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煤矿在准备阶段的地面水文钻孔是勘察资源、了解地层情况和防治水的关键技术，对这些钻孔的处置工作多是进行封堵[1-2]，在封孔过程中由于用料不足或者用料质量不高等施工质量问题，很有可能导致钻孔封闭不良，封闭不良钻孔作为人为导水通道会导通煤(矿)层上部或下部含水层，甚至连通地表水体[3]。钻孔的地面坐标对应煤层的垂直坐标可能发生较大变化，特别是该类导水通道的隐蔽性强，探查困难，具有一定的垂向导水性，当采掘活动揭露或接近时，会酿成突水事故[4-5]，因此提前在巷道掘进前或工作面回采前对钻孔位置及含富水性等做到提前预测，为煤矿安全生产和水文防治提供技术支持就显得非常重要了[6-8]。
目前，矿井常用的掘进工作面超前物探方法有直流电法[9]、瞬变电磁法[10]、震波超前探测[11]和地质雷达[12]等方法。震波超前和地质雷达法在合适的距离仅能探测到钻孔的位置范围不能确定其导含水性；直流电法仅能探测掘进工作面正前方部分区域内地质体的含水性情况，不能确定掘进巷道附近15m范围外的情况；瞬变电磁法是一种对煤岩层岩性及含水性变化较敏感的物探方法[13-14]，通过多匝小回线装置设计多角度、多断面的通过多匝小回线发射接收线圈，小线圈具有一定的方向性，在巷道掘进工作面附近设计三维数据采集方法，通过精细化的处理技术能够较准确的将前方的地质异常体的空间范围和形态立体的显示出来[15-16]。掘进工作面前方的水文勘察钻孔体积小、位置不确定，需要通过加密探测方向来探查，掘进工作面三维瞬变电磁探测技术不仅能够解释巷道正前方80 m范围内的地质异常范围，也能解释其巷道轴线周围30 m范围内的围岩含富水地质异常范围，使地质异常体更加形象的显示在解释结果中，为该技术在封堵不良钻孔位置探测及导含水性应用提供了新的技术思路。
矿井瞬变电磁法是一种非接触式(磁偶源)时间域瞬变电磁法探测技术，利用不接地线圈在巷道掘进工作面向掘进前方煤层及周围岩层发射一次电磁场，通过接收装置在发射间隙测量掘进工作面前方地质体中导电体产生的随时间变化的二次感应场，由于二次场与周围地质体的导电性分布有关，通过对接收资料的处理、分析和解释，从而达到探测巷道掘进工作面前方地质情况的目的[16-21]。
在回采工作面巷道掘进的掘进工作面，断面仅有2.8 m×3.0 m左右的狭小空间，依据其掘进工作面断面设计边长为2 m的方形多匝小回线收发线圈，其中发射线圈为30匝的多芯铜线，接收线圈使用40匝的多芯铜线，在巷道掘进工作面后0.8 m的巷道中线上0.2 m位置进行多角度多方向的扇形探测(图1)，该技术在狭小空间能够多次对钻孔可能存在区域进行覆盖探测，保证原始资料的质量，且在成图过程中不会导致勘探信息的丢失，完整地记录仪器探测得到数据处理后的信息。
对于煤矿中钻孔这个在地质体中较小的人为构造来说，设计合适的探测角度和探测断面就显得尤为重要了，根据已有的探测经验，设计的角度设计见表1。
图1 掘进工作面三维瞬变电磁法探测方向示意
Fig.1 3D transient electromagnetic detection direction for mine heading
表1 设计的断面参数
Table 1 Design section parameters
断面方向代号物理点数测点角度/(°)垂直断面V-30、V0、V+3013-60、-50、-40、-30、-30、-10、0、10、20、30、40、50、60水平断面H-30、H0、H+3013-60、-50、-40、-30、-30、-10、0、10、20、30、40、50、60
注：剖面命名中V和H代表“垂直”和“水平”含义，数值代表夹角(下负上正，左负右正)。
将采集到的6个断面共计78个数据点进行联合处理：数据挑选—预处理—视电阻率计算—一维反演—深度计算——断面图绘制—参数修改—终图绘制。
1)数据前期处理：在多次重复测量数据中选取最优的数据，剔除畸变点，通过数字滤波等校正方法，使测量数据向理论数据靠近；
2)关键参数计算：计算视电阻率和不同时间测道对应的深度，视电阻率使用晚期视电阻率计算公式，深度计算使用本矿区的经验公式计算。
矿井全空间视电阻率ρτ计算公式为
ρτ=6.32CFs2/3Js2/3U-2/3t-5/3
(1)
式中：C为全空间校正系数；Fs与Js分别为发射与接收回线等效面积；U为接收的归一化二次场电位；t为接收的二次场衰减时间。
全空间瞬变电磁深度计算公式为
Hf=0.67(IFsρt/η)1/5
(2)
式中：I为发射电流;ρt为t时刻计算的视电阻率；η为未供电激励时接收回线单位面积接收到的干扰信号。
3)图形绘制：先绘制二维的扇形断面图，看图是否与已知的地质条件吻合，来调整参数；将常规的二维扇形坐标转换成三维立体坐标，将每个点的X、Y轴坐标计算成对应的空间立体坐标，视电阻率值不发生变化，整理好的数据导入Voxler三维成图软件，使用Gridder 插值模块对所获得的离散数据点进行插值处理，从而绘制三维立体空间异常图，能够多视角地观测异常体在探测空间的范围，可以更好地显示异常体的位置，从不同角度研究异常体的分布。
山西小回沟矿矿井地质条件复杂，2301工作面是03煤的首采工作面，预计冒落裂隙带发育高度为33.27～50.87 m，直接充水水源为山西组砂岩裂隙水及下石盒子组K4砂岩裂隙水；间接充水水源主要包括上石盒子组K6、K7、石千峰组K8和刘家沟组K9砂岩裂隙水以及第四系孔隙水。含水层以粗、中、细、粉砂岩为主，因泥岩的隔水作用以及补给条件较差，富水性很弱，值得指出的是，这些地层多接近地表或在侵蚀基准以上，在构造断层破碎带附近和局部风化裂隙发育地段，含较丰富的地下水。井田大部分地段奥陶系灰岩岩溶含水层富水性弱。但由于奥陶系灰岩含水层，岩溶裂隙发育存在不均一性，但还不能完全排除尚存在较为丰富的岩溶地下水：根据区域水文地质资料，奥灰水位低于03煤的标高，03煤开采活动不会造成奥灰含水层的突水，但根据奥灰岩岩溶裂隙发育的不均匀性的特点，局部水文地质条件可能复杂，也不排除采动破坏影响而引发延迟导通奥灰水的可能。
由已知地质资料可知，小回沟煤矿2301辅运巷掘进工作面附近存在一个BZ-13勘探钻孔，该钻孔在煤层底板下的灰岩中终止。但是钻孔的孔斜及封孔资料不详，如果该钻孔封孔效果达不到要求，并且在煤层附近的具体位置不能准确确定，当与煤层顶底板的含水层导通时，在巷道掘进及工作面回采的过程中，由于受采动的影响或直接对钻孔的揭露，将会诱发涌水事故的发生，对煤矿的安全生产带来较为严重的影响。为此，在2301辅运巷掘进至BZ-13钻孔地面标高+30 m附近位置时，即2301辅运巷31Y9导线点前129 m处，对前方的BZ-13钻孔进行瞬变电磁探法探测，使用澳大利亚生产的Terra TEM瞬变电磁仪，共采集有效数据6组共78个有效物理点，采用25 Hz频率2 m×2 m的30匝方形线框发射、2 m×2 m的40匝方形线框接收采集。扇面采集位于在巷道掘进工作面后0.8 m的巷道中线上0.2 m位置，自巷道左侧到右侧、巷道顶板到底板，各剖面参数见表1，采集示意如图2所示。从图2所知，采用矿井瞬变电磁法在2301辅运巷31Y9导线点前129 m处的6个视电阻率等值线拟断面扇形图。
从垂直顶底板的图2a—图2c中3个探测方向可以看出，在图2a、图2b探测方向上视电阻率均大于27 Ω·m，整体较高，推测该探测方向岩体含水性弱；图2c探测方向在掘进工作面前方28—35 m范围内，视电阻率等值线成条带状低阻区域(颜色最深)，其对应区域视电阻率在24～25 Ω·m，为相对低阻反应。从顺掘进水平的图2d—图2f三个探测方向可以看出，在掘进工作面前方30～40 m，巷道掘进路径2右侧3～10 m内，视电阻率等值线成封闭圆形曲线(颜色最深)，其对应区域视电阻率在24～25 Ω·m，为相对低阻反应。
根据垂直顶底板和顺掘进方向水平探测的3个扇形视电阻率断面结果，在本次探测掘进工作面前方30～40 m与掘进方向成右侧3 m—右侧10 m的探测体积范围，存在典型的封闭圆柱状相对低阻异常区，该异常区解释为钻孔的反映，其位置与地面钻孔的位置有一定的偏差，说明该钻孔的孔斜度较大。根据矿井瞬变电磁法在该矿区探测的经验可知，当视电阻率值小于20 Ω·m时，其富水性较强，因此，可判断该钻孔在煤层附近富水性较弱，与顶板导含水层的水力联系较小，没有与深部的灰岩水直接导通的通道，钻孔封孔效果较好。但是由于受钻孔对地层破坏的影响，周围地层的视电阻率值呈低阻反映，随着到钻孔距离的增大，地层的视电阻率值逐渐稳定。
图2 二维视电阻等值线断面
Fig.2 Contour sections of 2D apparent resistance
就图2对封堵后的勘探钻孔的空间位置及范围展示不够形象、直观，将原始数据进行进一步处理，通过建立空间坐标系，将所有采集数据离散到对应的空间位置，使用反向加权距离算法对数据进行网格处理，借助于Voxler绘图软件，对解释结果进行三维空间展示，如图3所示。图中深黑色的部分是视电阻小于25 Ω·m的等势面，对应于图2中的低阻异常区域，图3较图2 能够更直观的展示出被封堵后的勘探钻孔与待掘巷道的空间位置关系。
图 3 视电阻率异常三维空间显示
Fig.3 3D space display of abnormal apparent resistance
在收到瞬变电磁探测结果报告后，巷道掘进工作面与掘进中心的向右侧5°方向布设了长80 m的超前钻操钻孔，钻探结果显示：在0—34 m是煤、34—35 m是粗质砂岩胶结较差(封堵材料)，35—80 m是煤，终孔无水，钻孔柱状剖面如图4所示。
图4 验证钻孔剖面
Fig.4 Profile of verified borehole
说明本次瞬变电磁法探测区域划定的异常区中心位置就是钻孔位置，物探结果准确，为巷道的安全掘进提供了技术参考。
1)掘进工作面小线圈瞬变电磁法对近距离较小的地质构造也有灵敏的信号响应，在结果图中视电阻率会有较明显的变化。
2)依据地质构造特性，合理的选择探测角度、视电阻率和深度校正系数是精确探测的关键。
3)三维瞬变电磁探测结果能够直观、形象地呈现出钻孔在巷道前方岩体中的位置及范围。
4)通过在小回沟矿对BZ-13钻孔超前探测，能够较准确的定位地面钻孔在煤层中相应的位置，依据矿区探测经验，钻孔附近岩层视电阻率在20～25 Ω·m，其富水性较弱。
5)多小线圈矿井瞬变电磁法具有较好的指向性，三维瞬变电磁超前探测为掘进工作面前方掘进路径上存在的构造探测提供了一种有效的地质预报方法。
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