第38卷第9期煤炭学报
Vol．38No．92013年
9月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY
Sep．
2013
文章编号：0253－9993（2013）09－1646－05
矿井瞬变电磁法波场变换与数据处理方法研究
程久龙1，邱浩2，叶云涛1，闫国才1，周健1，程丰波1，张珊珊
1
（1．中国矿业大学（北京）煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京100083；2．煤炭科学研究总院矿山安全技术研究分院，北京100013）
摘
要：矿井瞬变电磁法探测电性界面分层的准确性关系到探测地质效果。探讨了瞬变电磁波场
变换理论，提出了矿井瞬变电磁波场变换算法，对实际矿井瞬变电磁数据进行了波场变换，提出了波场变换数据处理及成像方法，实现瞬变电磁剖面到拟地震剖面的转换，达到对电性界面的准确划分。结合矿井顶板岩层富水性探测的工程实例对矿井瞬变电磁波场变换及其数据处理方法的实用性和有效性进行了验证，取得了较好的地质效果。研究表明:矿井瞬变电磁波场变换及数据处理方
法能够提取瞬变电磁数据中所包含的电性界面信息，
解决矿井瞬变电磁法探测在准确确定电性界面方面的不足，突出弱异常进而提高分辨率。
关键词：矿井瞬变电磁法;波场变换;数据处理;拟地震处理;电性界面中图分类号：P631.3
文献标志码：A
收稿日期：2013－05－06责任编辑：韩晋平
基金项目：国家自然科学基金资助项目（51034003，
51174210）；高等学校博士学科点专项科研基金资助项目（20120023110014）作者简介：程久龙（1965—），男，安徽安庆人，教授，博士生导师。E －mail ：JLCheng@126．com
Research on wave-field transformation and data processing of the mine transient electromagnetic method
CHENG Jiu-long 1，QIU Hao 2，YE Yun-tao 1，YAN Guo-cai 1，ZHOU Jian 1，CHENG Feng-Bo 1，ZHANG Shan-shan 1
（1．State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining ，China University of Mining and Technology （Beijing ），Beijing 100083，China ；2．Mine Safety
Technology Branch ，China Coal Research Institute ，Beijing 100013，China ）
Abstract ：The detection accuracy of electrical interface by mine transient electromagnetic method （MTEM ）affects the geological surveying results．Authors first discussed the theory of transient electromagnetic field transforming ，proposed the algorithm of mine transient electromagnetic field transforming and calculated wave filed with actual surveying data ，and then created the method of wave-field data processing and imaging ，realized the transformation from mine transient electromagnetic section into pseudo-seismic section and accurate detection of the electrical interface．At last ，the practi-cability and effective of the wave-field transforming and data processing were proved by the actual exploration on the water-containing of coal roof．The conclusion show that the wave-field transforming and pseudo-seismic imaging and data processing can extract the electrical interface information of MTEM and supplement the deficiencies of the MTEM on detecting accurately the electrical interface ，highlight the weak anomalies and improve the resolution and increase exploration accuracy．
Key words ：mine transient electromagnetic method （MTEM ）；wave-field transformation ；data processing ；pseudo-seis-mic imaging ；electrical interface
不断频发的煤矿突水等事故成为制约我国煤炭
行业健康发展的关键因素。近几年来地球物理技术在矿井突水灾害探（监）测中发挥了极其重要的作用。时间域瞬变电磁法为近年发展较快的一种地球
物理方法，其在固体矿产勘查、水害防治等勘查领域均有广阔的应用前景和巨大的发展潜力，特别是在煤
矿水害防治领域发挥了关键作用［1］
。瞬变电磁法勘探因其是体积勘探，含水地质异常体在断面图上通常
第9期程久龙等：矿井瞬变电磁法波场变换与数据处理方法研究
表现为低阻区域，而不能分辨实际情况中最为重要的
电性界面，作为矿井瞬变电磁法一个重要的发展方
向，基于波场变换理论的瞬变电磁拟地震成像技术因
能够求解原瞬变电磁场本不包含的异常体的物性和
几何参数而为矿井瞬变电磁精细探测提供了新的思
路。
自从1980年Weidelt和Kunetz等由电磁场的波
动形式和扩散形式的关系入手并推导出了电磁场扩
散方程与电磁场波动方程之间对应的数学变换式以
来，国内外学者对这一变换进行了一系列的研
究［2－3］。Isaev和Filatov引入了地震全息算法和聚焦
变换方法，进行了磁偶极源瞬变电磁场波场变换成像
试验，取得了一定的效果；Lee等于1989年证明了这
种变换适用于任意源与矢量电磁场，并进行了简单二
维模型波场反变换数值模拟［4］，1993年Lee等将瞬
变电磁场随时间的衰减曲线转换为相应的波场随类
时间的波传播曲线，得到了符合原始模型的电导率图
像，取得了较好的效果［5］。国内方面，陈本池研究了
波场变换与偏移成像理论，实现了瞬变电磁波场变
换，通过数值模拟得到了有源二维瞬变电磁场偏移断
面图像［6］。薛国强、李貅在瞬变电磁拟地震成像方
面做了较为深入的工作，提出了从瞬变电磁场到波场
的优化算法，通过数值计算证明了波场正逆变换方法
的有效性［7］。目前，国内外学者对瞬变电磁波场变
换方面的主要研究工作集中在数值模拟，在方法实际
应用以及煤矿井下全空间瞬变电磁勘探方面的研究
还鲜有报道。笔者在探讨瞬变电磁波场变换理论的
基础上，提出了全空间波场变换数据处理及成像方
法，对方法在矿井瞬变电磁超前探测与顶板富水性探
测方面的实用性进行了分析和验证。
1波场变换原理
瞬变电磁场分量与其相对应的波场之间的数学
积分形式［6］为
P（r，t）=
1
2πt
槡3
∫"
q e－q2/（4t）U（r，q）d q（1）
其中，P（r，t）为瞬变电磁场分量；U（r，q）为待求波场；q为与时间t相对应的类时间变量，槡s。将式（1）离散化并写成矩阵形式，有
AU=P（2）其中，U=（u1，…，u j，…，u n）T，P=（p1，…，p i，…，p
m
）T，A为m?n阶矩阵，只需求解式（2）即可完成瞬变电磁扩散场到波动场的转换。对于矩阵（2）的计算有很多种方法，根据实际情况和计算量的不同，可利用矩阵分解等方法来求解矩阵方程［6］。在实际瞬变电磁探测中，由感应电动势即可计算出用发送脉冲电流幅值归一化的磁感应强度随时间的变化率d B z （t）/d t，然后对其进行数值积分，即可得到矿井瞬变电磁垂直磁场值B z（t i），从而得到了关于瞬变电磁扩散场的基本数据t i和P i，那么，对应于瞬变电磁波动场时间q j时的波场变换值U j便可以通过矩阵方程（2）求解。
2数据处理方法
波场变换后，瞬变电磁扩散场数据变换为波场数据，即瞬变电磁场随时间的衰减曲线变换为波场随类时间的变化曲线，变换后的波场曲线具有地震子波的传播特征，满足波动方程，那么便可以用地震数据处理方法对波场变换数据进行处理，提取几何界面信息，以提高分辨率。由波场变换理论可知，各个测点波形的幅值变化程度上的差异对应于电阻率（电导率）变化程度，即瞬变电磁法波场变换的曲线形态在一定程度上反映电阻率（电导率）变化的剧烈程度。但经波场变换后的曲线未经过处理，还不能反映地层电性界面的位置，必须结合各个测点的波场变换数据，对其进行进一步处理分析。由于波场变换的特殊性，矿井瞬变电磁法波场变换处理流程同常规矿井瞬变电磁法处理流程有所区别。
图1为矿井瞬变电磁法波场变换处理流程，在矿井瞬变电磁数据中，由于从仪器中提取的每一测点对应于时间门t i的瞬变电磁数据量较少，且扩散场时间轴数据为不等间距，经波场变换后的波动场时间q j 也为不等间距，因此不能进行反褶积处理，波的传播速度同波形曲线密切相关，波动场数据量少，也不利于下一步的时深转换工作。因此对瞬变电磁波动场数据进行高密度插值，将最初的较为稀疏波场变换数据插值得到光滑连续的波形曲线，为反褶积做准备，也能提高时深转换的精度。本文中需要尽可能使曲线光滑且曲率延续，因此采用三次样条方法对其进行等间距高密度插值。瞬变电磁仪采集的有效信号属于电磁场的中晚期阶段，低频成分为主，高频成分缺失，经波场变换得到的波场传播速度和波长比地震波场大很多，随着传播距离和传播时间的增大，子波延续时间变长，曲线变得宽缓，对距离分辨率降低［8］，因此，有必要对波场变换数据作进一步处理以提高分辨率。反褶积是地震资料常用的处理方法之一。它的主要作用是压缩地震子波、提高地震资料的分辨率，消除干扰突出有效波，从而提高解释精度。最后进行时深转换，得到对应于深度的波场变换曲线。
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煤炭学报2013年第38
卷
图1矿井瞬变电磁法波场变换处理流程
Fig.1Wave-field transform process of mine
transient electromagnetic method
2.1波场曲线插值
函数S（x）∈C（a，b），且在每个小区间［x j，x j+1］上是三次多项式，其中a=x0＜x1＜…＜x n=b是给定节点，则称S（x）是节点x0，x1，…，x n上的三次样条函数。若在节点上给定函数值y j=f（x j），（j=0，1，…，
n），并成立S（x
j ）=y
j
，（j=0，1，…，n），利用S（x）即可
得到x j处的y j。根据矿井瞬变电磁法探测的实际情况，采用三次样条插值的方法，即利用分段光滑的三次多项式曲线对时深转换后的波场变换曲线进行插值圆滑，使曲线光滑而且连续。最初的变换波场数据较为稀疏，通过三次样条方法对其进行高密度插值，得到连续的波形曲线。
2.2反褶积
最小平方反褶积为最小平方滤波的一个变形。最小平方滤波的基本思想在于设计一个滤波算子，用它把已知输入的信号转换为与预先给定的期望输出信号在最小平方误差意义下最小。对于反褶积中比较重要的反滤波的算子长度的选择，一般根据所有点的数据，通过实验来选择，长度增大，波场曲线尾部的波动有所减弱，反褶积的效果会变好。当滤波的算子增大到一定的长度时，反褶积的效果愈发稳定。需要注意的是，反滤波的算子长度不能过大，长度过大不但增大计算量，且会增大相近反射和干扰噪声的影响。总而言之，要由波场数据的总数进行选择，具体情况具体分析。在本文的计算中，由于数据量较少，反滤波算子的长度基本选取在50 100。在进行最小平方反褶积时，计算时将反滤波算子换算为采样点数。白噪系数的加入是为了提高解矩阵方程的稳定性，可以根据随机噪声的水平进行选择。当干扰较小时，白噪系数可选的小一些；当干扰较大时，白噪系数可选的大一些，由于瞬变电磁变换虚拟波场的数据量少、曲线较稳定的特殊性，笔者将白噪系数取为0.05。为了压缩子波，提高资料的分辨率，对瞬变电磁探测波场变换曲线进行最小平方反褶积处理。
2.3时深转换
根据“烟圈”理论可以把巷道中测得的随时间变化的瞬变响应转化为电阻率随深度变化的函数曲线，有一种基于“烟圈”理论的最简化反演方法也可以实现视电阻率和深度的计算。
根据M.N.Nabighian的理论，等效涡流环的传播速度可由式（3）［9］计算。
v=Δ
d
Δt
=
d
j
－d
i
t
j
－t
i
=4
π
槡μ
t
j
ρ
槡j－t iρ
槡i
t
j
－t
i
()（3）
由每个时间门的扩散场数据t i及其常规处理所对应的视电阻率ρi即可得到对应于每一个扩散场时间段Δt的传播速度。又由电磁场在巷道顶、底板介质中传播速度v与其电性介质的分布和时间有关，因此，可定义电磁场传播深度D（t）为时间的函数，即
D（t）=∫t0v（ρ，t）d t（4）其中，ρ为介质电阻率；t为时间。如果用视电阻率ρs 代替式（4）中的ρ，则深度定义为
D
s
（t）=∫t0v（ρs，t）d t（5）由式（5）可知，如果已知电磁场的传播速度，即可计算不同时刻对应的深度。本文由式（3）求出不同时间等效涡流环的传播速度，再由式（5）即可求出其对应的深度。
由于矿井瞬变电磁探测是属于全空间波场，根据全空间晚期和全区视电阻率公式，通过与半空间公式的比较，给出了全空间视电阻率ρf与半空间视电阻率ρh之间的转换公式［10］，即
ρf=（5/2）（2/3）ρh≈1.842ρh（6）将式（6）代入式（3）计算出等效涡流环的传播速度，进而由式（5）即可进行全空间矿井瞬变电磁时深转换，计算出不同时间等效涡流环的传播速度所对应的深度。
3工程应用
某矿121101工作面近煤层走向布置，矿井瞬变电磁探测的主要目的是查清121101工作面顶板高度0 100m范围内石英砂岩的富水情况，以便确定探放水钻孔位置，确保工作面安全开采。因底板深度0 100m范围内岩层含水性相对极弱或不含水，所以岩层含水性解释主要针对顶板砂岩。巷道长度为500m，探测深度100m，测点距10m，共51个物理点。
将121101工作面轨道巷顶板探测原始数据中包
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第9期程久龙等：矿井瞬变电磁法波场变换与数据处理方法研究
含的关于瞬变电磁扩散场的基本数据时间门t i 和垂直磁场p i 提取出来，利用的矿井瞬变电磁波场变换算法对其进行波场变换求解q j 和U j ，这样，即可以将全空间瞬变电磁垂直磁场分量随时间t 的衰减曲线转换为波场随类时间q 的传播曲线，对其依次采用插值圆滑、反褶积、时深转换的方法进行处理。图2为121101工作面顶板测线1 10号测点波场变换及数据处理后波形示意，图2（a ）为经过波场
变换数值计算得出的波形图，
图中横坐标为类时间q ，单位为槡s ，纵坐标为测点号。由图2（b ）可知，波场
曲线等间距样条插值后，曲线变得光滑、连续；由图2（c ）可知，反褶积处理后，波场变换曲线子波被压缩，分辨率得到了提高；由图2（d ）可知，反褶积后的曲线经时深转换处理后，得到对应于深度的波场曲线，且曲线跳动位置发生了变化
，根据所形成的曲线剖面可以判断电性界面位置。
图2
波场变换及数据处理波形
Fig.2
Wave section of wave-field transforming and data processing
图3为121101工作面顶板探测视电阻率断面
图，
图中横坐标表示测点位置，纵坐标表示沿顶板方向的探测距离，不同色标表示不同的视电阻率值。图4为121101工作面瞬变电磁法顶板探测拟地震成像断面图，图中纵横坐标与图3一致。对比图3，
4可知，顶板视电阻率断面图中低阻异常位置与顶板拟地
震成像断面图中电性界面位置对应较好，
但在顶板视电阻率断面图中并不能确定异常体的边界，只能大致
判断相对异常大小和低阻异常的位置
。根据拟地震成像断面图进行地质解释效果明显。
图3
121101工作面顶板矿井瞬变电磁法探测视电阻率断面
Fig.3
Apparent resistivity section of roof detection by MTEM in
121101working face
图4
121101工作面顶板矿井瞬变电磁法探测拟地震成像断面
Fig.4
Pseudo-seismic imaging section of roof detection by MTEM in 121101working face
在图4中将裂隙区用虚线标出，图中较粗虚线圈定区域为电性差异较大的的电性界面，较细虚线圈定区域为电性差异相对较小的电性界面，由图可知，由
波形曲线的同相轴可以确定电性界面的位置，得出的
电性界面存在起伏变化，可以判断，测线0 50m 、深度30 60m 范围地层存在明显且连续的电性界面；
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煤炭学报2013年第38卷
而在测线190 230m、深度40 60m以及测线270 340m、深度50 65m地层存在较明显的电性界面，但连续性相对较差。在顶板拟地震成像断面图中，电性界面能够被准确定位，且在异常体电阻率相对较低的测线位置时，电性界面愈发明显。经钻探验证，测线15m处布置的一个探水钻孔出水量为12m3/h；在测线100m处布置一个探水钻孔，涌水量为0.1m3/h，表明拟地震断面图中电性界面相对明显位置出水量相对较高，其他位置出水量相对较低。因此，若异常区在拟地震断面图上电性界面相对明显，且在视电阻率断面图上呈现低阻特征，则可判断富水性相对较强，这也进一步验证了矿井瞬变电磁波场变换及数据处理方法的有效性。
4结论
（1）波场变换处理结果表明：波场曲线等间距样条插值后，曲线变得光滑而且连续，反褶积处理后，波场变换曲线子波被压缩，分辨率得到了提高，时深转换处理后，波场曲线对应于深度，且跳动位置发生了变化，可以初步判断电性界面位置；处理结果说明了矿井瞬变电磁波场变换理论及其相关处理方法对于增强有用信号，提高分辨率的有效性。
（2）通过观察波场变换及其处理之后的曲线，可知变换后的波场曲线对应于矿井瞬变电磁场的传播特征以及与地层介质之间的电性关系表现为：在电性界面附近，瞬变电磁波场变换曲线会发生跳动震荡，且在高阻到低阻界面，介质对波的吸收较强，为弱反射界面，波形有一定的展宽；在低阻到高阻界面，介质的吸收作用较弱，是强反射界面，波形展宽较小，瞬变电磁法波场变换的曲线形态在一定程度上反映电阻率（电导率）变化的剧烈程度。
（3）在视电阻率等值线图中不能精确定位低阻异常体边界，而低阻异常体在拟地震成像断面图上能够精确表现为较为明显的两个电性界面，分辨率明显提高，钻探结果也表明了矿井瞬变电磁波场变换及数据处理方法的有效性。
研究表明矿井瞬变电磁波场变换及数据处理方法能够提取出瞬变电磁数据中所包含的电性界面信息，解决矿井瞬变电磁法在几何效应探测方面的不足，突出弱异常进而提高分辨率及勘探精度，实现矿井瞬变电磁低阻异常电性界面的精细探测。
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左线出口（1） ************隧道左线 出口ZK27+687～ZK27+587瞬变电磁法 超前地质预报报告 ***********有限公司 二〇一四年八月二十五日
项目名称：************************ 数据采集： 报告编写： 复核： 审核： ***************有限公司 二〇一四年八月二十五日
目录 一、工作概况 (1) 二、瞬变电磁法基本原理 (1) 三、测点布置及施工方法 (2) 四、现场工程地质分析 (3) 五、瞬变电磁法的资料解释 (5) 六、结论及建议 (8)
*****************隧道左线出口 ZK27+687～ZK27+587瞬变电磁法超前地质预报报告 一、工作概况 2014年8月18日下午，我单位对******************口掌子面ZK27+687处进行了瞬变电磁超前探测工作，其目的在于：查明前方赋存水情况。现场情况：掌子面、附近拱顶及边墙无渗水现象。 二、瞬变电磁法基本原理 瞬变电磁法的激励场源主要有两种，一种是回线形式（或载流线圈）的磁源，另一种是接地电极形式的电流源。下面以均匀大地的瞬变电磁响应为例，来讨论回线形式磁偶源激发的瞬变电磁场，从而阐述瞬变电磁法测深的基本理论。 在导电率为σ、导磁率为μ的均匀各向同性大地表面敷设面积为S 的矩形发射回线在回线中供以阶跃脉冲电流 ???≥<=0 00)(t t I t I （1） 在电流断开之前（0 山东盛泉矿业有限公司 科技进步成果奖励申报书 成果名称：瞬变电磁法在有掘必探工作中的应用 完成单位：沈家峁煤矿技术科（盖章）协作单位：（盖章）填报日期： 2016 年 9 月 10 日 成果名称瞬变电磁法在有掘必探工作中 的应用 成果起止日期 成果的主要内容： 一、项目简介 随着矿井开采深度的加大，矿井水文地质条件日趋复杂，为防止矿井水害事故发生必须加强探放水管理，严格执行有掘必探、先探后掘、有采必探、先治后采的探放水原则，坚持物探先行、钻探验证、化探跟进的综合探测程序科学有效的开展井下探放水工作，原有的物探设备直流电法仪由于施工难度大、条件要求高、探测结果可靠性差已不符合井下物探要求，矿井瞬变电磁法是当前应用范围广的一种电法勘探技术。此方法观测的是二次场，能够较为直观的进行近区观测(能够使用重叠回线装置)，对低阻含水体特灵敏、不易受体积效应的影响、纵横向分辨率高，而且施工作业方便、快捷、效率比较高。因此，在煤矿水文地质探测方面有很高的应用价值。瞬变电法探测优点：高定向性（方位性)、高分辨率、有效探测距离大、适应性强、易于施工、效率高。YCS150型瞬变电磁仪具备操作简单、小功率、小线圈、大测深、分辨能力及抗干扰能力强、物探结果精度高、成图简单等优点现已投入使用，为更好的服务于井下探放水作业还需对瞬变电磁法探测的应用进行探索研究。 二、YCS150瞬变电磁施工方法 1、掘进迎头探测施工方法： 迎头超前探测，采用偶极共轴法，即发射线圈距接收线圈3-5米；发射线圈2*2米双匝，接收线圈直径0.6米；发射电压7.2V，电流2A;对迎头顺层方向、斜向上、两个平面分别按7个角度进行探测，探测距离为距迎头150米范围的前方视电阻率扇形图。布置方案如图1-1和1-2。 图1-1 现场施工布置框图 电磁波屏蔽原理和屏 蔽材料 电磁波屏蔽原理和屏蔽材料 作者：陈亚庆 指导老师：魏相飞 摘要：电磁波对人类文明与社会发展具有重要的意义。电磁波作为信息的载体应用于通信、广播、电视，作为探求未知物质世界的手段用于雷达、导航、遥感遥测等。随着科学技术的发展，越来越多的电磁波的应用被发现。但电磁波在造福人类的同时也给环境带来污染。本课题要求通过广泛的调研，了解电磁波的传播原理，屏蔽原理以及相关的屏蔽材料。 关键字：电磁波；电磁波屏蔽；电磁波屏蔽材料。 The Electromagnetic Shielding Principle And Shielding Material Abstract：The electromagnetic wave to the human civilization and social development has the vital significance. Electromagnetic wave as the carrier of application information in communication, broadcast, television, by exploring the unknown material world means used in radar, navigation, remote sensing etc. With the development of science and technology, more and more application of electromagnetic waves was found. But the electromagnetic wave in the benefit of mankind but also pollute the environment. This topic through extensive investigation and EMIT MAXWELL 瞬变电磁法勘探数据处理(1) 物探软件2010-04-25 11:58:11 阅读361 评论0 字号：大中小订阅 EMIT MAXWELL 瞬变电磁数据处理软件是由澳大利亚电磁成像技术公司的商业软件，运行于WINDOWS平台下，能对频率域；时间域及航空瞬变电磁勘测数据进行建模，正演，反演，及常规成图作业处理。另外还支持频率域与时间域的激发极化数据处理。很值得一提的是该系统包含两套扩展模块一个是EMAX组支持地面与航空瞬变电磁数据的CDI 深度计算。另一个就是CSIRO(澳大利亚国家工业研究院)组的正反演模块，是EMIT MAXWELL的核心模块，可惜网上下载的版本都不带！ 所需工具WINDOWS系统，EMIT MAXWELL ，UltraEdit Professional Text/Hex Editor ，Oasis montaj 简易处理流程数据导入→数据处理→测量和仪器→数据显示→数据正反演 一、数据导入 支持工业标准AMIRA格式；标准仪器文件CRONE,PROTEM,GEONICS,SIROTEM.其他软件格式GEOSOFT等详细看下图。国产的瞬变电磁数据可以参照 AMIRA标准格式用ULTRAEDIT制作。提示下PROTEM的GX7格式直接将扩展名改为RAW即可导入！ 软件界面 数据导入 以软件自带的DEMO数据为例，该数据为AMIRA标准格式。点击import→Tem File 选中DEMO.TEM 标准格式直接点击OK即可。数据导入就即刻生成了断面曲线与测网地图 EMIT MAXWELL 瞬变电磁法勘探数据处理(2) 物探软件2010-07-10 10:41:26 阅读136 评论0 字号：大中小订阅 数据导入成功后接下来就是对瞬变数据进行预处理。 如图所示点击DATA/PREFERENCES菜单选中edit and Process lines 瞬变电磁法数据处理流程研究 利用瞬变电磁法对目标体进行探测，采集数据后，需将采集的数理进行一系列的处理之后才能进行相关的分析与应用，因此研究数据处理的流程是十分有必要的。 标签：瞬变电磁法；数据处理；流程 引言 利用瞬变电磁装置对目标进行勘探采集数据后，便要进行数据处理的工作了。在现阶段，由于处理解释的理论不成熟，仅仅停留在半定量半定性阶段，尽管现在有很多专家学者将地震的处理解释理论引进了瞬变电磁之中，但是总的来说还是有局限性的。（张国峰等，2008）因此对瞬变电磁数据处理的研究是很有必要的。 此次采用的瞬变电磁装置为大定源回线装置，发射回线：600m×600m，工作频率：6.25Hz，发射电流：16A。在此，以工程中取得数据为基础就处理的方法进行讨论。 1 数据处理流程 2 干扰校正处理 测区靠近高压线的数据受到电磁干扰影响，出现突变的极大或极小值，甚至会使局部数据整体变形、抬升或降低。在数据采集的时候采取多种措施减小干扰，如在接收线圈正上方2m处安放铁丝网防护，多次数据采集优选数据质量相对较好的数据，但少数测点仍然受到影响。 对于受到干扰的数据要进行校正，使其回归应有的变化规律。根据已知地质条件，采用多点圆滑及距离加权滤波的方法对受干扰数据进行处理，处理前后的效果对比如图2所示。其中图a）为受干扰原始数据断面图，从图中可以看出，数据发生了严重跳变，蓝色虚线为采集数据位于高压线边缘，其发射线框位于高压线底下，采集数据由于受到高压线电磁干扰，导致富水层位深度出现异常，即富水层位向上提升，红色虚线框内数据采集位于高压线底下，由于受到电磁干扰比较严重，引起数据突变，导致下部视电阻率比正常情况下要低。但是，总体来看，其电性在纵向上的变化趋势还是遵循“高——低——高”的变化趋势。 对于以上特征的数据，首先进行了预处理，其目的是将干扰排除，避免存在因为干扰造成的假异常。处理方法为：剔除极大、极小值，进行多点圆滑——滤波。对处理后的数据成图，如图b）所示，图中没有了突变点，数据变化较为均匀，为后期的资料分析解释提供了可信依据。 矿井直流电法勘探涵盖了巷道顶底板电测深法和矿井高密度电阻率法这两种方法，两者属于频率域，而矿井瞬变电磁法则为时间域的方法。 1直流电法技术的基本原理 直流电法勘探是测定岩石电阻率的传统方法。它通过一对接地电极把电流供入大地中，而通过另一对接地电极观测用于计算岩石电阻率所必需的电位或电位差信息（见图1）。 图1 电法勘探工作原理示意图 一个点电源O 在均匀介质中的电场形态为球形(见图2) ，每个球壳为一个等电位面，不同等电位面上A、B 两点会产生电位差，电位差的大小与其通过的介质的导电性(电阻率)有关。 此时通过直流电法仪测得A、B 两点的电位差，即可计算出介质的视电阻率。 A' j电流线 图2点电源在均匀介质中的电场形态 矿井直流电法勘探在井下巷道内安放物理场源和接收装置，因测点位置靠近勘探对象，缩短了目标体的探测距离，许多在地表无法探测到的较小规模地电异常体，在井下可获得较强异常响应，为提高电法勘探应用能力创造了有利条件。 巷道顶底板直流电测深法装置形式 固定MN法（施伦贝尔装置） 工作布置方式为A---M-O-N---B ，即以 O 点为中心，两边对称布置A 、M 、N 、B 四个电极四个电极按比例由近及远同步移动。 三极装置（常用于井下迎头超前探测） 工作布置方式为A---M — O —N----B （*）。即以 O 点为中心，两边对称布置M 、N 两个电极，A 、M 、N 三极由近及远逐步移动，B 极位于无穷远处。 图2 三极测深法示意图 上述两种装置中A 、B 、均为供电电极，用于向岩层供电；M 、N 均为测量电极，用于探测地电场电压，根据测出的电流、电压值结合装置系数就可以换算出地层视电阻率值。通过对不同深度地层的视电阻率值进行全方位探测和综合分析，就可以达到探测岩性或构造的目的。 矿井高密度电法 巷道顶底板电测深法由于受其观测方式的制约，不仅测点稀，工作效率低信息量小，而且更难从多种电极排列去研究地电断面的特征、结构与分布。因此，所提供的关于地电断面的地质信息贫乏，资料解释存在相当困难。为了克服上述困难与不足，更好的发挥物探在工程勘察中的优势，便发展出了高密度电阻率这项新的勘探技术。 其在原理上属于电法勘探中电阻率法的范畴，它是以岩土体的电性差异为基础，以研究在施加电场的作用下，地下传导电流的变化分布规律，它是在常规电法勘探基础上发展起来的一种新的勘探方法。高密度电法集中了常规剖面法和电测深法两者的特点，不仅可以观测地下一定深度范围内横向电性变化情况，同时还可以观测垂向电性的变化特征，总体而言具 金属网可以阻挡电磁波传播的原理是什么？ 首先，不是衍射。 我们都做过直流电路实验，导线就是金属，也就谈不上屏蔽（静电屏蔽是指接地金属罩，屏蔽静电场）。电磁波辐射，是关于时变电磁场的问题，导体对其影响大不相同。 如果利用趋肤效应，解释的实际上是金属板屏蔽电磁场原理。 ?对于一个金属板（良导体），电磁波从一面辐射而来，大部分能量被反射，小部分能量进入金属，该电磁波会随进入金属的深度成e指数衰减（能量转化为表面电流），当金属层过薄时，电磁波就会穿透金属层继续传播。对于同一频率电磁波，电导率越高，衰减越快。对于相同金属材料，电磁波频率越高，衰减越快。 ?定义：趋肤深度，电磁波传输一个趋肤深度的距离后，振幅衰减到原来的36.8%，能量衰减到13.5%。 对于相同金属材料，电磁波频率越高，趋肤深度越小。 ?例：10GHz电磁波。银，电导率6.173e7(S/m)，趋肤深度6.4e-7(m)，即0.64微米；1GHz电磁波，趋肤深度20.24e-7(m)，即2.24微米。【1】 那么，同材料的金属板，频率越高，趋肤深度越小，对辐射防御能力是越强。 回归正题，金属网屏蔽电磁场原理，（趋肤效应解释波导也有用到，不是重点）。 ?先说矩形波导，四壁是金属，电磁波在波导中的介质中传播。金属网实际上就是下图中许许多多的矩形 波导叠放组合在一起，z方向长度再缩短些就是了。 ?为何电磁波不会从金属网的窟窿中穿透呢？对于金属网，每一个网孔都是一个波导。借用光的粒子说，电磁波像弹球一样，进入网孔波导后，来回在金属壁上反弹，曲折前进。【2】 ?为满足金属壁这一边界条件下的Maxwell方程，对于相同规格的矩形波导，频率越低（波长越大），theta 越大；当波长大于等于截止波长时，theta=90°，电磁波只上下弹跳，不前进了。 瞬变电磁法 瞬变电磁法，是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间利用线圈或接地电极观测地下介质中引起的二次感应涡流场，从而探测介质电阻率的一种方法.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，从而在其周围空间产生一次电磁场，并在地下导电岩矿体中产生感应电流：断电后，感应电流由于热损耗而随时间衰减。 目录 原理 优点 应用 原理 优点 应用 展开 编辑本段原理 瞬变电磁法也称时间域电磁法(Time domain electromagnetic methods)，简称TEM，它是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。简单地说，瞬变电磁法的基本原理就是电磁感应定律。衰减过程一般分为早、中和晚期。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。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。 编辑本段优点 瞬变电磁法探测具有如下优点 ⑴由于施工效率高，纯二次场观测以及对低阻体敏感，使得它在当前的煤田水文地质勘探中成为首选方法； ⑵瞬变电磁法在高阻围岩中寻找低阻地质体是最灵敏的方法，且无地形影响； ⑶采用同点组合观测，与探测目标有最佳耦合，异常响应强，形态简单，分辨能力强； ⑷剖面测量和测深工作同时完成，提供更多有用信息。 编辑本段应用 概述 根据瞬变电磁法对低阻体反应敏感的特点，将其用于煤矿井下水文勘查还是近几年的事情。瞬变电磁法是一种极具发展前景的方法，可查明含水地质如岩溶洞穴与通道、煤矿采空区、深部不规则水体等。瞬变电磁法在提高探测深度和在高阻地区寻找低阻地质体是最灵敏的方法，具有自动消除主要噪声源，且无地形影响，同点组合观测，与探测目标有最佳耦合，异常响应强，形态简单，分辨能力强等优点。 装置及原理 瞬变电磁法的勘探原理是利用人工在发射线圈加以脉冲电流，产生一个瞬变的电磁场，该磁场垂直发射线圈向两个方向传播，通常是在地面布设发射线圈，依据半空间的传播原理，把地面以上的忽略。当磁场沿地表向深部传播，当遇到不同介质时，产生涡流场或着遵照量子力学原理使活泼的碱金属产生能级跃迁或使含有大量氢原子的液体的氢原子核沿磁场方向产生定向排列。 当外加的瞬变磁场撤销后，这些涡流场的释放或者活泼的碱金属要恢复原有的能级，释放跃迁产生能量。以及含有大量氢原子的液体的氢原子核恢复原有的排列时，均以磁场的形式释放能量所获的能量。利用接收线圈测量接收到的感应电动势v2。该电动势包含了地下介质电性特征,通过种种解释手段(一维反演,视电阻率等)得出地下岩层的结构. 由于采用线圈 接收V2,故对空间的电磁场或其它人文电磁场敏感,也就是通常所说的干扰.为了减少此类干扰,采用尽量的发射大的电流,以获取最大的激励磁场,增 加信噪比,压制干扰。 接收装置通常分为分离回线,中心回线和重叠回线3类,以重叠回线得到的信息最为完整,其它次之。 局限性及解决办法 瞬变电磁法的工作效率高,但也不能取代其它电法勘探手段,当遇到周边有大的金属结构时地面或空间的金属结构时,所测到的数据不可使用,此时应补充直流电法或其它物探方法(见金属结构物对测量的影响一文)。同时在地层表面遇到大量的低阻层矿化带时(例如在陕西南部某地铅锌矿区,地层表面充满石墨层)瞬变电磁法也不能可靠的测量,因此在选择测量时要考虑地质结构。 1、电磁屏蔽基本原理 如图1所示电磁屏蔽的基本原理是：采用低电阻的导体材料，并利用电磁波在屏蔽导体表面的反射和在导体内部的吸收以及传输过程中的损耗而使电磁波能量的继续传递受到阻碍，起到屏蔽作用。某些屏蔽材料可将大部分入射波反射掉，利用内部吸收及多重反射损耗掉部分进入材料的电磁波，只允许极少量的电磁波透过材料继续传播。 钢金属结构就起到了电磁屏蔽的作用，会大大影响附近基站对楼内的信号覆盖强度，下面用具体公式证明这一点。 钢金属结构对电磁波的损耗主要由反射损耗和吸收损耗组成。吸收损耗是指电磁波穿过屏蔽罩时能量损耗的数量，吸收损耗计算公式为： AdB=(f×σ×μ) /2×t 其中 f：频率(MHz) μ：金属导磁率σ：金属导电率 t：屏蔽罩厚度 联通附近基站使用的频率是900MHz，钢的导磁率约为450×10-4左右，钢的导电率约为×10-5左右，钢结构厚度约为0.02米左右。 将上述参数代入公式，吸收损耗约为31dB。 反射损耗(近场)的大小取决于电磁波产生源的性质以及与波源的距离。对于杆状或直线形发射天线而言，离波源越近波阻越高，反射损耗随波阻与屏蔽阻抗的比率变化，因此它不仅取决于波的类型，而且取决于屏蔽罩与波源之间的距离。 近场反射损耗可按下式计算 RdB=168+10×lg(σ/μrf) 其中 r：波源与屏蔽之间的距离，估算取为200米。 将参数代入公式，得到反射损耗为。 因此，由于钢金属结构引起的损耗为吸收损耗和反射损耗之和，即为，再加上建筑物其他混凝土结构的损耗20dB，总损耗约为97dB。 2、链路预算 下行链路（DownLink）是指基站发，移动台接收的链路。 上行链路（UpLink）是指移动台发，基站接收的链路。 对于GSM900M系统的上下行链路，按照链路预算公式，计算后建筑物内信号电平值为-99dBm左右，基本无法满足正常的通话需求。 对于GSM1800M系统，其覆盖能力还不如GSM900M，也无法达到覆盖效果。 对于CDMA系统，链路预算表格如下表 金属网可以屏蔽电磁波传播的原理是什么？ 首先，不是衍射。 我们都做过直流电路实验，导线就是金属，也就谈不上屏蔽（静电屏蔽是指接地金属罩，屏蔽静电场）。电磁波辐射，是关于时变电磁场的问题，导体对其影响大不相同。 如果利用趋肤效应，解释的实际上是金属板屏蔽电磁场原理。 ?对于一个金属板（良导体），电磁波从一面辐射而来，大部分能量被反射，小部分能量进入金属，该电磁波会随进入金属的深度成e指数衰减（能量转化为表面电流），当金属层过薄时，电磁波就会穿透金属层继续传播。对于同一频率电磁波，电导率越高，衰减越快。对于相同金属材料，电磁波频率越高，衰减越快。 ?定义：趋肤深度，电磁波传输一个趋肤深度的距离后，振幅衰减到原来的 36.8%，能量衰减到13.5%。对于相同金属材料，电磁波频率越高，趋肤深 度越小。 ?例：10GHz电磁波。银，电导率6.173e7(S/m)，趋肤深度6.4e-7(m)，即0.64微米；1GHz电磁波，趋肤深度20.24e-7(m)，即2.24微米。【1】那么，同材料的金属板，频率越高，趋肤深度越小，对辐射防御能力是越强。 回归正题，金属网屏蔽电磁场原理，（趋肤效应解释波导也有用到，不是重点）。?先说矩形波导，四壁是金属，电磁波在波导中的介质中传播。金属网实际上就是下图中许许多多的矩形波导叠放组合在一起，z方向长度再缩短些就 是了。 ?为何电磁波不会从金属网的窟窿中穿透呢？对于金属网，每一个网孔都是一个波导。借用光的粒子说，电磁波像弹球一样，进入网孔波导后，来回在金属壁上反弹，曲折前进。【2】 ?为满足金属壁这一边界条件下的Maxwell方程，对于相同规格的矩形波导，频率越低（波长越大），theta越大；当波长大于等于截止波长时，theta=90°，电磁波只上下弹跳，不前进了。 ?截止波长=2a（a为上上图中的矩形波导长边），若孔径指半径，孔径=a/2，则波长大于4倍孔径的电磁波就会被屏蔽。“金属网孔形式若为矩形整齐排列，金属网孔径小于电磁波波长的1/4时，则电磁波不能透过金属网”有相当 第38卷第8期 煤炭科学技术 Vol 138 No 18 2010年 8月 Coal Science and Technol ogy Aug . 2010 地质与测量 采空区矿井瞬变电磁法探测技术 占文锋,王 强,牛学超 (北京工业职业技术学院建筑工程系,北京100042) 摘 要:为了查明木城涧煤矿采空区范围及其富水性特征,运用矿井瞬变电磁法对采空区进行探测,探测过程中采集了2组感应磁场强度数据。通过对采集到的数据进行分析和处理,基本上查明了采空区的范围和富水情况。结果表明:采空区内富水性较强,局部地区由于顶板垮落作用,富水性减弱,因而视电阻率呈现不均匀变化。建议在采空区周围留设合适的防水煤柱,以保障周围工作面的安全回采。 关键词:木城涧煤矿;瞬变电磁法;采空区;富水性探测中图分类号:T D745121 文献标志码:A 文章编号:0253-2336(2010)08-0115-03 Tran si en t Electromagneti c Explora ti on Technology to M i n i n g Goaf ZHAN W en 2feng,WANG Q iang,N I U Xue 2chao (D epart m ent of A rchitectural Engineering,B eijing Polytechnic College,B eijing 100042,China ) Abstract:Due t o the water accu mulated in the goaf ofM uchengjian M ine,W est Beijing,a potential danger would be br ought t o the m ine safety .I n order t o detect the goaf scope and watery features,the m ine transient electr omagnetic method was app lied t o the detecti on of the goaf and the t w o gr oup induced magnetic field strength data were collected during the detecti on p r ocess .W ith the analysis and p r ocessing the data collected,the goaf scope and watery conditi ons were basically verified .The results showed that there was high watery in the goaf and in s ome l ocal area of the goaf due t o the r oof collap se,the watery would be reduced .Thus the visual resistivity was inho mogeneously varied .The paper p r oposed that rati onal coal p illars f or water p r oof should be left ar ound the goaf in order t o p r otect the safety m ining of the adjacent coal m ining faces . Key words:Muchengjian M ine;transient electr omagnetic method;goaf;watery detecti on 基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目 (2006CB202208) 1 区域地质背景 北京西山地区位于华北地台燕山台褶带,中生代地壳运动活跃,构造形迹复杂,给该地区煤矿生产增加了难度 [1] 。同时,由于小窑和采空区积水, 给煤矿生产带来安全隐患。矿井瞬变电磁法是近几年来发展起来的在井下巷道内探查其周围空间不同位置、不同形态含水构造的矿井物探方法,有许多其他方法不能比拟的优点,凭借其井下探测的诸多优点,可以有效地探测巷道周围100m 范围内的含富水性情况,已成为煤矿水害探测的最佳选择 [2-3] 。因此,运用矿井瞬变电磁法对采空区进行 富水性探测,可以查明采空区富水带位置。 北京西山地处燕山褶皱带西南段与太行山构造 带东北端阜平隆起交汇处,中生代以来不同地球动力学系统的先后叠加作用,造就了区内多期构造的运动图像,煤系构造变形较为复杂。中生代岩浆活动强烈,晚古生代和中生代煤系除斋堂地区有少量贫煤、瘦煤外,全区均为无烟煤,使其具有较为独特的煤层变形-变质面貌。京西煤田主体构造为北东向至近东西向的复式向斜,以及与褶皱轴向平行的走向断层。由于北北东向和近东西向区域构造线叠加,褶皱多呈短轴状,向斜开阔而背斜紧闭,多伴生逆冲断层。木城涧煤矿位于京西庙安岭—髫髻山向斜南西段东南翼,该向斜总体呈北东向展布,轴迹呈反“S ”形。木城涧煤矿构造形态与向斜南翼基本特征相吻合,构造线大致与地层走向一致,沿NEE 方向平行展布,呈弧形凸出。区内褶皱、断层均发育,以褶皱为主、断层为辅 [4-5] 。 5 11 电磁波屏蔽涂料 随着信息技术的飞速发展，计算机网络、信息处理设备、电子通信设备及各种电器设备作为信息技术的载体已在各个行业广泛应用，特别是电子元件小型化、高度集成化以及电子仪器仪表轻量化、高速化和数字化；电磁信号，由于其易受外界电磁干扰而出现动作失误，从而带来严重后果，因此必须采取各种有效防护措施，才能保障其不受干扰和瘫痪。从电磁信号泄露失密方面而言，无论军事机密或是商业机密，通过电磁波的泄露，都会给相关单位造成极大的损失，为此必须采取相应的屏蔽措施，防止电磁信号泄露和被侦测，以防失密；从预防电磁波污染来讲，现在对各种电磁污染危害的防护已引起环保部门和有关方面的高度重视，屏蔽电磁污染使其限定在一定区域，已成为环保领域最为活跃的研究课题之一。 电磁屏蔽涂料：是一种在化学溶剂中掺人导电颗粒，并能喷涂于 ABS 等工程塑料、玻璃钢、木材、水泥墙面等非金属材料上，对电磁波进行屏蔽的功能性涂料。具有室温固化、附着力强的优点，是手机，显示器、打印机及各类仪表的非金属壳体进行电磁屏蔽最为简便的一种处理方式。 电磁屏蔽涂料由合成树脂、导电填料、溶剂配制而成，将其涂覆于基材表面形成一层固化膜，从而产生导电屏蔽效果。涂覆方法主要采用喷涂、刷涂、浸涂和辊涂等。导电涂料作为电磁屏蔽材料的最大优点是成本低，简单实用且适用面广，使用最多的是银系导电涂料，也是开发最早的品种之一。 目前常用的电磁屏蔽涂料主要是以复合法制得的，它由树脂、稀释剂、添加剂以及导电性填料等所组成。树脂具有粘接性，常用的有环氧树脂、聚氨酯、酚醛、聚酰亚胺、丙烯酸等树脂。使用时可根据其固化条件，耐温、耐磨、硬度、挠曲等要求加以选择，也可将各类树脂混合使用以获得综合性能。稀释剂和添加剂用以降低树脂的粘度，浸润填充物，常用的有甲基溶纤剂、松木油、乙二醇丁醚醋酸酯等，烯释剂一般不采用溶剂型的，以避免发生气泡而降低导电性和粘接性。添加剂用来改进导电胶的性能，如分散剂能使导电填料充分分散，补强剂能增大附着力等。 现有的电磁屏蔽涂料以导电涂料为主，导电涂料中加入的导电性填料一般是金、银、铜、镍等金属粉末和炭黑、石墨等非金属粉末。金粉的导电性最高，化学稳定性好，但价格昂贵，以致使用受到限制。银粉的导电性也很优良，价格较金粉为低，虽然配胶后易沉淀，有“迁移”现象，但还是较为普遍采用。铜、镍的性能与银相近，价格比银低得多，但易氧化，导电性不稳定，配胶的耐久性差。炭黑、石墨粉末作为导电填料，其分散性好，价格低廉，但导电性较差，用作电磁屏蔽是较为理想的材料。 第三节瞬变电磁法（TEM） 一、方法原理 瞬变电磁法是利用不接地回线或接地线源通以脉冲电流为场源，以激励探测目的物感应二次电流，在脉冲间歇测量二次场随时间变化的响应。当发射回线中的电流突然断开时，在介质中激励出二次涡流场（激发极化场），二次场从产生到结束的时间是短暂的，这就是“瞬变”名词的由来。在二次涡流场的衰减过程中，早期以高频为主，反映的是浅层信息，晚期以低频为主，反映的是深层地下信息。研究瞬变电磁场随时间变化规律，即可探测不同导电性介质的垂向分布。 瞬变电磁法的探测深度与回线线圈的大小、匝数有关，线圈越大、匝数越多，探测的深度就越深。 瞬变电磁法的观测是在脉冲间隙中进行，不存在一次场源的干扰，这称之为时间上的可分性，脉冲是多频率的合成，不同的延时观测的主频率不同，相应的时间场在地层中的传播速度不同，调查的深度也就不同，这称之为空间的可分性。由这两种可分性导致瞬变电磁法有以下特点：把频率域法的精确度问题转化成灵敏度问题，加大功率，灵敏度可以增大信噪比，加大勘探深度；在高阻围岩地区不会产生地形起伏影响的假异常；在低阻围岩地区由于是多道观测，早期道的地形影响也较易分辨；可以采用同点组合（同一回线、重叠回线等）进行观测，使与探测目标的耦合最好，取得的异常强，形态简单，分层能力强；线圈点位、方位或接收距要求相对不严格，测地工作简单，功效高；有穿透低阻覆盖层的能力，探测深度大；剖面测量与测深工 作同时完成，提供了更多有用信息，减少了多解性。 二、地球物理前提 由于瞬变电磁法是观测断电后由一次脉冲激励出的二次涡流场随时间的变化规律，二次涡流场随时间的衰减快慢和强弱与被探测介质（道碴、混凝土、岩石等）及介质状态（含水与干燥、完整与破裂）有关，TEM法衰减曲线的变化过程反映了检测点由高频到低频、由浅层到深层的地质信息变化过程。检测的参数是各层规一化的电阻率，对实测的衰减曲线进行反演拟合，绘制地下电性分层及分层的电阻率柱状图，进而以反演拟合曲线为基础，绘制成曲线簇断面图、等值线断面图及电性分级断面图。 TEM法主要用于隧底检测。隧底结构的正常场，一般情况下，干燥的道碴与铺底砼、基岩相比，相对电阻率高、电导率低，铺底砼的电阻率次高、电导率次低，基岩的电阻率相对较低、电导率相对较高，略高于铺底砼。当隧底结构出现异常，有裂损的铺底砼与完好的铺底砼相比，电导率升高、电阻率降低。如果在铺底层与基岩顶面之间有干虚碴层或存在吊空、松散层时，则将出现低电导率、高电阻率层；相反，虚碴层、松散层含水时，则出现高电导率、低电阻率。因此，用TEM法对隧底进行检测后，将实测的衰减曲线进行反演拟合，并以反演拟合为基础，绘制成电性分级断面图等图件，最后结合收集的既有资料（隧底结构图、竣工图、施工开挖地质情况等），对这些图件进行分析解释，提供隧底结构分层（道碴层、铺底层、基岩面、道碴充水充泥段和陷槽段）、有无底板层（含仰拱）、底板层破损段、 矿井瞬变电磁探测技术与应用 岳建华，姜志海 （中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州２２１００８） ［摘要］扼要介绍了矿井瞬变电磁法的发展背景、技术特点、井下施工的装置形式，论述了矿井瞬变电磁法相关理论基础，指出了矿井瞬变电磁法的特点，结合实践说明矿井 瞬变电磁法是一种有着良好应用前景的探测技术。 ［关键词］矿井瞬变电磁法；磁偶源；全空间 ［中图分类号］Ｐ６３１．３＋２５［文献标识码］Ａ［文章编号］１６７２!９９４３（２００６）０５!００７２!０４ ０引言 地质勘查是煤矿水害和煤与瓦斯突出灾害防治工作的第一步。只有准确查明诱发灾害事故的地质因素，掌握和控制地质构造并探明水、瓦斯富集区和地应力集中区的情况，才有可能超前采取措施进行治理，从而避免或减少煤矿灾害事故的发生。目前，我国上百个煤矿开展过矿井直流电法勘探工作，取得了良好的应用效果，但当遇到巷道掘进头超前探测，破碎顶板电极接地困难，巷道极短造成的直流电法难以组织有效施工等问题时，矿井直流电法勘探有其局限性。为此，中国矿业大学资源学院地球探测与信息技术系将瞬变电磁法引入井下［１］，在东部矿区十多对矿井开展了矿井瞬变电磁法的试验、应用工作，中国科学院地质与地球物理研究所白登海［２］等也进行了此类研究。 １瞬变电磁理论发展现状 目前矿井瞬变电磁法应用借鉴的均是地面瞬变电磁法的基本理论，尚未形成自己的理论体系。对于地面瞬变电磁法，西方研究比较完善［３］。在一维层状方面，Ｗａｉｔ给出了均匀层状大地研究理论，Ｈ．Ｆ．Ｍｏｒｒｉｓｉｏｎ提出了层状半空间瞬变电磁场定量解释方法，１９８１年，Ｒａｉｃｈ和Ｓｐｉｅｓ给出了适合于延时、电导率和层深改变的二层均匀大地的理论曲线；１９７９年，Ｍ．Ｎ．Ｎａｂｉｇｈｉａｎ提出了用作解释与反演的“烟圈”理论，１９８２年Ｒｉｇｈｔ提出用Ｇａｖｅｒ－ｓｔｅｈｆｅｓｔ算法进行反演，比用傅里叶变换进行反演更为有效，更为稳定，１９８５年Ｒａｉｃｈｅ提出用共框ＴＥＭ测深数据和对称四极电阻率测深数据进行联合反演。在二维方面，１９８０年Ｋｕｏ和Ｃｈｏ首次用有限元法解时域中的变分方程，求任意二维地电断面的瞬变响应并用中心差分来代替热传导方程中对时间的导数。１９８３年Ｇｏｌｄｍａｎ等引进积分－差分的混合算法，计算了垂直磁偶极子激发下轴对称模型的ＴＥＭ响应。Ｏｒｉｓｔａｇｌｉｏ等在１９８４年用有限差分法计算了二维地电断面，Ｊ．Ｉ．Ａｄｈｉｄｇａａ，在１９８５年用有限差分法计算导电半空间二维体的瞬变响应，并研究了导电围岩和导电覆盖层对ＴＥＭ的影响。Ｇｏｌｄｍａｎ等在１９８４年提出用有限元法解二维地电断面问题，并在１９８６年用有限元法研究了无限长线源激发下，任意二维地电断面的ＴＥＭ响应。在三维方面，Ｈｊｅｌｔ给出了瞬变偶极场中两层球体的似稳态瞬变电磁场解，Ｌｅｅ计算了层状大地中导电球体的ＴＥＭ响应，在１９８１年采用解积分方程的众数匹配法求解，进一步阐明了导电围岩中球体的异常与自由空间中异常的差别。ＳａｎＦｉｌｉｐｏ（１９８５）计算了矩形回线中阶跃电流激发下棱柱体的瞬变电场的数值解。Ｇｕｎｄｅｒｓｏｎ等人在１９８６年研究了三维层状大地的ＴＥＭ响应，同年Ｎｅｗｍａｎ和Ｈｏｈｍａｎ研究了层状大地中三维体的ＴＥＭ响应规律［３］。 对于瞬变电磁法正反演来说，国内的有关研究与报道较少。盛圣圣与牛之琏推导了激励电流为阶跃波的中心回线及重叠回线装置情况下，层状大地的瞬变电磁感应电压的余弦积分表达式，并引入一种线性数字滤波方法来评价这种震荡类型的积分，同时利用所建立的程序库，计算了一维层状大地模型上的瞬变电磁正演响应［４］。丁世荣， 电子与计算机技术 基金项目：高等学校博士学科专项科研基金资助课题（２００５０２９０５０１） 第38卷第9期煤炭学报 Vol．38No．92013年 9月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY Sep． 2013 文章编号：0253－9993（2013）09－1646－05 矿井瞬变电磁法波场变换与数据处理方法研究 程久龙1，邱浩2，叶云涛1，闫国才1，周健1，程丰波1，张珊珊 1 （1．中国矿业大学（北京）煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京100083；2．煤炭科学研究总院矿山安全技术研究分院，北京100013） 摘 要：矿井瞬变电磁法探测电性界面分层的准确性关系到探测地质效果。探讨了瞬变电磁波场 变换理论，提出了矿井瞬变电磁波场变换算法，对实际矿井瞬变电磁数据进行了波场变换，提出了波场变换数据处理及成像方法，实现瞬变电磁剖面到拟地震剖面的转换，达到对电性界面的准确划分。结合矿井顶板岩层富水性探测的工程实例对矿井瞬变电磁波场变换及其数据处理方法的实用性和有效性进行了验证，取得了较好的地质效果。研究表明:矿井瞬变电磁波场变换及数据处理方 法能够提取瞬变电磁数据中所包含的电性界面信息， 解决矿井瞬变电磁法探测在准确确定电性界面方面的不足，突出弱异常进而提高分辨率。 关键词：矿井瞬变电磁法;波场变换;数据处理;拟地震处理;电性界面中图分类号：P631.3 文献标志码：A 收稿日期：2013－05－06责任编辑：韩晋平 基金项目：国家自然科学基金资助项目（51034003， 51174210）；高等学校博士学科点专项科研基金资助项目（20120023110014）作者简介：程久龙（1965—），男，安徽安庆人，教授，博士生导师。E －mail ：JLCheng@126．com Research on wave-field transformation and data processing of the mine transient electromagnetic method CHENG Jiu-long 1，QIU Hao 2，YE Yun-tao 1，YAN Guo-cai 1，ZHOU Jian 1，CHENG Feng-Bo 1，ZHANG Shan-shan 1 （1．State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining ，China University of Mining and Technology （Beijing ），Beijing 100083，China ；2．Mine Safety Technology Branch ，China Coal Research Institute ，Beijing 100013，China ） Abstract ：The detection accuracy of electrical interface by mine transient electromagnetic method （MTEM ）affects the geological surveying results．Authors first discussed the theory of transient electromagnetic field transforming ，proposed the algorithm of mine transient electromagnetic field transforming and calculated wave filed with actual surveying data ，and then created the method of wave-field data processing and imaging ，realized the transformation from mine transient electromagnetic section into pseudo-seismic section and accurate detection of the electrical interface．At last ，the practi-cability and effective of the wave-field transforming and data processing were proved by the actual exploration on the water-containing of coal roof．The conclusion show that the wave-field transforming and pseudo-seismic imaging and data processing can extract the electrical interface information of MTEM and supplement the deficiencies of the MTEM on detecting accurately the electrical interface ，highlight the weak anomalies and improve the resolution and increase exploration accuracy． Key words ：mine transient electromagnetic method （MTEM ）；wave-field transformation ；data processing ；pseudo-seis-mic imaging ；electrical interface 不断频发的煤矿突水等事故成为制约我国煤炭 行业健康发展的关键因素。近几年来地球物理技术在矿井突水灾害探（监）测中发挥了极其重要的作用。时间域瞬变电磁法为近年发展较快的一种地球 物理方法，其在固体矿产勘查、水害防治等勘查领域均有广阔的应用前景和巨大的发展潜力，特别是在煤 矿水害防治领域发挥了关键作用［1］ 。瞬变电磁法勘探因其是体积勘探，含水地质异常体在断面图上通常 低频电磁波的屏蔽一、前言 凡是有电源的地方、有用电设备的地方、几百米内有高压电线的地方、几十米内有地下电缆的地方，甚至只有金属管道和金属梁架的地方，都可能有高达数十以至数百毫高斯的低频电磁干扰。低频电磁干扰的强度变化常常无规律可循，短时间内就会有相当大的上下波动；低频电磁干扰的来源往往难以确定，这样就更增加了屏蔽设计的难度。 二、低频电磁屏蔽与其它屏蔽的差异比较 1、低频电磁场 根据电磁波传输的基本原理，在频率很低的时候良导体中的电磁波只存在于导体表面有“趋肤效应”(波从表面进入导电媒质越深，场的幅度就越小，能量就变得越小，这一效应就是趋肤效应)。 高频电路中，传导电流集中到导线表面附近的现象也有这样的问题又称“集肤效应”。交变电流通过导体时，由于感应作用引起导体截面上电流分布不均匀，愈近导体表面电流密度越大。这种“趋肤效应”使导体的有效电阻增加。频率越高，趋肤效应越显著。当频率很高的电流通过导线时，可以认为电流只在导线表面上很薄的一层中流过，这等效于导线的截面减小，电阻增大。既然导线的中心部分几乎没有电流通过，就可以把这中心部分除去以节约材料。因此，在高频电路中可以采用空心导线代替实心导线。此外，为了削弱趋肤效应，在高频电路中也往往使用多股相互绝缘细导线编织成束来代替同样截面积的粗导线，这种多股线束称为辫线。在工业应用方面，利用趋肤效应可以对金属进行表面淬火。)、磁滞损耗(放在交变磁场中的铁磁体，因磁滞现象而产生一些功率损耗，从而使铁磁体发热，这种损耗叫磁滞损耗。铁磁材料在磁化过程中由磁滞现象引起的能量损耗。磁滞指铁磁材料的磁性状态变化时，磁化强度滞后于磁场强度，它的磁通密度B与磁场强度H之间呈现磁滞回线关系。经一次循环，每单位体积铁心中的磁滞损耗等于磁滞回线的面积。这部分能量转化为热能，使设备升温，效率降低，这在交流电机一类设备中是不希望的。软磁材料的磁滞回线狭窄，其磁滞损耗相对较小。硅钢片因此而广泛应用于电机、变压器、继电器等设备中。)以及反射损耗(反射损耗是指由于屏蔽的内部反射导致的能量损耗的数量，他随着波阻和屏蔽阻抗的比率而变化)都很小，低频电磁波的能量基本由磁场能量构成。所以这时我们所要屏蔽的应该是电磁波的磁场分量(电磁屏蔽的瞬变电磁法的应用
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