煤矿瞬变电磁法超前探水
项目介绍
北京捷奥斯地质勘查有限公司
2010年
目录
1. 我国煤田水害现状 (2)
2. 时代背景 (4)
3. 瞬变电磁探测方法 (5)
3.1瞬变电磁法基本原理 (5)
3.2矿井瞬变电磁探测原理及特点 (6)
4. 国内外研究现状 (7)
4.1矿井瞬变电磁法研究现状 (7)
4.2矿井瞬变电磁法超前探水技术研究现状 (8)
5. 矿井瞬变电磁探测设备要求 (9)
6. 矿井瞬变电磁法超前探水技术优势 (10)
6.1二维反演 (10)
6.2探测精度 (11)
6.3深度校正 (12)
7. 应用工程实例 (15)
7.1山西某煤矿井下瞬变电磁超前探水项目 (15)
7.2山东某金矿井下瞬变电磁超前探水项目 (16)
1. 我国煤田水害现状
我国煤矿水文地质条件比较复杂，是煤矿水害多发的国家，透水造成的直接经济损失一直排在各类煤矿灾害之首，煤矿水害给国家和人民带来的经济损失和人身伤亡极为惨重。所谓透水是指在矿井建设和生产过程中，地面水或地下水通过裂隙、断层等各种裂隙通道涌入矿内，当矿井涌水量超过正常排水量时，就造成矿井水灾事故。煤田水害主要分为四类：一，含水层突水水害，主要是指在煤层采动过程中，影响到顶板或者底板中的含水层，从而引发的水灾害，主要发生在灰岩地层；二，松散层孔隙水透水，指煤层采动中，顶底板砂岩或松散层孔隙水、裂隙水涌入巷道发生透水事故；三，采空区积水造成的水害，当掘进时接近采空区积水时，在采动影响下，致使的大量积水通过孔裂隙通道涌入掘进面或回采面而引发透水事故；四，地表水造成的水害，指由于地下采动影响，使矿井与地表或矿区临近的河流、水库等地表水直接沟通，导致地表水通过裂隙进入井下巷道或工作面。
随着我国煤矿生产开采深度的增加和开采范围的增大，水害威胁将越来越严重。水害在煤矿五大灾害中仅次于瓦斯事故，位居第二。据统计2007年国内发生的一次死亡3人及以上的煤矿事故149起，死亡1162人。在这些事故中，透水事故共发生25起，死亡213人，占了事故总数的17%[1]，见图1。历年来所发生的矿山透水事故都证明了透水事故危害的严重性，国家给予了高度重视。
图1 2007年煤矿事故与死亡人数柱状图
800
600400
200
死亡人数
事故类别
表1是我国2001—2009年矿山所发生透水事故的事故起数与死亡人数的统计。在此期间，共发生透水事故511起，死亡3245人。图2为事故等级柱状图，在511起透水事故中，一般事故120起，死亡176人；较大事故307起，死亡1 539人；重大事故68起，死亡1 054人；特别重大事故9起，死亡476人；还有7起未造成人员伤亡，但是却造成了重大经济损失。平均每年发生透水事故57起，死亡361人；平均每月发生透水事故5起，死亡30人。在511起透水事故中，仅有1.37%的事故未造成人员伤亡，也反应了透水事故的严重性。说明透水事故一旦发生，通常即为较大或特大事故，在煤矿生产过程中，必须给予足够的重视。
表1 2001-2009年煤矿透水事故统计表
图2 事故等级柱状图
表2为我国2001—2009年间透水事故地域性排名。矿山透水事故多发生在贵州、湖南、山西、江西、河南5个省市，事故起数比例比重占全国总数的65. 56%，死亡人数比重占59. 29%[2]。
事故起数与死亡人数
一般事故
400600800100012001400
16001800
较大事故
重大事故
特别重大事故
事故等级
表2 2001-2009年地域性矿山透水事故表
鉴于矿山透水事故的严重性，开采和掘进前的探水防水工作就显得尤为重要。矿床中的地下水一般情况下是静态的，只有当人为的破坏了这种静态关系时，才会从静态向动态转变，产生流量大、流速快、瞬间向破坏处流动的现象，造成灾难性的事故。所以在采矿、掘进时，应尽量规避这种破坏，以免造成灾难性的事故。
很多透水事故是可以避免的，但是部分矿山安全投入过少，忽略探水工作，并未对水患给予足够的重视，酝酿了悲剧的发生。矿井水文地质工作是防治水害工作的基础，也是一项技术基础工作。但是，由于其专业性较强，特别是超前探水方面，必须由专业的人员和设备完成。事实上，水害防治是有规律可循的，通过探水治水研究，水灾事故也是可以避免的。
2. 时代背景
近年来，由于资源枯竭、开采经济技术条件和国家宏观政策调整等原因，我国煤矿关闭进入高峰期，每年都有上百个小煤矿停产关闭，关闭的矿井留下大量的采空积水区，造成邻近生产矿
井水文地质条件的巨大变化，威
胁相邻矿井的安全生产。在避免
资源过度浪费，提高采煤效率的
背景下，也在安全问题上面临巨
大的挑战。同时许多国有大矿井
因上组煤资源枯竭，逐渐转入下
图3 2005-2007年煤矿重大水害事故水源分析
组煤开采，这些矿井上方或侧方有大量的采空积水区，存在巨大的潜在隐患。采空区和老窑积水已经成为我国煤矿重特大事故的危险源。这种威胁主要表现在：①废弃矿井或采空区本身大量积水，形成矿井新的透水水源；②废弃矿井和采空区积水会软化周边煤岩体，从而降低留设的煤岩体的抗水压能力；③废弃矿井和采空区积水会改变区域水文地质条件，造成相关含水层水位抬升，威胁矿井安全。统计资料表明，近年来，采空区及废弃的充水小煤窑水每年占煤矿总突水事故的80%左右[4]。
目前一般矿井主要采用传统的钻探方法进行探水，此法具有一定的局限性，且速度慢、成本高，难以圈定富水区范围。随着科学技术的进步，传统的地质工作方法已不能满足现代化矿井安全生产的需要。为了有效的防治水害，必须应用先进的技术方法和设备，才能更加准确地探明矿井的水文地质条件。直流电法等物探技术虽效率高、成本低，但因体积效应大、施工技术等原因造成准确性和探测距离难以满足新时代生产需求。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，凭借其近距离观测、体积效应小、方向性强、分辨率高、对低阻区敏感、探测的有效距离大、施工快速等一些优点，已成为煤矿水害探测的最佳选择方法。
3. 瞬变电磁探测方法
3.1 瞬变电磁法基本原理
瞬变电磁法或称时间域电磁法(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[5][6]。通过观测二次场的时间以及空间分布，可得到不同深度的地电特征，从而判断地质以及水文地质异常。
3.2 矿井瞬变电磁探测原理及特点
瞬变电磁法作为一种探水新技术，探测信噪比比地面瞬变电磁法和矿井直流电法勘探高的多，是一种具有广泛前景的探水新方法。
矿井瞬变电磁法的工作原理与地面瞬变电磁法的工作原理相同，但由于矿井瞬变电磁法是在地下几百米深的井下巷道内进行的，可以理解为探测线圈周围全是大地，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4所示。在矿井下进行探测时，线圈法线方向对准探测目标，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介质电磁性质的变化规律，通过对数据的解释处理进而确定探测方向的地质情况，可以确定异常的空间位置以及形态大小，为煤矿的生产提供地质理论依据，保证煤矿的安全生产。
具体来说矿井瞬变电磁法具有以下特点：
（1）、受矿井巷道的空间影响，矿井瞬变电磁法只能采用边长小于3m 的多匝回线装置，与地面瞬变电磁法相比，数据采集劳动强度小，测量设备轻便，工作效率高，成本低；
（2）、采用小规模回线装置系统，保证数据的质量、降低体积效应的影响、提高勘探分辨率，特别是横向分辨率；
（3）、井下测量装置距离异常体更近，大大的提高测量信号的信噪比，国内外经验表明，井下测量的信号强度比地面采用同装置、同参数获取的信号强度更好；
（4）、地面瞬变电磁法勘探一般只能将线框平置于地面测量，而井下瞬变电磁法可以将线圈放置于巷道底板测量，探测底板一定深度内含水性异常体垂向和横向发育规律，也可以将线圈直立于巷道内，当线框面平行巷道掘进前方，可进行超前探测；当线圈平行于巷道侧面，可探测工作面内和顶底板一定范围内含水低阻异常体的发育规律；
图4 瞬变电磁全空间相应示意
图
（5）、矿井瞬变电磁法对高阻层的穿透能力强，对低阻层有很强的分辨能力。在高阻地区如果用直流电法勘探，要想达到较大的探测深度，须有较大的极距，故其体积效应就大，而在高阻地区若采用瞬变电磁法，较小的回线可达到较大的探测深度，故在同样的条件下瞬变电磁法的体积效应小得多，探测精度更高。
4. 国内外研究现状
4.1 矿井瞬变电磁法研究现状
瞬变电磁法最早起源于美国科学家L.W.Blan于1933提出的“Eltran”法。并由最初的针对地表半空间均匀层状介质的瞬变电磁场[7]，逐步实现了瞬变电磁法一维正、反演、“烟圈”理论、以及后来提出的有限元、有限差分、积分方程等二维正反演方法和三维正反演算法，从而地面瞬变电磁法的基本理论已较为完善。国内瞬变电磁法的研究早在上世纪70年代就已经开始了，针对瞬变电磁法的方法理论研究，先后有朴化荣、牛之琏、徐世浙、谭捍东、罗延钟等众多学者取得了一批有价值的研究成果。
国外的瞬变电磁技术发展较早，在煤矿探水领域进行过一些理论研究[8]。但目前国外关于矿井（地下）瞬变电磁法理论、技术与应用的文献很少。文献资料显示，国外对地下全空间瞬变电磁场分布规律的研究始于上世纪80年代，2002年StefiKrivochieva等利用数字滤波法计算了层状介质内部水平线圈的瞬变电磁场响应，较为详细地研究了导电层瞬变电磁响应特征与磁偶极子方位间的关系，其整体研究目前仍限于一维层状介质[9]。
由于煤矿防治水害的需求，国内有中国矿业大学、煤炭科学院、中科院等单位开展了矿井瞬变电磁法地研究与实验。1999年，于景邨在《矿井瞬变电磁法理论与技术研究》中对层状介质瞬变电磁法时间—深度换算进行了研究，通过物理模拟与井下试验，研究了井下巷道中铁轨、工字钢、锚杆的响应特征，探讨了矿井瞬变电磁法的应用技术[10]。岳建华针对矿井瞬变电磁法应用中出现的多匝小回线间自互感、视电阻率换算、全空间效应等问题进行了系统分析与总结，指
出了矿井瞬变电磁法的研究方向与重点[11]。煤科总院西安分院闫述等采用FDTD 法模拟计算了薄层和细导线的瞬变电磁响应，对于解决巷道锚网等金属支护物、巷道内铁轨和管道等电磁性物体对矿井瞬变电磁观测结果的影响特征识别与校正问题有较好的效果[12]。中国科学院地质与地球物理研究所白登海研究员领导的课题组，对矿井瞬变电磁法探测突水构造的方法技术问题也进行了研究[13]。
综合分析国内外有关文献可以看出，目前瞬变电磁法的理论研究与技术应用工作主要集中于地面、航空半空间问题，一维正反演问题已得到妥善解决，在二、三维正演方面出现了许多算法，其地面应用技术较为成熟。国内自开展矿井瞬变电磁法以来，大部分工作集中于现场技术的应用研究，而对全空间瞬变电磁场的理论研究甚少。只有掌握全空间瞬变电磁场扩散规律，深入研究全空间中具有二维或三维地电属性、处于不同方位的岩溶、断层、裂隙发育带等含（导）水构造（体）瞬变电磁响应特征，才能合理地利用井下施工空间，优化井下观测技术方案，对矿井瞬变电磁数据给出合理地解释，正确判断地质体空间方位。因此，研究总结全空间瞬变电磁场分布规律和典型含导水构造瞬变电磁响应特征，以及如何确定含水构造的边界，精确深度校正，甚至含水量的估略性计算，是超前探测研究的关键问题。
4.2 矿井瞬变电磁法超前探水技术研究现状
实践表明，同基于岩石弹性性质的弹性波法相比，以岩石电性差异为基础的瞬变电磁超前探测技术，对低阻体反映敏感，在富水性探测方面更具优势；同探地雷达相比而言，瞬变电磁超前探测距离大；同直流电法探测相比，瞬变电磁超前探测不受巷道空间限制，超前探测距离大，不存在电极接地困难，探测方向指向性好，施工方便快捷，劳动强度小等优点。
空间有限的独头巷道中的一种特殊应用。
在我国，瞬变电磁技术研究已取得阶段
性进展，国内一些科研单位很早就开始陆续
的尝试，并在多个煤矿进行了超前探水和含
水采空区的探测。但多数为地表探测，鉴于
各种技术方面的限制，井下超前探水开展的相对较少。2007年，中国矿业大学就在徐州权台煤矿进行了矿井瞬变电磁法的超前探水试验，并进一步在山西某矿进行了废弃老巷道探水试验。虽然仍存在很多问题，但是取得了宝贵的经验，论证了瞬变电磁在煤矿防治水方面的可行性[14]。
针对矿井瞬变电磁超前探水，中国矿业大学经过实验逐渐发展成重叠小回线装置形式的扇面扫描（环形测深）数据采集方式的瞬变电磁超前探测技术，即按图5所示在巷道掘进工作面左帮、迎头、右帮分别布置测点，形成对掘进工作面前方半圆形扫描，将其应用于采空区积水、钻孔、富水断层的超前探测中，取得了较为理想的应用效果[15]。中科院地质与地球物理所采用同轴偶极装置进行超前探测，并掘进过程中进行了连续跟踪超前探测试验[16]。西安煤科院利用瞬变电磁法在煤矿井下独头巷道开展了超前探测含水构造的试验研究，验证了瞬变电磁法具有定向性（方位性）好、探测距离大等突出优点，是矿井超前探测含水构造的有效方法。
5. 矿井瞬变电磁探测设备要求
由于安全生产要求及井下空间等条件限制，矿井瞬变电磁勘探的设备相比于地面瞬变电磁法有着一系列特殊的要求。
首先，由于在煤矿井下空气中含有一定量的瓦斯、煤尘，当其含量超过一定比例时，可能发生爆炸，造成严重的安全事故。因此，矿井下瞬变电磁设备必须满足煤矿安全生产要求，设备本身必须防爆。普通瞬变电磁设备，明线外露，电子原件也直接暴露在空气中，在井下使用时存在较大的安全隐患。
其次，由于井下空间有限，在井下布设接收及发射线圈有别于地面探测，只能使用多匝小线圈完成探测。由于装置的磁矩决定探测的深度，在线圈面积不能增大的情况下，只有增大线圈匝数或者增大电流，才能加大探测深度。但线圈匝数的增加，会导致线圈互感增强，降低数据采集的信噪比，因此线圈匝数不可无限增大。采用大电流供电，适量匝数线圈可以较好的解决这个问题，这也给设备
防爆性提出了更高的要求。
我公司采用中国地质大学研发的煤矿专用瞬变电磁设备，该设备已通过国家安监局认证，具有防爆证书。在确保安全的基础上，采用小发射回线大电流供电，最高精度的为生产矿山提供超前探水服务。
6. 煤矿超前探水方面的技术优势
经过长期的工程实践和理论完善，我们在煤矿超前探水领域逐渐总结了一套行之有效的现场采集和数据分析处理方法，并在实际应用中取得了良好的效果。
6.1 二维反演
瞬变电磁仪器在井下测得的参数是时间（单位：微秒）和感应电动势的值（单位：微伏），需要后期二维反演得时间-视电阻率剖面。
在进行二维反演，计算视电阻率值时，一般采用晚期道计算公式，与晚期道数据的拟合程度较好，但是早期数据偏离较大，严重失真，导致浅部地质信息可靠性降低，甚至数据缺失。
正常视电阻率的计算都采用同点回线装置的视电阻率计算公式：
3
5
3
238
3]
)([1032.6---?=t
I t L ερτ （1）
式中L 为回线边长，以m 为单位；t 为测道的时间，以ms 为单位；I t )(ε 为观测值，A V μ为单位。
由于煤矿巷道工作面窄小，线框采用小线框多匝回线的方式，大电流大功率采样，虽然增加了勘探的深度，提高了信噪比，可是电流过大会加剧互感现象，数据进入晚期道的时间延后，早期道噪声加大、信噪比降低，给后期处理带来很大麻烦，增加了早期信号的畸变，降低了瞬变电磁超前探水的实际意义。
如整体采用公式（1）计算视电阻率必然引起早期数据误差偏大，在数据处理时要尽量消除这一不利因素。
因此我们以时间7102?=
ρπr t i 为界分为早晚期分别计算。时间7
102?=ρπr
t i
是采用大电流进行勘探时，根据早期道的定义推导得出的。当i t t >的数据仍然按公式（1）计算视电阻率；i t t <为早期道的数据，需要用早期道计算公式（2）单独计算：
z
E M
r ?τπρ324=早
（2） 式中r 为收发距，磁矩2
IL M =，z
E ?为垂直磁偶源方向的电场。
将公式（1）与公式（2）计算得出的视电阻率值合并，得到全区视电阻率，这样计算就尽可能的消除了大电流的互感现象对早期信号的影响。
6.2 探测精度
探测的精度与所布置的线圈大小、电流强度、发射功率的大小有直接关系，以往在地表做含水采空区、金属矿体探测时，习惯布置200m*200m 的大线圈，中心探头，这种布线方式适合找大的地质构造体，大范围探测数据，然后经过归一化整合，但5米左右的小构造会被归一化，无法展现，而煤矿井下采用1.5m*1.5m 的小线框，可以解决此类问题，达到很高的探测精度，对微小的构造也具有很强的识别能力。部分导水通道本身规模较小，但是若掘进巷道与隐伏导水构造不期而遇，就会形成矿井突水灾害。因此，不可忽视小型甚至微型隐伏导水构造。此类构造是指无明显的地表出露和地质显现特征，发育于岩层内部的较小规模的地质构造，主要包括隐伏断层、局部构造破碎带、岩溶陷落柱及岩溶塌落洞等，它们是沟通矿区充水水源与矿井采掘工程之间的主要导水通路，在矿井
采掘过程中必须超前探知。
但是，在井下进行超前探水，也有一些很难避免的干扰。在巷道中进行瞬变电磁超前探水工作，无法避免大型金属物（挖掘机、支护网、锚杆）产生的影响，大型的掘进机械在巷道中移动不方便，处于实际生产的情况考虑，挖掘机只能向后移动很短的距离，锚杆和支护网也无法撤除。在超前探测时，瞬变电磁场是全空间分布，在巷道中的挖掘机等金属物就充当了一个大的低阻异常体，会在一定程度上影响仪器对于数据的采集，可能会造成假的异常推断，降低可靠性。但是，在后期的数据处理中，通过有经验的技术人员分析，找到金属体造成的异常响应特征，就可以削弱甚至消除这种噪声。
6.3 深度校正
通过视电阻率计算公式得到的是时间-视电阻率数据，必须通过时深转换公式，才能转换为深度-视电阻率数据。这样才能更好的识别异常深度，为生产服务。
目前采用的时深转换公式：
]))2(1()2([22
1
21
1
21211C C C C C a V i s γμσγα
+++++= 其中：∑∞=+---=21])2
()!1(!!)!32(41[43)(k k
k k k C γγπγ
∑∞
=+-=
02)2
()!1(!!)!12(4
3)(k k
k k k C γπ
γ i t a 42
1μσγ=
，1σ为i t 时刻对应的视电阻率值，a 为换算系数，通过理论模
型和实际资料验证，系数a 值根据地面应用地质情况，分别取不同的值。
时深转换后的深度值D ：
i s t V D ?=
经过时深转换之后的深度值，是一个单纯的计算值，还需要对模型进行改进，根据当地的地质情况，围岩的分层信息，煤层及围岩的电阻率值，加入几个变量参数，进一步校正，才能使校正之后的深度信息符合当地特殊的地质情况。
前人最初采用单一系数法，即根据整个工区大致的地质情况，确定一个压缩（拉伸）系数a，对整个工区的深度值都乘以系数a；后期经过改进，采用线性系数法，即对探测工区的最浅部和最深部设置两个系数b和c，然后对数等间距线性插值，再乘以深度值，这样的校正方法已经有了很大的改进，效果较好，但两种方法都存在一个不可避免的问题：没有考虑到电阻率值的高低，对深度的影响程度。
通过多次试验证明，高阻体和低阻体对瞬变电磁信号的吸收作用是不一样的，瞬变电磁信号在高阻体和低阻体中的传播速度也有差别，如图6，其中低阻体对信号的吸收作用强，信号的传播速度慢，而高阻体恰恰相反。
图6 高低阻对信号的吸收作用
所以，结果进一步分析，我方采用用一种全新的深度校正方法，在非线性数学的基础上，建立一个非线性、反病态模型，加入电阻率参数，对于不同的电阻率值区间选取不同的系数校正，实现分段校正，确保结果的可靠性。
表3 三种系数选取方法的比较
深度校正研究实例：
在江西某矿井进行井下超前探测，对地层的分层情况和可能的含水溶洞进行探测，图7为三种系数深度校正对比图，应用三种选取系数的方法进行数据处理，并对处理结果和实际地质情况比对。
图7 三种系数选取方法深度校正对比图
从图中可以看出，三种方法中，低阻和高阻的分层信息没有太大区别。在60米~70米区域和120米~130米区域呈现低阻，与实际已知的地层分布信息一致。单一系数校正法的低阻特征区域不明显，线性校正法的低阻特征区深度值有偏差，而非线性校正法所计算的低阻区域与实际地层分布一致。
7. 应用工程实例
7.1 山西某煤矿井下瞬变电磁超前探水项目
在山西某煤矿进行井下超前探水工作，图8为该巷道右侧帮瞬变电磁反演成果图，从图中可以看出，在右侧帮95号点和105号点前方40~100米范围内，有明显的低阻异常（蓝色区域），而且三个方向的连通性较好，电阻率小于100欧米，推断为含水区域。矿方在打探水孔验证，实际情况与推测情况吻合。
图8 巷道侧帮电阻率反演成果图
7.2 山东某金矿井下瞬变电磁超前探水项目
在山东某金矿进行井下瞬变电磁超前探水工作，图9为掘进面前方瞬变电磁反演成果图，推测蓝色区域为含水低阻区，水平方向距掘进面约70~80米，并且三个方向上的深度位置保持一致，推测为含水异常区。后期钻孔验证，与实际情
况一致。
图9 掘进面电阻率反演成果图
部分参考文献：
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[16]郭纯，李文军等，瞬变电磁技术在巷道掘进头连续追踪超前探测的效果，能源技术与管理，2006.2。
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
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 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。 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. 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 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。 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 编制人员编制： 技术审核： 参加人员： 资料处理： 施工单位： 地址： 电话： 传真： 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 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 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 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、 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) 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 直流电法、高密度电法和瞬变电磁法比较 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 B C C' B' O A' j电流线 等电位面 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围横向电性变化情况，同时还可以观测垂向电性的变化特征，总体而言具有以下 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） 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、仪器及应用讲述
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