应曲线，可以判别巷道顶板富水情况。

图4 均匀介质和顶板含水体全空间瞬变电磁感应电 位衰减曲线
Fig.4 Transient electromagnetic induction potential attenuation curves

4井上下瞬变电磁立体探测矿井应用

4.1数据资料采集方法

某矿工作面开采的主要含水层为8煤层顶板砂岩裂隙含水层、侏罗系砾岩岩溶裂隙含水层“五含”和松散层孔隙含水层“四含”。“四含”富水性弱，“五含”富水性强。2015-01-30,866-1工作面发生突水事故，估算瞬时突水量1～2 m3/s，总出水量850 m3，突水水源为“五含”水。工作面内“四含”与“五含”直接接触，“五含”厚0～44 m，属强富水性含水层，与太灰、奥灰之间均存在水力联系，共同威胁着矿井生产，是矿井后续水害防治的重中之重。本次瞬变电磁法探测试验采用井上下双源激发和井下磁源激发，均为井下接收方式。依据地面钻孔资料，瞬变电磁探测结果中T22，T23和T10三个测点分别位于“五含”内靠近边界、“五含”内部和“五含”外。

4.2矿井瞬变电磁探测资料处理与解释

图5分别为T22,T23点井上下双源激发，井下接收和仅有井下激发井下接收种工作方式视电阻率曲线，红色曲线为只有井下激发井下接收视电阻率曲线，黑色曲线为井上下双源激发井下接收视电阻率曲线。图5(a),(b)中红色曲线和黑色曲线均存在交叉点，采用双源激发时，交叉点右侧曲线视电阻率值明显低于仅有井下激发时曲线，交叉点左侧两曲线幅值相反，与数值模拟结果中瞬变电磁响应特征一致。从两测点曲线变化幅值大小可以看出，T23视电阻率更小，说明T23测点位置巷道顶板“五含”富水性相对较强。

图5 T22,T23,T10两种探测方式视电阻率曲线
Fig.5 Two kinds of apparent resistivity curves of T22,T23and T10

图5为T10点井上下双源激发和仅有井下激发2种工作方式井下接收视电阻率曲线，红色曲线为只有井下激发井下接收视电阻率曲线，黑色曲线为地面和井下同时激发井下接收视电阻率曲线。图中红色曲线和黑色曲线没有交叉点，两曲线近似平行分布，双源激发是电阻曲线幅值明显低于仅有井下激发时曲线，说明双源激发可以增强电磁感应信号强度，提高信噪比，说明当顶板富水性较弱时，2种激发方式的视电阻率曲线近平行分布，不会出现交叉。

5结 论

(1)数值研究结果表明，地面激发、井下接收的探测方式和地面、井下同时激发在井下巷道接收探测方式，当顶板地层中含有水体地质异常体和不含有水体地质异常体的电位衰减曲线有相互交叉的特点。其中，地面激发、井下接收的探测方式的电位衰减曲线有一个交点而地面、井下同时激发，在井下巷道接收探测方式电位衰减曲线有2个交点。依据此特点可分析顶板地层富水性特征。

(2)现场实际探测结果表明研究所提出的井上下双磁源激发可以增强电磁感应信号强度，有效提高信噪比，结合传统的矿井瞬变电磁视电阻曲线可以初步分析顶板的富水性，且与地质钻孔资料进行对比，证明探测结果可靠。

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