瞬变电磁法在煤矿井下探测中应用

瞬变电磁法在钻井探测中的应用王丽红，肖宏跃，卜 璐，贺 月（成都理工大学地球物理学院，四川　成都　６１００５９）摘 要：该文介绍了瞬变电磁法（ＴＥＭ）的基本原理及其在钻井探测中的应用。

通过工程实例的说明，证实了瞬变电磁法是一种快速，有效的矿山地质物探方法。

由于其穿透能力强、分层能力强、受随机干扰小、信息丰富、分辨率较高、探测深度深等特点，使其在矿井深部地区的探测中得到了广泛的应用。

关键词：瞬变电磁法（ＴＥＭ）；钻井探测；地质勘查中图分类号：Ｐ６３１．３２５　文献标识码：Ａ 文章编号：１００２－５０６５（２０１９）１６－０１８３－２Application of Transient Electromagnetic Method in Drilling ExplorationWANG Li-hong, XIAO Hong-yue, BU Lu, HE Yue（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃｓ，　Ｃｈｅｎｇｄｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１００５９，　Ｃｈｉｎａ）Abstract: Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｍｅｔｈｏｄ　（ＴＥＭ）　ａｎｄ　ｉｔｓ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ．　Ｔｈｅ　ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｅｘａｍｐｌｅｓ　ｐｒｏｖｅｓ　ｔｈａｔ　ＴＥＭ　ｉｓ　ａ　ｆａｓｔ　ａｎｄ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｍｉｎｅ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ａｎｄ　ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ　ｐｒｏｓｐｅｃｔｉｎｇ．　Ｂｅｃａｕｓｅ　ｏｆ　ｉｔｓ　ｓｔｒｏｎｇ　ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ　ａｂｉｌｉｔｙ，　ｓｔｒｏｎｇ　ｓｔｒａｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ａｂｉｌｉｔｙ，　ｓｍａｌｌ　ｒａｎｄｏｍ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，　ｒｉｃｈ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，　ｈｉｇｈ　ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｅｅｐ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｄｅｐｔｈ，　ｉｔ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｗｉｄｅｌｙ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｄｅｅｐ　ｍｉｎｅ　ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ．Keywords: Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｍｅｔｈｏｄ　（ＴＥＭ）；　Ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ；　Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ矿山地质勘探与工程施工中经常会遇见不良地质现象[1]。

矿井瞬变电磁法在煤矿掘进工作面的应用摘要：矿井水害事故是煤矿“五害”之一，而在煤矿掘进工作面中的突水事故是典型的矿井水害事故，因此坚持预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采的煤矿防治水原则，其中“先探后掘”中的探即煤矿掘进工作面施工过程中在迎头利用直接或间接的方法向前一定范围内进行超前探测，能够清楚掌握煤矿掘进工作面迎头前方围岩的富水情况及隐伏构造情况，可以有效避免矿井水害事故发生，为煤矿安全生产提供有效依据。

关键词：矿井；瞬变电磁法；煤矿掘进；工作面；应用1瞬变电磁法基本原理瞬变电磁法(TransientElectromagneticMethod,简称TEM)是利用不接地回线或电极向地下发送脉冲式一次电磁场,用线圈或接地电极观测由该脉冲电磁场感应的地下涡流产生的二次电磁场的空间和时间分布,来解决有关地质问题的时间域电磁法,通俗来讲,一般情况下,不同地质体因自身特性差别,对电磁场的感应强弱会呈现区别。

矿井瞬变电磁法便是在井下巷道内的特殊空间利用发射线圈发射电磁场信号,激发探测方向内的地质体产生电磁场,并接收线圈接收地质体感应出的电磁场信号,利用电磁场信号强弱判断前方地质情况。

经过对采集到的数据进行后期处理,即可大致得出探测方向上地质体视电阻率的分布情况,从而准确判断出异常存在位置。

2工程实例探测地点为某煤矿24号层0片平巷掘进工作面，该掘进工作面为矩形半煤岩巷道卧底掘进，支护采用锚杆加钢带支护，顶板较完整，掘进过程中有淋水现象。

工作面测区内有部分金属装置和电缆等，会对数据采集产生一定的影响。

2.1数据采集根据探测需要及现场条件，现场布置3条测线，测线间距1m,每条测线布置7个测点，点间距1m。

本次矿井瞬变电磁法超前探测采用加拿大GEONICS公司的PROTEM-47HP瞬变电磁仪，该设备主要由两部分组成：信号接收部分(包括主机和接收线圈)和信号发射部分(发射机、供电机和发射电缆)。

采用发射机在后，接收机在前，同轴垂直接收数据模式。

无线电波坑道透视及瞬变电磁综合物探方法在山西临县某煤矿工作面探测中的应用摘要山西临县某煤矿一直开采5号煤层，采煤方法为走向长壁式，放炮落煤。

经多年开采，井田中部及南部5号煤层资源已枯竭。

现目前回采5号煤层西北部的工作面，根据有关“有掘必探”的有关规定及安全生产要求，在工作面回采前，对工作面内部进行物探，本次工作采用无线电波坑道透视及瞬变电磁综合物探方法，探查工作面内地质情况，为回采工作面安全生产提供了可靠的物探依据。

一煤矿位置概况矿井田位于山西省吕梁临县地区南东30km处，南北长约3.10km，东西宽约2.4km，面积7.4km2。

二矿区地质及水文概况1、井田地表均为黄土覆盖，根据钻孔揭露资料，井田内的地层从老到新依次为：奥陶系中统上马家沟组（O2s）灰色石灰岩，夹有泥灰岩，泥岩及石膏层；奥陶系中统峰峰组（O2f）浅灰－深灰色中厚层状石灰岩、角砾状泥灰岩，中下部含细晶－隐晶石膏及硬石膏矿。

；石炭系中统本溪组（C2b）泥岩，夹有石灰岩、砂岩、铝土岩、钙质泥岩、炭质泥岩；石炭系上统太原组（C3t）砂岩、泥岩、钙质泥岩、石灰岩、泥质灰岩及煤层，；二叠系下统山西组（P1s）砂岩、泥岩、砂质泥岩、泥岩和煤层；二叠系下统下石盒子组（P1x）灰色、深灰色砂岩。

粉砂岩与砂质泥岩，泥岩互层。

2、井田含水层主要为：松散岩类孔隙含水层、二叠系下统下石盒子组砂岩裂隙含水层组、二叠系下统山西组砂岩裂隙含水层组、石炭系上统太原组石灰岩、砂岩裂隙含水层组、奥陶系中统石灰岩岩溶裂隙含水层；据以往资料推定井田内奥灰水水位标高为792.35－800.68m。

3、井田隔水层主要有：下石盒子组下部以深灰色泥岩为主的砂质泥岩互层地层；山西组泥岩；本溪组泥岩、粘土岩和铝土岩为主的地层，是奥陶系灰岩含水层上部之重要隔水层。

三物探工作方法的基本原理1、坑道透视法的工作原理电磁波在地下岩层中传播时，由于各种岩、矿石电性的不同，它们对电磁波能量吸收不同，低阻岩层对电磁波具有较强的吸收作用，当波前进方向遇到断裂构造所出现的界面时，电磁波将在界面上产生反射和折射作用，也造成能量的损耗。

瞬变电磁法在煤矿采空区勘探中的应用1方法原理1.1采空区地球物理特征岩层的差异造成了其不同的电性。

地下煤层在进行开采的时候因为各种原因，会形成一些空间，通过重力的持续影响，使得釆区上方的岩体出现一些破坏，也会产生一定程度上的转移,这一部分岩体的视电阻率就会比周围相岩层的电阻率高。

而几乎没有移动的岩体，裂隙数量就比较少，视电阻率的情况变化不大。

如果采空区的空隙被填满，就会出现很大程度的低电阻阻力，而一些较为悠久的老采空区一般就会出现这种情况，正在开采和开采时间并不长的崭新的采空区，相对而言高阻扭曲情况较多。

所以通过观测釆空区周围岩体的电性异常，也可以挑选更加符合实际情况的勘探方法，并且能够发现采空区的具体情况，为釆空区的处理提供一些基础条件。

1.2瞬变电磁法原理瞬变电磁法也可以被叫做时间域电磁法,其物理性质是由地质体电阻率差异决定的。

不接地回线或接地长导线供以双极性脉冲电流下，如果回线中的稳定电流因为一些情况停滞，发射回线中电流突变就会在这个区域内产生一次磁场。

一次磁场在运行时候过程中，如果出现地下良导电的地质体，就很容易在内部产生感应电流，也就是二次电流。

因为大部分导电地质体是非线性的，一次场如果突然消失，那么涡流就容易出现一个瞬变过程,这个过程的整体速度和导体的电性参数有着直接的关系,低阻地质体的感应二次场衰减速度相对比较缓慢，二次场电压比较高；高阻地质体感应二次场衰减所用的时间较短，二次场电压相对较弱，这种涡流瞬变的整个过程，在空间能够形成相应的瞬变磁场，也可以称为二次场。

按照接收线圈进行测试的二次场衰减曲线的具体情况，能够全面的判断地下地质体的电性，性质、规模和产状等，这样能够在很大程度上对类似于断层、异常区、异常积水区、陷落柱等缺陷制定相应的弥补手段。

2应用实例2.1地质与地球物理条件勘探地区属于比较典型的黄土高原地形地貌，该区域的黄土层相对较厚，地形波形相对较小；地表被长年累月的冲刷十分明显，冲沟很多。

瞬变电磁物理探测法在煤矿井下探测的应用【摘要】瞬变电磁法和高密度电阻率法是目前应用于矿井工作面水文地质条件探测的主要水文物探方法，它们在工作面顶、底板岩层含水地质异常体、裂隙带富水性、导水通道、含水钻孔和含隔水层厚度探测等方面应用广泛。

本文介绍了瞬变电磁法在实际工程勘探中应用案例，该方法可以准确反映出巷道前方构造赋水状态，能为煤矿企业在生产过程中超前预测预报水患、导水构造和矿井防治水害防治提供技术依据。

【关键词】矿井瞬变电磁仪例子赋水状态1 引言鸡西矿区新发煤矿矿井水文地质条件复杂，水害严重，2011年该矿引进了YCS40-1型瞬变电磁测深仪，截止到2013年4月末共进行了127次物探工作，其中井下瞬变电磁法物探43次。

通过设计适合矿井巷道条件的装置形式，基本能探测出工作面煤层顶底板、回采煤层及巷道前方构造赋水状态。

特别在巷道掘进前方的赋水性预测、预报对巷道安全高效掘进和预防水害事故起着重要的作用，为煤矿企业在生产过程中超前预测预报水患和导水构造提供技术依据。

2 矿井瞬变电磁法井下现场工作方法矿井瞬变电磁法是在井下巷道中进行勘测的，考虑到井下巷道空间的限制，限制了发射装置的发射功率，因此采用了多匝一小回线装置，既可以在狭窄的巷道空间中方便的进行各种角度的旋转、位移，也增加了发射功率和探测深度。

在巷道迎头做超前探测具体施工时，测点在巷道迎头空间的布置（如图1）。

从巷道迎头的一侧开始，使发射、接收回线装置的法线垂直巷道侧面进行测量，然后旋转回线装置，使装置的法线方向与巷道的侧帮分别成一定、逐渐增大的夹角进行探测；当回线装置的法线方向与巷道迎头界面垂直时，根据其主迎头断面的宽度布置2～3个测点；到巷道迎头另一侧时再同刚才一样旋转回线装置，使回线装置的法线方向完成180°的旋转角度。

同时还可以将回线装置的法线方向分别向上和向下与水平面成大约45°角，然后在进行如上的旋转探测。

可以得到一个以巷道迎头位置为中心的，向掘进方向的成半球体探测范围，从而可以全方位的确定巷道前方及其周围是否有低阻异常的存在。

瞬变电磁法在煤矿防治水探测中的应用王国霞（湖南省煤田地质局物探测量队株洲市 412003）摘要瞬变电磁法利用接收二次场，对含水低阻体具有较高的灵敏度，在矿山水文勘查中可把老窑采空区积水区和岩溶发育区的含水地质体找到。

成功地利用该方法在冷水江市某煤矿防治水探测的工程实例说明，瞬变电磁法在我省煤矿中具有较好的推广价值。

关键词瞬变电磁法煤矿防治水1 瞬变电磁法应用原理瞬变电磁法属于时间域电磁感应法，瞬变电磁法的勘探原理是利用不接地回线或接地线圈向地下发送脉冲电流,以激励探测目标体感应二次电磁场,脉冲间歇期间利用线圈或接地电极观测二次场随时间变化的响应。

工作时,首先给发射线框提供直流电流,然后突然切断电源。

线框内的电流将发生一个突变。

根据麦克斯韦电磁理论,发射机电流突然降到零的过程,将在发射线框附近产生一次脉冲磁场, 该一次磁场又在地下产生感应涡流场,衰变的涡流场又会产生衰变的二次磁场,并随时间的推移不断向下、向外扩散。

低电阻率地质体如导水断层、富水区、金属矿体等能引起较强且衰减慢的二次涡流场,而贫水区等高阻体引起较弱且衰减快的二次场。

二次场的本质特征是由探测目标的物理性质及赋存状态决定，时间早晚与探测深度具有对应关系：早期信号反映浅部地层、地质信息，晚期信号反映深部地层、地质信息。

一般来说，探测目标的几何规模越大、埋藏越浅、导电性越好，则二次场的信号越强、持续时间越长。

通过分析“二次场”的空间分布特性和时间特性，可以推测解释地层或地质目标体的几何和物性特征。

由于是在没有一次场背景的情形下观测纯二次场异常，因而异常更直接、探测效果更明显、原始数据的保真度更高。

其工作原理见图1-1。

t>0T X图1-1 瞬变电磁原理示意图图1-2 重叠回线装置示意图由于采用线圈接收感应电动势V2，故对空间的电磁场或其它人文电磁场（也就是通常所说的干扰）敏感。

为了减少此类干扰，采用尽量大的发射电流，以获取最大的激励磁场，增加信噪比，压制干扰。

瞬变电磁法在煤矿采空区探测中的应用作者：刘亮顾广宇来源：《中国新技术新产品》2013年第20期摘要：采空区的存在对煤矿区的生产、人民财产安全和工程建设造成极大的安全隐患，通过地球物理方法有效地探测采空区的位置、范围、深度，成为解决上述问题的关键。

由于瞬变电磁法对于采空区积水探测效果极佳，探测深度也较大，因此本文从采空区地球物理特征入手，分析瞬变电磁法探测采空区的基本原理，结合工程实例说明瞬变电磁法可有效地实现对采空区的探测，为采空区的综合治理提供可靠的地质资料。

关键词：采空区；瞬变电磁法；综合治理中图分类号：TD853 文献标识码：A1 概述老煤矿开采形成的采空区是矿区安全生产的重大隐患，严重威胁矿区的安全生产和人民生命财产安全。

采空区冒落、地表塌陷易造成民房下沉裂损甚至倒塌，公路、铁路、水利等基础设施损坏和生态环境破坏。

采空探测问题在矿山安全生产、人民生命财产安全和基础设施建设方面显得尤为重要。

电法勘探是采空区探测的传统方法，探测精度高，其中瞬变电磁法（TEM）作为一种时间域电磁勘探方法在采空区探测方面行之有效，该方法具有适应性强受地形影响小，装置简单，工作成本低，效率高等优点，适用于复杂地形情况下的中浅层勘探。

2 采空区地球物理特征煤层赋存于成层分布的煤系地层中，地下局部煤层采出后，在岩体内形成有一定规模的空间，周围的应力平衡状态遭到破坏，会产生局部的应力集中，当开采面积较小，且煤层顶板为塑性岩性并保存完整时，由于残留煤柱较多，应力转移到煤柱上，未引起地层变动，采空区以充水或不充水的空洞形式保存下来；但多数采空区顶板在上覆岩层压力作用下、发生变形，断裂移位、冒落形成垮落带、断裂带和弯曲下沉带（如图1所示）。

由于各自的地质条件不同，采空区被空气、地下水、泥沙等介质所填充，采空区内介质和围岩相比都存在明显的物性差异，这是物探方法探测的地球物理前提条件。

煤层采空后，上覆地层中裂隙广为发育，地层变得松散失水，甚至坍塌，使得电磁波的能量衰减加大，干扰加强，地层的导电性明显减弱，形成相对高阻电性特征；当地下水沿破碎岩层和裂隙向采空区汇集并溶解大量的电解质时，导电性加强，表现为低阻电性特征。

瞬变电磁法在煤矿采空区探测中的应用摘要：为确保某创新园区项目建设施工的安全性，对拟建区域西侧张家北煤矿区内的采空区进行勘察。

大量研究资料显示，瞬变电磁法在煤矿采空区探测方面具有良好的应用优势。

本文根据采空区附近岩石特征等应用瞬变电磁法解译深部采空区以及影响范围，研究成果为拟建项目进一步确定治理方案提供了基础依据。

关键词：瞬变电磁法；煤矿；采空区；探测应用1瞬变电磁法概述1.1基本原理所谓“瞬变电磁法”，是从接地线源、不接地回线中发射一次脉冲电磁场，在一次脉冲电磁场的发射间歇，以接地电极、不接地线圈为观望角观测二次涡流场。

瞬变电磁法从矿井下、地面配置的波形电流中发射线圈。

与此同时，一次脉冲磁场在地下导电岩矿体处产生感应电流。

感应电流在断电后由于热损耗作用而逐步衰减。

衰减分早期衰减、中期衰减和晚期衰减。

早期电磁场的衰减趋肤效应弱且衰减快，而晚期电磁场的衰减与早期电磁场的衰减表现完全相反。

断电时，以二次磁场与时间的变化关系为准则，以深度为划分依据，归纳地电特征。

将矩、电导率σ为参数的以各向均匀同性介质为成分形发射回线铺埋在以磁导率μ的地面中，将阶跃脉冲电流提供给矩形发射回线，有：式(1)中，I为阶跃脉冲电流，A;t为时间，s。

当电流处于连接状态时，在矩形发射回线四周的空间、大地中通过发射电流构建稳定磁场。

处于零时刻时，瞬间切断电流，一次磁场也因电流的瞬间切断而发生瞬时变化。

一次磁场变化情况通过地下导电介质、空气等传输通道传送到矩形发射回线周围环境，借助于环境激发的感应电流对原有磁场进行能量补充，减缓磁场能量的消失直至完全消失。

若无良导体，过渡过程极其短暂；若有良导体，过渡过程将会延长。

地下涡旋电流产生的磁场与水平环状线电流产生的磁场类似。

当发射电流即将处于关闭状态时，矩形发射回线、环状线电流不但紧密相连，而且形状类似。

电流环逐步向四周扩散形成圆电流环。

与地面瞬变电磁法原理类似，矿井采空区积水瞬变电磁法只负责巷道的探测工作，进而产生烟圈效应，并逐步向巷道空间扩散。