第９卷第１期２０１２年１月
ＣＨＩＮＥＳＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
ＧＥＯＰＨＹＳＩＣＳＶｏｌ．９，Ｎｏ．１
Ｊａｎ．
，２０１２文章编号：１６７２—７９４０（２０１２）０１—００４９—０５ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ
．ｉｓｓｎ．１６７２－７９４０．２０１２．０１．０１１矿井瞬变电磁法在超前探测中的应用研究
张 军１，赵 莹２，李 萍１
（１．中国煤炭科工集团西安研究院，陕西西安７１００７７；２．西安大地测绘工程有限责任公司，陕西西安７１００５４
）作者简介：张 军（１９８１－），男，陕西西安人，工程师，主要从事地球物理勘探及研究工作。Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｊ
ｕｎ０１１９＠１２６．ｃｏｍ摘 要：介绍了瞬变电磁法在井下运用的基本原理和该方法在巷道超前探测上的原理、技术、方法及应用。
论述了矿井瞬变电磁技术在探测巷道掘进头前方水的有效性，总结了矿井瞬变电磁技术应用中需注意的若干关键问题。通过实例证明瞬变电磁法可以很好地满足矿井巷道超前预测、预报的要求。在实际工程勘探中，该方法可以准确反映出巷道前方地质体的空间特征，为矿井防治水害提供了依据。
关键词：矿井；瞬变电磁法；巷道超前探测；采空区中图分类号：Ｐ６３１．３
文献标识码：Ａ
收稿日期：２０１１－１１－０９
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｍｉｎｅ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇ
ｎｅｔｉｃＭｅｔｈｏｄ ｉｎ Ａｄｖａｎｃｅｄ
ＤｅｔｅｃｔｉｏｎＺｈａｎｇ
Ｊｕｎ１，Ｚｈａｏ Ｙｉｎｇ２，Ｌｉ Ｐｉｎｇ１
（１．Ｘｉ′ａｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ ＣＣＴＥＧ Ｃｏｒｐ，Ｘｉ′ａｎ，Ｓｈａｎｘｉ ７１００７７，Ｃｈｉｎａ；２．Ｘｉ′ａｎ Ｄａｄｉ Ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ Ｍａｐｐｉｎｇ Ｐｒｏｊ
ｅｃｔ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｘｉ′ａｎ Ｓｈａｎｘｉ ７１００５４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｒａｎ－ｓｉｅｎｔ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｍｅｔｈｏｄ ｉｎ ｍｉｎｅ ｒｏａｄｗａｙ ｌｅａｄｉｎｇ ｐｒｏｓｐｅｃｔｉｎｇ．Ｔｈｅｎ ｉｔ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｍｉｎｅ ＴＥＭ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｇｏｂ ｗａｔｅｒ ａｈｅａｄ ｏｆ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ．Ｉｔｃｏｎｃｌｕｄｅｄ ｓｅｖｅｒａｌ ｋｅｙ
ｉｓｓｕｅｓ ｗｈｉｃｈ ｒｅｑｕｉｒｅ ｎｏｔｉｃｅ ｉｎ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｉｎｅ ＴＥＭ．Ｐｒｏｖｅｄｂｙ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ，ＴＥＭ ｉｓ ａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｗａｙ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒｅｑｕｅｓｔ ｏｆ ｍｉｎｅ ｒｏａｄｗａｙ ｌｅａｄｉｎｇ ｐｒｏｓｐｅｃ－ｔｉｎｇ．Ｉｎ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅ ｓｐａｔｉａｌ ｆｅａｔｕｒｅ ｏｆ ａｎｏｍａｌｙ ｂｏｄｙ ｃａｎ ｂｅ ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ ｅｘａｃｔｌｙ ｕｓｉｎｇ
ｔｈｅＴＥＭ ｉｎ ａｄｖａｎｃｅｄ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，ｔｈｕｓ ｉｔ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｍｉｎｅ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ．Ｋｅｙ
ｗｏｒｄｓ：ｍｉｎｅ；ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｍｅｔｈｏｄ；ｒｏａｄｗａｙ ｌｅａｄｉｎｇ ｐｒｏｓｐｅｃｔｉｎｇ；ｇｏｂ１ 引 言
在煤矿开采过程中经常会碰到一些较大的灾害性地质构造，如断层破裂带、裂隙发育区、岩溶、陷落柱及其伴生构造等，不仅破坏了煤层的连续性，
还可能诱发矿井突水、瓦斯突出、冒顶等事故，给煤矿的安全生产造成严重威胁［１］
。因此，超前
预测巷道前方地质构造具有非常重要的意义。矿井瞬变电磁法是近年来发展起来的在煤矿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之一，其凭借体积效应小、方向性强、分辨率高、对低阻区敏感等一些优点，已成为煤矿水害探测的最佳选择方法。传统的钻探方
工程地球物理学报（Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃｓ） 第９卷
法虽然准确，但其效率低、成本高，很难圈定富水区范围，并且具有很强的盲目性。而矿井瞬变电磁超前探测可以高效、准确地探测巷道迎头前方赋水状态，可以提高煤矿生产效率，缩短巷道掘进所花费的时间，节约成本［２～７］。根据矿井巷道复杂的探查环境，选择矿井瞬变电磁法进行超前探查。实践表明，矿井瞬变电磁法对掘进巷道前方构造具有较好的探查效果。
２ 方法原理
２．１ 瞬变电磁法基本理论
瞬变电磁法又称为时间域电磁法（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。通过研究二次涡旋电磁场的时空分布特征，来解决诸如寻找地下矿产，探测地质构造，划分地下富水区等地质问题。其基本工作方法是：在地面或空中设置发射线圈，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。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。
２．２ 矿井瞬变电磁法理论
矿井瞬变电磁法的基本原理与地面瞬变电磁法基本一致。不同的是矿井瞬变电磁法是在井下几百米深的巷道内进行的，瞬变电磁场呈全空间分布，这时的瞬变响应为全空间响应。由“烟圈”理论来看，早期瞬变电磁场是由距离发射线框较近的巷道围岩介质的感应电流产生的，可以反映近距离的电性分布；晚期瞬变电磁场是由距离发射线框相对较远的围岩介质的感应电流产生的，可以反映远距离的电性分布，因此应用矿井瞬变电磁仪记录不同瞬变延时ｔ的感应电动势，经过处理便可以得到巷道围岩由近及远的电性分布情况［８～１０］。
矿井瞬变电磁法在忽略巷道空间的影响下，可以理解为线圈被整个大地给“包”了起来，所以在线圈的两侧都会产生“烟圈效应”，其响应特征为全空间电磁响应，如图１所示
。
图１ 全空间瞬变电磁场的传播
Ｆｉｇ．１ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ｉｎ ｓｐａｃｅ ｗｉｄｅ
在探测时令线圈法线方向对准要探测的目的方向，在发射线圈中通以阶跃电流，然后利用接收线圈测量感应二次场。通过接收到的二次场的感应电动势随时间的变化特征，就可以了解在探测范围内的目的方向介质的电磁性质变化规律，通过对数据的解释处理进而确定探测方向的地质情况，如果有异常就可以确定其空间位置、异常体大小等，为煤矿的生产提供地质依据，保证煤矿的安全生产。
矿井瞬变电磁测量装置接收回线中的感应电动势为巷道周围空间有效探测范围内所有介质岩层电性特征的综合响应。因此，矿井瞬变电磁视电阻率为全空间岩层电性特征的综合响应，视电阻率的计算公式［１１］演化为：
ρτ＝Ｃ×
μ０
４πｔ
×
２μ０ＳＮ
５ｔ Ｖ／
（）
（）
Ｉ
２
３
＝Ｃ×６．３２×１０－１２（ＳＮ）２／３（Ｖ／Ｉ）－２／３ｔ－５／３
式中：Ｃ为全空间响应系数；Ｓ为接收回线线圈面积；Ｎ为线圈匝数；ｔ为二次场衰减时间；Ｖ／Ｉ为接收的归一化二次场电位场值。该公式是在地面瞬变电磁数据处理的基础上加上全空间相应系数，使其演化为全空间视电阻率公式。
３ 矿井瞬变电磁法影响因素分析
矿井瞬变电磁法测量环境位于井下巷道内，矿井瞬变电磁法除了其电磁响应为全空间场外，还具有回线组合的尺寸比地面小得多（一般为２ｍ
０５
第１期 张 军等：矿井瞬变电磁法在超前探测中的应用研究
左右），加上井下铁轨、工字钢支护、锚网支护和运输皮带支架等人文设施的影响，使得矿井瞬变电磁超前探测比地面复杂得多。其对数据的采集工作影响很大，必须对这些人文设施产生的噪声影响进行处理，以便得到准确的数据，从而进行数据的处理解释。以下针对矿井瞬变电磁法测量中的各种噪声进行分析，并提出瞬变电磁响应特征和处理方法，为数据采集工作提供一定指导。３．１ 铁轨对瞬变电磁影响分析
巷道探测采用偶极方式，发射框和接受框位于巷道铁轨同一侧距离较近和无铁轨方式比较。在巷道底板探测中，距离轨道的远近对实际测量结果有着很强的影响。
３．２ 工字钢、锚网对瞬变电磁影响分析
锚网支护属于巷道常见的一种支护方式，巷道探测时线框平行于巷壁。探测时对比巷道金属锚网支护和不受电磁影响的简易木支护。巷道侧向探测时锚网由于单位体积较小对探测影响较小，在实际应用时甚至可以忽略不计。
３．３ 金属管路对瞬变电磁影响分析
由于井下排水的需要，管路常采用侧挂方式排列在巷道帮壁，对现场的探测影响较大。由于测量时线框距离管路较近，其对探测影响主要集中在浅部。
通过分析，影响井下瞬变电磁法超前探测中主要人文设施有：①巷道的铁轨；②工字钢支护；
③锚杆、锚网支护；④运输皮带支架等各种金属设施。这些金属设施在井下瞬变电磁法探测中能产生很强的瞬变电磁响应。因此，系统研究井下瞬变电磁超前探测中各种噪声的瞬变电磁响应特征，对矿井瞬变电磁法数据采集、资料处理和解释工作有着重要的实际意义。
巷道内铁轨、锚网支护、运输皮带及各种电缆在瞬变电磁中是一种低阻响应，使得实测视电阻率减小几个数量级，但此类影响在测线方向往往是均一的，可作为一种背景异常进行校正。对于巷道内的其它孤立的金属机电设备（如变压器、电机、密集钢梁支护等），在实测时偏移测点位置尽量避开，同时做好记录，以便在资料解释时排除和校正此类影响。
４ 矿井瞬变电磁法施工方法由于受巷道空间所限，装置采用多匝小回线，线圈边长２～３ｍ，通过增加线圈匝数的方法来加大发射磁矩与有效接受面积，以满足探测深度的要求。线圈的法线方向可视为探测方向。在井下施工过程中，可以通过调整线圈与巷道顶、底板之间的角度改变线圈法线的指向，获取不同方向上的地电信息。探测方向如图２所示
。
图２ 矿井瞬变电磁超前探测测点布置及探测范围
Ｆｉｇ．２ Ｐｏｉｎｔ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ ｏｆ ＴＥＭ ｉｎ ａｄｖａｎｃｅｄ
ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ＆ｅｘｐｌｏｒｅｄ ａｒｅａｓ
井下实际探测过程中，根据测量要求确定测量点距，根据要求对异常区段可以加密探测，采用多匝线框进行探测，发射线框和接收线框匝数不等，线框对准要探测的目的岩层方向，根据勘探任务的需要和巷道实际情况，改变线框的大小和匝数，可以探测不同的深度，利用瞬变电磁仪与线框相接，对数据进行自动收集和记录、存储。４．１ 测线、测点布置
本次探测测点间距为０．５ｍ，实际测量时，为了在巷道内探测到工作面顶板岩层内富水区域，采用多匝线框（图２），发射线框和接收线框分别为匝数不等且完全分离的两个独立线框，以便与地下（前方）异常体产生最佳耦合响应。测线分别布置在巷道迎头，共完成４个物理点探测。４．２ 资料解释与处理
瞬变电磁法勘探资料的基本处理过程是：解释数据整理、数据预处理；数据转换与计算；视电阻率换算；时深转换；绘制成果图；异常确认；根据地质及水文资料进行综合解释。
瞬变电磁法勘探资料的解释需结合已知的地质、钻探和水文等资料。在具体解释中还需做到：①人工解释与计算机解释相结合；②垂直断面与水平切面解释相结合；③电性解释与综合地质分析相结合。
１
５
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Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃｓ） 第９卷
图３ 矿井瞬变电磁超前探测方向示意Ｆｉｇ．３ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｒｏａｄｗａｙ
ｔｏ ｄｅｔｅｃｔ ｔｈｅ
ｄｉｒｅｃｔｉｏ
ｎ图４ 瞬变电磁法数据解译过程Ｆｉｇ．４ ＴＥＭ ｄａｔａ ｉｎｔｅｒｐｒｅｔｉｎｇ
ｐｒｏｃｅｓｓ５ 应用实例
５．１ 地质概况
矿井属于石炭二叠纪煤田，区内地势平坦。地层自上而下依次为第四系、第三系、二叠系、石炭系、奥陶系。第四系主要为浅黄、褐黄色松散的黏土夹砂层。第三系以黏土为主，上部夹砂层，下部夹钙质黏土等。二叠系为含煤地层之一，主要由泥岩、砂岩及煤层组成。石炭系主要由砂岩、泥岩、灰岩及煤层组成。奥陶系以石灰岩、泥灰岩、白云质灰岩为主。
采区构造复杂，开采难度较大。第三系的淡水灰岩超覆于寒武系、石炭系、二叠系地层之上。其它地层均为第四系黏土层覆盖。
５．２ 水文地质条件
由于工作面煤层埋藏较深，一般不受海水和第四系含水层影响，主要是受煤系地层含水层以及奥陶系灰岩水影响。本次瞬变电磁勘查重点是要查明巷道掘进前方含水层和泥岩、泥灰岩互层含水层中的富水区域对巷道掘进的影响。５．３ 地球物理特征
在原生地层状态下，不同地层的导电性特征在纵向上固定的变化规律，而在横向上相对比较匀一。当断层、
裂隙和陷落柱等地质构造发育时，无论其含水与否，都将打破地层电性在纵向和横向上的变化规律。这种变化规律的存在，为以岩
石导电性差异为物理基础的矿井瞬变电磁法探测提供了良好的地质条件。当存在构造破碎带时，如果构造不含水，则其导电性较差，局部电阻值增高。如果构造含水，其导电性好，相当于存在局部低电阻率值地质体。
巷道掘进过程中的主要水源是砂岩水。不含水的砂岩在电性上表现为高电阻率特征，如果砂岩裂隙发育且含水，那么在岩层裂隙发育、断层或裂隙带附近导电性增强，
视电阻率明显降低。据此，通过探测岩层的电阻率及其在空间上的变化规律并结合具体地质情况综合分析便可确定岩层的水文地质特征，这是矿井瞬变电磁法探测工作面含水性的物理基础。５．４ 探测结果
使用多匝重叠小回线装置形式，线圈匝数为
２０匝，线圈边长２ｍ，
根据井下防爆要求，发射电流采用２Ａ，关断时间约１．５ｍｓ，６４次叠加，进行了顺层方向的探测。探测结果如图５所示。横坐标、纵坐标为从掘进头始的超前探测距离。超前
探测距离公式［
１２］
为：ｈ＝０．５５
Ｍρ１（）
η１／５
其中：Ｍ为发送磁矩；ρ１为表层电阻率；η为最小可分辨电压。由上式可知，瞬变电磁的探测深度与发送磁矩、覆盖层电阻率及最小可分辨电压有关。此式为野外工程中常用来计算探测深度的公式。
多匝重叠小回线装置形式发射电流关断时间过长，产生一定范围的盲区，近距离信息无法分辨。从图５可以看出，距离迎头正前方５０～７５ｍ，距离右侧侧帮２５～５０ｍ范围内，视电阻率值降低；距离左侧侧帮３０～５５ｍ，距离迎头４５ｍ范围
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第１期 张 军等：
矿井瞬变电磁法在超前探测中的应用研究图５ 掘进头超前探测视电阻率断面
Ｆｉｇ．５ Ａｐｐａｒｅｎｔ ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｌｅａｄｉｎｇ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｈｅａｄ ｏｆ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ
ｏｆ ｔｈｅ ａｉｒｗａｙ内，视电阻率值降低，表明该范围内岩层电性发生变化。结合地质资料，推测该范围为老窑积水区。在掘进头继续向前掘进时顺煤层打钻，钻孔涌水，证明该范围确为积水区，探测结果得到了较好验证。
６ 结 语
通过实例，可以看出瞬变电磁法探测深度相对较大，施工方便、工作效率高及地质效果好，能够适应目前矿井水文地质勘探工作要求。矿井瞬变电磁法在井下巷道超前探测方面具有很多优点，特别是可以在狭小的巷道迎头空间中工作和数据采集效率高，不影响煤矿巷道的正常掘进，是其它方法所不具备的。该方法可有效地预测巷道掘进迎头前方的含水异常，可提前预报前方断层及破碎带、裂隙发育区、岩溶、陷落柱等构造的赋水性，保障了巷道的安全、快速掘进。但是我们也应看到，要实现瞬变电磁法在这个领域的成熟应用，还需要一段过程。这就需要我们对瞬变电磁法的理论和资料处理进行更深入的研究和探索，从而更好地为矿井水文地质勘探工作服务。参考文献：
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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
瞬变电磁原理、仪器及应用
第1章绪论 (1) 1.1 瞬变电磁法发展概况 (1) 1.2 瞬变电磁探测方法的特点及应用领域 (2) 第2章瞬变电磁法探测原理 (4) 第3章ATEM-II瞬变电磁探测系统 (7) 3.1 ATEM-II瞬变电磁发射机 (7) 3.2ATEM-II瞬变电磁接收机 (10) 第4章瞬变电磁响应分析 (17) 4.1各向同性水平层状大地上回线源的瞬变电磁响应 (17) 4.2均匀大地表面上大回线源在地表形成的瞬变电磁场 (17) 4.3中心回线下的隐伏球体的响应特征 (18) 4.4中心回线下的隐伏无限延伸的水平圆柱体的响应特征 (20) 4.5导电围岩中的局部导体瞬变电磁响应 (20) 第5章瞬变电磁野外工作方法 (22) 5.1 回线组合选择 (22) 5.2 发射电流的选择 (24) 5.3 发射脉冲宽度的选择 (25) 5.4 关断时间的影响 (26) 5.5 发射边长的选择 (27) 5.5 接收最早取样时间的选择 (29) 5.7 接收线圈的频率选择 (30) 第6章瞬变电磁探测的数据处理与成图 (31) 6.1数据质量判别 (31) 6.2 数据处理 (33) 6.2.1 平滑滤波 (33) 6.2.2 近似对数等间隔取样 (34) 6.3 基于“烟圈”理论的一维快速反演 (37) 6.4 数据成图 (40) 第7章 ATEM系统野外应用 (42) 7.1 长春秦家屯模型验证研究 (42) 7.2 长春伊通河活断层勘察研究 (44) 7.3 内蒙正镶白旗水源勘察 (45) 7.4 安徽铜陵矿山接替资源勘探 (49) 7.5 浙江舟山连岛工程探测 (52)
瞬变电磁法在地质勘探中的应用 姓名：杨帅班级：资工803 学号：20081338 摘要:在地下水勘查工作中,用常规物探方法难以划分地层的结构、确定断裂构造的位置、查明基岩面的起伏形 态及判断地下水的赋存状况。通过瞬变电磁法(TEM)勘测并结合钻孔资料分析,对上述地质问题有了一些突破性 的认识,证明了瞬变电磁法在勘查工作中的有效性。当地下存在电性不均匀体时,通过瞬变电磁法会观测到电性 不均匀体的涡流异常场,进而推断矿体、地下水、地质构造等地下盲体的存在和部位。依据此特征成功地将瞬变电 法在探测中进行了应用。 关键词:瞬变电磁法;视电阻率;等值线;地下水勘查 0前言 随着我国国民经济快速发展,对能源的需求日益增大。 煤炭是我国目前主要能源之一,在煤矿生产和建设中,地质 构造直接影响煤矿生产安全生产和建设的重大灾害之一。 由于瞬变电磁法易于加大勘探深度,具有分辨能力强、工作效率高、受地形影响小等特点,近几年越来越受到人们的重视,被广泛用于油气田、地热、煤炭以及地下水勘查等领域。可以借助被探测地质体所产生的瞬变效应来划分地层结构、确定地质构造的位置、查明基岩面的起伏形态及判断地下水的赋存状况。 1勘探区概况 勘探区位于太行山西麓,沁水煤田东北部边缘中段, 地表部分面积被黄土覆盖,仅在工区内有部分基岩出露, 其它部分地段基岩出露。根据周边出露及揭露地层由老到 新有奥陶系中统峰峰组、石炭系中统本溪组、上统太原组、第四系。
该区的电性特征:第四系多由黄色、红棕色、褐色亚 粘土及砂土组成,不整合于各时代地层之上。厚度不大, 导电性能强,整个新生界松散层及地表强风化岩层从全区 资料对比来看均呈相对中低阻反映。 二1煤层顶板大占砂岩裂隙较发育,含有裂隙水,是煤层顶板直接含水层。采掘使煤层顶板岩层变形、破坏,形成冒落带、裂隙带和弯曲变形带。区内顶板砂岩虽厚度大、且较稳定,裂隙亦较发育,但由于其上被多层砂质泥岩、泥岩隔水层所分割,补给和储存条件均较差,富水性弱。因此煤层顶 板砂岩孔隙裂隙水常以滴水、淋水的形式进入矿井,很少形成突水。由于砂岩赋水的不均一性,在其富水区及导水裂隙密集带,顶板砂岩会形成突水,但突水量一般不会太大。3·2导水通道 充水通道主要有断裂导水通道、煤层顶板采动裂隙通 道、煤层底板采动裂隙通道、废弃井筒、巷道等。矿区覆盖层 沉积厚度不大,前部裂隙和开采后的塌陷为上部煤层开采充足水通道;局部断层2侧岩层裂隙发育带,为矿井的主要充 水通道;煤层开采后,地质条件发生变化,断层带的稳定性遭 受破坏,可成为矿井的充水通道;区内勘探阶段封闭不良的 钻孔和废弃井筒也可成为矿井的充水通道。 4结论 (1)主要含水层为碳酸盐类岩溶裂隙含水层、碎屑岩类 孔隙裂隙含水层和松散岩类孔隙含水层。 (2)韩庄矿的充水水源主要为煤层顶底板砂岩裂隙水、 沿裂隙通道入渗的第四系松散孔隙水、太原组岩溶裂隙水和寒武系岩溶裂隙水,老窑水为主要威胁水源。 (3)充水通道为断层带裂隙发育及采空塌陷带。 参考文献: [1]房佩贤,等.专门水文地质学[M].北京:地质出版社,1996. [2]杨孟达,等.煤矿地质学[M].北京:煤炭工业出版社,2000.
XX集团XX煤业有限公司物探报告XXX超前探瞬变电磁法物探实验报告 [请输入公司名称] [请输入公司地址] 2013年8月9日
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前言 在巷道适当位置采用矿井瞬变电磁探测技术进行探测，依据矿井水文地质地质资料，探测XX顺槽迎头超前探瞬变电磁法探测150m范围内含水情况，为布置探防水钻孔设计提供依据。 一、物探勘探任务及目的： 1）基本测线3条，每条测线11个物理点，总计33个物理点。图示箭头的位置为探测区域。（米。） 2）探测为XX轨道顺槽迎头低阻体异常及分布范围。 3）分析测区内含水构造形态、水力联系。 4）对测区内煤层开采或水害治理提供物理探测技术依据。 5）为布置探防水钻孔设计提供依据。 二、工作布置与工作量、技术措施及质量评述 1．本次矿井瞬变电磁法勘探试验施工布置与工作量，沿迎头，布置测线3条（斜向上45°、顺层方向、斜向下45°方向），通过移动发射接收线圈，形成3条测的实测剖面。 2．施工技术措施，矿井瞬变电磁法勘探装置类型采用重叠回线组合装置，边长1.5m 的激发和接收正方形线圈，激发线圈匝数4匝，接收线圈匝数40匝。供电电流档为50A，供电脉宽10ms，采样率16μS。每个测点至少采用30次叠加方式提高信噪比，确保了原始数据的可靠性。 3．质量评述本次矿井瞬变电磁法勘探试验数据采集，严格按《瞬变电磁法技术规程》《电阻率测深法技术规程》执行，并通过加大发射功率的方法增强二次场，提高信噪比等方法，保证了本次试验的数据采集，从而保证了施工质量。 三﹑矿井瞬变电磁法勘探资料处理与解释 1．矿井瞬变电磁法勘探资料处理与解释基础 本次物探资料的解释工作是在条件试验基础上，采取由已知到未知，由点到线，由
2012年第4期 doi:10.3969/j.issn.1672-9943.2012.04.007 能源技术与管理矿井瞬变电磁超前探测盲区的研究和应用 贾树林 （三元集团王庄煤业，山西长治047100） ［摘要］矿井瞬变电磁探测在煤矿超前探测中广泛应用，一般现采用的边长为2m 的小线 框，其探测盲区为25m 左右，瞬变电磁超前探测方便、快速，一般井下施工时间约为15min ，不耽误煤矿掘进速度。若采用1m 多匝小线框，其探测盲区会大大缩小，其最大探测深度也会变小，但是若两种装置重复探测，就可以使盲区变小，最大探测深度不变，而且施工时间增加10min 左右。这样将更准确提供较全面的迎头地质情 况。通过某矿一个超前探测， 做了进一步验证，说明两种线框重复探测具有实用价值。［关键词］矿井瞬变电磁；探测深度；盲区；超前探测；煤矿 ［中图分类号］P631.3［文献标识码］B ［文章编号］1672-9943(2012)04-0015-02 1瞬变电磁最小最大探测距离分析 1.1最小探测深度分析与计算 不同的煤层电阻率值和不同线圈大小自感信号的穿透距离不同，最小探测距离为最早可识别有用信号的穿透距离。线框边长越大，煤层电阻率越高，瞬变电磁可探测的最小距离大，即瞬变电磁法的“盲深度”大；线框边长越小，煤层电阻率越小，瞬变电磁可探测的最小距离大［1］。 计算最小探测深度h min 计算公式：h min =t min ·ρ 姨式中，t min 为最小可分辨时间，s ；ρ为表层视电阻率，Ω·m 。最小可分辨时间一般可以从采集的电动势单支曲线判断出来，如图1、2所示。不同线框(不同磁矩)，其最小可分辨时间不同，即最小探测深度不同。一般煤层的电阻率为410Ω·m 。由此计算的边长1m 、发射10砸、接收10砸的线框最小探测深度为12.4m ；边长2m 、发射40砸、接收60砸的线框最小探测深度为28.8m 。 图1边长1m 、发射10砸、接收10砸线框电动势单支 曲线 图2边长2m 、 发射40砸、接收60砸线框电动势单支曲线 1.2最大探测深度分析与计算 增加发射电流或增加发送线框边长,即增加发射磁矩,就可增大探测距离。同样,煤层的电阻率大探测距离也大,这是因为电磁场在高阻介质 中传播时,介质的吸收小,因此传播的距离较远。 计算最大探测深度h 计算公式：h =0.55 M ρ1 η 姨姨 1/5 式中，M 为发送磁矩，A ·m 2；ρ1为表层电阻率，Ω·m ；η为最小可分辨电压，一般为0.2~0.5nV/m 2。它的大小与目标层几何参数、物理参数和观测时间有关。瞬变电磁的探测深度与发送磁矩、覆盖层电阻率及最小可分辨电压有关。 两种不同边长，不同砸数的线框最大探测深度理论计算不太准确，需要在工程应用中总结。 2矿井瞬变电磁探查技术 2.1测量装置 基于煤矿巷道空间限制，不能采用地面常用 15
瞬变电磁法在探测地下溶洞中的应用 【摘要】：介绍了瞬变电磁法应用于工程地球物理勘探的进展情况及应用效果，通过对实际探测资料的分析，论证了瞬变电磁法应用于工程地球物理勘探的可行性和有效性。 关键词：瞬变电磁法；地球物理勘探;地下溶洞 [ abstract ] : this paper introduces the development situation and the application result of transient electromagnetic method is applied to the engineering geophysical exploration, based on the analysis of the actual detection data, demonstrates the feasibility of transient electromagnetic method is applied to the engineering geophysical exploration and effectiveness. key words: transient electromagnetic method; geophysical exploration; karst cave 中图分类号：p624 文献标识码：文章编号：2095-2104（2013）1-0020-02 1引言 瞬变电磁法（tem）近几年来在国内外得到迅速发展，在金属矿勘探、油气田勘探和煤田勘探等勘探中得到广泛应用。并且它正开始步入工程勘察、地下水及地热勘察的行列中。为了研究 tem 法在地下空洞勘察中的有效性，几年来进行了大量的试验研究工作。
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
第35卷第3期物 探 与 化 探Vol.35,No.3 2011年6月GEOPHYSICAL&GEOCHEMICAL EXPLORATION Jun.,2011 矿井瞬变电磁超前探测数据处理与显示技术 廖俊杰1,于景邨1,2,胡兵1,刘振庆1 (1.中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏徐州 221116;2.深部岩土力学与地下工程国家重 点实验室,江苏徐州 221116) 摘要:矿井瞬变电磁法是有效探查巷道迎头赋水性情况的矿井物探方法之一。快速处理数据和显示成图可以促进矿井瞬变电磁法在井下探查工作中发挥更大的优势。根据井下巷道迎头超前探测的工作装置和探查技术,介绍了超前探测数据处理与显示成图的操作步骤,实现了成果数据的坐标转换,生成了更加直观的与实际探测区域吻合的扇形图。 关键词:矿井瞬变电磁法;井下超前探测;显示成图技术 中图分类号:P631 文献标识码:A 文章编号:1000-8918(2011)03-0423-04 矿井瞬变电磁法是在煤矿井下巷道内探查周围空间不同位置、不同形态含水构造的矿井物探方法之一。它是一种时间域的电磁勘探方法,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[1]。如何快速处理数据和显示成图成为矿井瞬变电磁法发展中的重要环节。传统的矩形成图方法[2]使探测区域深部压缩、浅部拉伸,导致异常区域产生变形,并且矩形成图采用相对距离,给异常区域位置的确定带来较大的误差,这些都给资料解释带来了一定的难度。而扇形成图方法中,其横坐标为以巷道中点为中心点向两侧伸展到巷道的实际宽度,纵坐标为相对于巷道迎头的实际探测距离,各测点测量的不同深度的视电阻率值分布在实际平面位置,将视电阻率等值线图绘制成扇形,与实际探测区域基本吻合,能够更加直观地反映异常区域的位置,从而提高矿井瞬变电磁法超前探测资料的解释精度[3],为矿方工作人员提供更加清楚易懂的资料。 1 超前探测数据处理 超前探测主要是在巷道迎头利用直接或间接的方法向巷道掘进方向进行探测,探测前方是否存在地质构造或富水体及导水通道,为巷道的安全掘进提供详细的地质资料[4]。应用矿井瞬变电磁法超前探测技术在井下通过仪器采集到的数据需要进行相应的处理。矿井瞬变电磁法数据处理与解释系统是一款针对矿井特殊的强干扰环境,集处理、解释功能为一体的瞬变电磁软件。该软件能够针对井下瞬变电磁测量的超前探测数据进行简便快捷的处理,生成成果图。 用矿井瞬变电磁法数据处理与解释系统进行超前探测数据处理的过程,主要包括数据预处理、生成断面文件、时深转换、深度校正以及超前探测坐标转换等步骤,完成这一系列步骤后,即可在Surfer中进行断面图绘制。 1.1 数据预处理 矿井瞬变电磁法超前探测井下采集的数据必须经过相应的预处理方可正常进入处理流程。数据预处理子模块能够读取井下采集的原始数据文件 (SIR格式、TXT格式和GX7格式),计算各回线装置的视电阻率,以DAT格式把各单点电位、视电阻率数据保存在当前目录中;显示电流、窗口、时间序列、Tx面积、Rx面积等基本参数,为进一步处理作准备(图1)。 操作步骤如下:①根据所用瞬变电磁仪,选择仪器类型(TerraTEM、SIROTEM?3、PROTEM47HP);②从SIR格式、TXT格式和GH7格式中选择相应的文件类型;③打开原始文件,保存文件中电位文件前缀为“U”,电阻率文件前缀为“R”;④点击“执行”,待数据预处理完毕后,点击“返回”。其中日期、平均电流等基本参数自动从原始文件中获取。 收稿日期:2010-04-10 基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)项目资助(2007CB209400)
《地球探测与信息技术基础》 课程作业 题目：瞬变电磁法在地球勘探上的应用 姓名：周桥立 班级：064101 学号：20101003648 授课教师：胡祥云 2013 年 04 月 20日
摘要 瞬变电磁法是近年来电法勘探领域一种重要方法，是根据地壳中岩石或者矿体的导电性及介电性等电学性质的差异，研究电磁场的空间或时间分布规律，从而解决各种地质问题。目前已经发展为探测油气、金属和非金属矿产的一种重要方法，并且在深部地质构造研究、工程勘察、油气、矿产、水、地热勘探等领域得到广泛应用。
目录 1．概述 (4) 2. 瞬变电磁法 (5) 3．正演问题的研究 (8) 4．瞬变电磁勘探的应用 (12) 5．总结 (14) 参考文献 (15)
一、概述 电磁场理论的应用已经遍及地学、生命科学、医学、空间科学、信息科学等几乎所有的技术科学领域,同时这些工程技术领域对电磁理论研究也不断地提出各种新的要求. 电磁法勘探是基于研究电磁波在导电介质中传播特性,从而达到研究地下地质体赋存特性的目的. 通过天然或人工场源在大地中激励的交变电磁场,研究电磁场的空间和时间分布,分析观测到的磁场信号,得到地下目标体的电性分布特征的一种地球物理方法。 瞬变电磁测深法( Transient elect romagneticmet hod ,简称TEM) 是电磁法勘探中应用较广的一种,是近年来在工程地质勘察中普遍应用的时间域电磁探测方法. 它是利用阶跃波或其它脉冲电流场源激励,在大地产生过渡过程场,断电瞬间在大地中形成涡旋交变电磁场,测量这种由地下介质产生的二次感应电磁场随时间变化的衰减特性,从测量得到的异常信号中分析出地下不均匀体的导电性能和位置,从而推断矿体、工程基础、地下水、地质灾害、工程病态等地下目标体的分布性态. 该技术具有灵敏度高、分辨率强、探测深度大、灵活多变适应性强以及轻便、快速、廉价诸多优点,近年来发展十分迅猛,应用前景十分广阔. 目前,瞬变电磁法已经成为地球物理探测领域内的重要方法之一. 已广泛应用于水利、交通、城建、环保、考古等部门. 成功地解决了大量实际问题。 近年来，计算机技术的进步使瞬变电磁法的二维与三维正演模拟计算方法得到了迅速的发展，目前常用的有有限元法、有限差分法和积分方程法等。瞬变电磁法的三维正演模拟受到科学工作者的重视，深入研究三维瞬变电磁法以提高其应用水平和解释精度，具有重要的理论和现实意义。
瞬变电磁法 1、概述 顺便电磁法（TEM）属于时间域电磁法，它是的原理是根据地壳中岩石或者矿体的导电性及介电性等电学性质的差异，以不接地的回线或者是连接地线通上脉冲电流为场源，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，有一个瞬变的过程。可以通过判断和分析二次的时空变化特征，来判断地下地质体的电性特征，找出其位置，产状和埋深等特征。具有可以同时的具有时间和空间的可分性、探测深度达、分辨率高、信息丰富等优点。近几十年来，我国科学技术快速进步，经济迅猛发展，各项基础建设稳步展开，对于各种矿产资源、能源、地下水资源等的需求快速增加。同时，各项建设中遇到了许多工程问题，如公路建设中的地下空洞、煤田开采中的陷落柱、隧道开挖中的突水问题等等。这些因素在一定程度上制约着我国经济的发展，而顺便电磁法的出现，利用其测量方面的优势，已经发展成为探测油气、金属和非金属矿产的一种重要方法，并且在深部地质构造研究，工程勘察、油气、矿产、水、地热勘探等领域得到了广泛的应用。可以很好地保证资源供给，减少经济损失，加快建设进度。 2、研究现状 2.1、研究历史 对勘测工程工作的种种困难，把瞬变电磁法应用到地质勘探中的想法在上世纪30年代就有人提出来。最初的时域电磁法是利用到了L.W.Blan在1993年获得专利，用电磁脉冲激发提供电偶极形成电场。随后在前苏联有人提出了瞬变电磁测深法。在50年代，前苏联、加拿大、美国等国已经开始就瞬变电磁法的理论与应用技术进行了深入的研究，同时期由J.R.Wait 提出了使用瞬变电磁场法寻找导电矿体的理念。前苏联也基本已经建立了瞬变电磁法与野外施工的技术方法，更在70、80年代开展了大量的测量工作，特别是在二维和三维测量的方面就有了很大的进步，这使的瞬变电磁法在地质勘探上运用有了很大的发展。随着计算机的发展，西方各国在瞬变电磁法的二三维正演模拟方面也取得很大的成就。 我国于20世纪70年代研究TEM法。长春地质学院地矿部物化探研究所、中南工业大学、西安地质学院、中国有色金属工业总公司及中国地质大学等单位都在方法理论仪器及野外试验方面进行了一定的工作，先后研发出瞬变电磁系统，取得了很大的研就成果。至今TEM法一直处于蓬勃发展和广泛应用阶段。总的来看，目前国内已比较完整地建立了TEM 法的一维反演及方法技术理论，并自行研制了一些功率较小的仪器。 2.2、仪器的发展现状 近十几年来，伴随着计算机技术的快速的发展，瞬变电磁仪经过五次改进更型。性能稳定、实用可靠的商品化瞬变电磁仪器始于70年代初期，最先推出商品仪器的为加拿大CRONE地球物理公司，目前国内外商品化仪器大约有十几种。 2.2.1国外瞬变电磁仪 加拿大CRONE地球物理公司的DigitalPEM系统，匹配2.4 kW和4.8 kW二种发射机，发射机的发射电流下降沿固定模式有200Ls、300Ls、500Ls、1000Ls、1500Ls五种，发射线圈为任何状态、任何大地耦合条件下，发射机都可自动调整发射电流下降沿时间保持不变，接收传感器为棒状探头，探头脚架为可调式支架，能方便地调节探头地状态以满足测量三分量的要求，工作装置主要为中心回线、定源大回线和偶极~偶极。配有地~井TEM系统，井中三分量探头为分体式，即垂直分量和水平分量为二个探头，野外工作时每一激发回线状态下，分别测量垂直分量和水平分量，这样相对降低了工作效率，但大大增加了安全性，由于
49 东北部、西南部山区铁路建设中经常会遇到岩堆，在过去的实践中，人们往往采取避绕的措施，然而随着高速铁路建设步伐的加快，受铁路线型要求及其他因素的影响不能任意修改线路，因此在岩堆地区开展铁路勘察设计不可避免。本文以田师府至桓仁铁路大前石岭隧道岩堆的瞬变电磁探测为例，讨论物探技术在岩堆探测方面的应用与可 行性。 1 地形地貌 田师府至桓仁铁路大前石岭隧道位于本溪市桓仁县境内，线路以隧道形式穿越大前石岭，全长2500m。大前石岭隧道进口位于辽宁省桓仁县大雅河流域大前石岭的半山坡上，地貌为中低山区。大雅河在群山之间蜿蜒流过，河宽30～50m，水流较急，河中布满漂石、巨块石。大雅河两侧山体海拔高度370～1340m，最大高差970m，山坡自然坡度13°～35°。在山坡坡面上，2/3面积长满低矮灌木及乔木；1/3面积无土壤和植被，为裸露的块石、碎石堆，形成石海、石流坡地貌，统称岩堆。 2 岩堆的工程地质特征 岩堆体一般呈碎裂、松散状，节理、裂隙极其发育，自稳能力差。作为一种不良地质，在铁 路勘察设计中经常遇到。岩堆的主要特征即不均一性。表现在组成物质的块径大小的不均一，一般岩堆的块石含量在70%或以上，块石直径一般在0.5～3.0m，最大者达10余m，小者为角砾和粘土颗粒，由此说明岩堆组成物粒径悬殊大；孔隙大小的不均一，一般岩堆的中下部孔隙小，较密实，上部尤其是岩堆的后缘孔隙大，十分松散；由于岩堆组成物质的不均一和孔隙大小的不均一，致使地表水下渗和地下水渗流的不均一。 3 地球物理特征 不同的岩层具有不同的电阻率，瞬变电磁法勘探就是通过测定地下不同地点不同深度的电阻率的差异来达到寻找目标地质体的目的。利用瞬变电磁法勘探解决地质问题的前提条件是目标地质体和围岩存在电性差异。岩堆的主要特征即不均一性，表现在组成物质的块径大小的不均一，块石直径一般在0.5～3.0m，最大者达10余m，小者为角砾和粘土颗粒，由此说明岩堆组成物粒径悬殊大；孔隙大小的不均一，一般岩堆的中下部孔隙小，较密实，上部尤其是岩堆的后缘孔隙大，十分松散。地下一定 范围内，孔隙的填充物不同，直接影响其电性分布状况。如果无地下水的情况，孔隙被空气充填，表现为较高的电阻率；由于地下水的充填及地表水沿 瞬变电磁法在岩堆勘察中的应用 王文喜1 姚文清2 （1.沈阳铁道勘察设计院有限公司，辽宁 沈阳 110013；2.辽宁省物测勘查院，辽宁 沈阳 110121） 摘要： 文章以田师府至桓仁铁路大前石岭隧道岩堆的瞬变电磁探测为例，讨论物探技术在岩堆探测方面的应用与可行性，基本上查明了岩堆的范围及厚度，有利地指导了钻探及挖探工作的布置。关键词： 瞬变电磁法；岩堆；勘察；物探技术；视电阻率中图分类号： P631 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）28-0049-032012年第28期（总第235期）NO.28.2012 （CumulativetyNO.235）
第22卷 第4期 地 球 物 理 学 进 展V ol .22 N o .42007年8月(页码:1195～1200) P ROG RESS IN G EOP H YSICS A ug . 2007 瞬变电磁法理论与应用研究进展 薛国强1, 李 貅2, 底青云1 (1.中国科学院地质与地球物理研究所,北京100029;2.长安大学地质工程与测绘工程学院,西安710054) 摘 要 对国内外瞬变电磁法的方法研究概况、理论研究、仪器状况以及在应用领域的研究进展情况做出了综述性评价.瞬变电磁法的理论研究主要涉及正演方法、反演方法、资料处理方法.瞬变电磁法的应用领域包括地面、海洋、航空以及地下等不同工作场地.同时指出瞬变电磁法的发展趋势为研究三维正反演、多分量观测、成像技术、微信号分析等,以及注重发展海洋、井下、航空瞬变电磁法等.关键词 瞬变电磁法,理论与应用,研究进展 中图分类号 P631 文献标识码 A 文章编号 1004-2903(2007)04-1195-06 The progress of TEM in theory and application XUE Guo -Qiang 1 , LI Xiu 2 , DI Qing -Yun 1 (1.I nstitute o f Geo log y and Geoph ysics ,Chinese A cademy o f Sciences ,Beijing 100029,Ch ina ;2.S chool o f Geo log y and S ur vey En gineer ing ,Chang ,an Un iver sity ,X i ,an 710054,China ) A bstract We give the to tal condition of T EM study include techno lo gy ,theo ry ,instrument and application ,the the -o ry study mainly include fo rw ard calculation metho d ,inver se problem and da ta pro ce ssing scheme .T he applicatio n o f it include ea rth sur face ,sea and aerial survey ,subsurface explora tion .We also give advance prog ress the o f T EM ,include study ing 3D fo rwa rd and inv erse calcula tion ,multi -co mpo nent survey techno lo gy ,imaging study ,and w eak signal a nalyses ,as well as ,sea ,tunnel ,aerial T EM develo ping . Keywords tr ansient elect romag netic me tho d ,theo ry and applicatio n ,study pro g ress 收稿日期 2007-04-10; 修回日期 2007-06-20. 基金项目 中国博士后基金(2005038388),中国科学院王宽诚博士后奖励基金,中国科学院知识创新项目((KZCZ -yw -113).)国家自然科 学基金重点项目(50539080)联合资助. 作者简介 薛国强,男,1966年生,1989年于西安地质学院获学士学位,2002年于长安大学获硕士学位,于2005年于西安交通大学获博士 学位.研究方向为电磁探测理论与应用.(E -mail :ppxueguoqiang @https://www.doczj.com/doc/ce10258909.html, ) 0 引 言 瞬变电磁法(TEM )是一种时间域的电磁探测方法.介质在一次电流脉冲场激励下会产生涡流,在脉冲间断期间涡流不会立即消失,在其周围空间形成随时间衰减的二次磁场.二次磁场随时间衰减的规律主要取决于异常体的导电性、体积规模和埋深,以及发射电流的形态和频率[1～6].因此,我们可以通过接收线圈测量的二次场空间分布形态,了解异常体的空间分布[1～6]. 瞬变电磁法在上世纪30年代最早由前苏联科学家提出,当时采用的是远区工作模式.但是,利用电流脉冲激发供电偶极形成时域电磁场的是1933年由美国科学家L .W .Blau 最先提出,当时利用不 同电导率地层界面电磁波的反射与地震反射波信号的相似性,进行了大量的实验和比较.到了上世纪 50～60年代,前苏联科学家成功地完成了瞬变电磁法的一维正、反演,建立了瞬变电磁法的解释理论和野外工作方法之后,瞬变电磁法才开始进入实用阶段.上世纪60年代以后,当意识到时间域电磁测深法可以利用远远小于期望探测深度的收发距时,该方法有了一个快速发展.随之,“短偏移”、“晚期”、“近区”、等技术研究迅速发展起来.美国等西方国家在上世纪70～80年代之间,短偏移法一直处于研究和试验阶段,未被广泛运用,而长偏移法已得到了应用,特别是在地热调查和地壳结构的调查中.随后一些专家对瞬变电磁法的一维正反演及方法技术进行了大量研究[7].我国于70年代初开始研究TEM ,长
瞬变电磁法探测原理 瞬变电磁法，即Transient Electromagnetic Method(简称TEM)，是利用不接地回线 或接地线源向地下发送一次脉冲场，以激励地层介质感生电磁场，在一次脉冲场间歇期间 利用同一回线或电偶极接收感应电磁场。其物理基础是电磁感应原理，据此理论在电导率 和磁导率均匀的大地上，铺设输入阶跃电流的回线，当发送回线中电流突然断开时，在下 半空间就要被激励起感应涡流场以维持在断开电流前存在的磁场，此瞬间的电流集中在回 线附近的地表，并按指数规律衰减。 在发送一次脉冲磁场的间歇期间，观测由地下地质体受激励引起的涡流产生的随时间变化的感应电磁场(或称响应场)。地层介质被激励所感应的二次涡流场强弱决定于地层 介质所耦合的一次脉冲磁场磁力线的多少，二次场的大小与地下介质的电性有关：低阻地 质体感应二次场衰减较慢，二次场电压较大；高阻地质体感应二次场衰减较快，二次场电 压较小。根据二次场衰减曲线的特征，就可以判断地下地质体的电性、性质、规模和产状等，由于瞬变电磁仪接收的信号是二次涡流场的电动势(纯异常响应)，对二次电位进行归 一化处理后。根据归一化二次电位值的变化特征，可间接地探测各种地质构造问题。因此，瞬变电磁作为一种时间域的人工源地球物理电磁感应探测方法，是根据地质构造本身存在 的物性差异来间接判断有关地质现象的一种有效的地质勘探手段。 瞬变电磁场在大地中主要以“烟圈“扩散形式传播，在这一过程中，电磁能量直接在 导电介质中传播而消耗，由于趋肤效应，高频部分主要集中在地表附近，且其分布范围是
源下面的局部，较低频部分传播到深处，且分布范围逐渐扩大。从烟圈效应的观点看，早期瞬变电磁场是由近地表的感应电流产生的，反应浅部电性分布，晚期瞬变电磁场是由深部的感应电磁场产生的，反应深部的电性分布。因此，观测和研究大地瞬变电磁场随时间的变化规律，可以探测大地电位的垂向变化。 矿井瞬变电磁法原理与地面电磁法原理基本相同，所不同的是矿井瞬变电磁法是在井下巷道内进行瞬变电磁场呈全空间分布,接收线圈接收的信号是来自发射线圈上下两个方向全空间岩石电性的综合反映。
瞬变电磁原理、仪器及应用 林君嵇艳鞠于生宝王艳 吉林大学仪器科学与电气工程学院 二零零七年五月二十五日
第1章绪论 (1) 1.1 瞬变电磁法发展概况 (1) 1.2 瞬变电磁探测方法的特点及应用领域 (2) 第2章瞬变电磁法探测原理 (4) 第3章ATEM-II瞬变电磁探测系统 (7) 3.1 ATEM-II瞬变电磁发射机 (7) 3.2 ATEM-II瞬变电磁接收机 (10) 第4章瞬变电磁响应分析 (17) 4.1各向同性水平层状大地上回线源的瞬变电磁响应 (17) 4.2均匀大地表面上大回线源在地表形成的瞬变电磁场 (17) 4.3中心回线下的隐伏球体的响应特征 (18) 4.4中心回线下的隐伏无限延伸的水平圆柱体的响应特征 (20) 4.5导电围岩中的局部导体瞬变电磁响应 (20) 第5章瞬变电磁野外工作方法 (22) 5.1 回线组合选择 (22) 5.2 发射电流的选择 (24) 5.3 发射脉冲宽度的选择 (26) 5.4 关断时间的影响 (26) 5.5 发射边长的选择 (28) 5.5 接收最早取样时间的选择 (29) 5.7 接收线圈的频率选择 (30) 第6章瞬变电磁探测的数据处理与成图 (31) 6.1数据质量判别 (31) 6.2 数据处理 (33) 6.2.1 平滑滤波 (33) 6.2.2 近似对数等间隔取样 (34) 6.3 基于“烟圈”理论的一维快速反演 (37) 6.4 数据成图 (40) 第7章 ATEM系统野外应用 (42) 7.1 长春秦家屯模型验证研究 (42) 7.2 长春伊通河活断层勘察研究 (44) 7.3 内蒙正镶白旗水源勘察 (45) 7.4 安徽铜陵矿山接替资源勘探 (49) 7.5 浙江舟山连岛工程探测 (52)
瞬变电磁法在地球物理勘探中的应用摘要：本文针对目前瞬变电磁法勘探中存在的问题进行了探讨，分析了地球物理勘探本身都存在多解性，再加上勘探区的各种人文设施干扰，地形高差较大，导致异常出现多解性，所圈定的采空积水区的位置及边界范围等可能存在一定偏差，这就需要对瞬变电磁法的理论和资料处理进行更深入的研究和探索，从而更好地为矿井水文地质勘探工作服务。 关键词：水文地质灾害；测网布置；地球物理测试 abstract: aiming at the transient electromagnetic method in the exploration into the several problems, analyzes the exploration geophysical itself has multi-solutions, plus the exploration of human facilities interference, terrain difference is bigger, lead to abnormal appear multiple solution, and tagged goaf water of the location and boundary scope may exist certain deviation, that required the transient electromagnetic method of theory and data processing further study and exploration, so as to better for hydrological geology exploration work service mine. keywords: hydrogeology disasters; the nets decorate; the earth’s physical test 中图分类号：f407.1文献标识码：a 文章编号：