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直流电法、高密度和瞬变电磁法简介

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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
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。

N
na
N M A
B

na
a

（施伦贝谢尔）

图1 施伦贝谢尔对称四极测深法
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。

A N M O
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
有以下优点：
1、电极布设是一次完成的。虽然在工作开始观测前要投入较大的工作量来完成多电极
的布设工作，但这样做可以防止因电极重复设置引起的干扰，减小了测量误差。
2、常规电阻率测深一次只能得到一条剖面上一个点的电阻率值，而高密度电法在电极
布设好时可以得到一条剖面下整个断面的电阻率参数。大量的信息使我们在异常解译上排除
电法工作的多解性有了较大的帮助。
3、野外的数据采集、收录实现自动化、智能化，因此可以方便的采集到同一深度上多
个电阻率参数以及不同深度上电阻率参数。数据的自动存储避免了人为的观测记录误差，智
能化可以实时看到地电断面电阻率变化特征，便于与计算机联接实现数据共享，便于后期资
料处理。
4、由于在一条地电断面上有很多的电阻率值（所以称之为高密度电阻率），在现代计
算机技术的支持下，利用现在较成熟的应用软件包，我们可以很方便的得到一条地电断面异
常图，使我们很直观的分析地质体的相对电性特征，从而了解异常地质体的埋深、规模等。
而常规电阻率测深无法做到这一点。

矿井高密度电法装置形式
高密度电法在野外工作时，将多电极按一定的间隔布置，观测过程中电极按一定规律组
合，一次布置电极可实现不同的观测装置。高密度电法野外工作是采用多种装置形式，其各
种装置形式的工作示意图如下：
①二极装置Pole-Pole

装置系数K=2πr，其中r为电极间距，AM=nr
②二极装置P-Pole-Pole

装置系数K=2πr，其中r为电极间距，AM=nr
③单边三极装置P-Dpole
装置系数K=2πn(n+1)r，其中r为电极间距，n为隔离系数，AM＝nr，MN＝r
④偶极装置Dpole-Dpole

装置系数K=2πn(n+1)r，其中r为电极间距，n为隔离系数，AB=MB=r，BM=nr
⑤斯龙倍格装置Schlumberger：

装置系数K=πn(n+1)r，其中r为电极间距，n为隔离系数，MN=r,AM=NB=nr
⑥温纳装置Wenner：

装置系数K=2πr，其中r为电极间距，AM=MN=NB=nr
2 矿井瞬变电磁技术的基本原理

目前，国内外常采用的预测方法主要是根据矿井已有的水文地质、构造地质和钻探资料，
借助于各种物探方法进行综合分析，而物探方法在井下探测水源体比地面物探具有独特的优
势。瞬变电磁法由于在煤矿防治水中的独特优势，在巷道迎头超前探测以及底板突水预测预
报方面受到了广泛的重视。
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（图1）。其物理基础是电磁感应原理，根据此理论，
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。
t>0
t=t
3

t=t
2

t=t
1

X

Tx

Z

-Z

图1 瞬变电磁法示意图
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。
由于特殊的井下施工环境，相对于其它方法而言，矿井瞬变电磁法有着很大的差异，主
要有以下两方面的优点：
（1）由于井下施工环境与地表不同，无法采用地表测量时的大线圈（边长大于50m）
装置，只能采用边长小于3m的小线框，因此与地面瞬变电磁法相比数据采集工作量小，测
量设备轻便，工作效率高。
（2）由于采用小线圈测量，点距更密（一般为2-10m），可降低体积效应，提高勘探
的横向分辨率。测量装置距目标体更近，将会大大提高异常体的感应信号强度。
施工方法
迎头超前探测
巷道迎头
巷道前方
工作面内探测

巷道断面
顺层探测

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瞬变电磁法探测原理

瞬变电磁法探测原理

远区 中区 近区
2007 吉林大学
中心回线，回线半径100 100米 两层大地的电动势时间特性曲线 （中心回线，回线半径100米）
曲线62.8。衰减
曲线出现跷曲
2.不导电介质中的非磁性导电球体响应 不导电介质中的非磁性导电球体响应
Ia l 1 2 exp(−k t / τ ) εc (t) = 48π µ0 2 −1 2 3 • (4l π + h ) τ k =1
2 i (t) H1(t,0,0) = i (t) ≈ 0.45 πa a
一次磁场垂直分量随时间的变化率可写为： 一次磁场垂直分量随时间的变化率可写为：
∂H 1 (t ,0,0 ) 2 ∂ i (t ) 0 .45 ∂ i (t ) = ≈ ∂t π a ∂t a ∂t
2.回线轴上的一次场垂直分量为： 2.回线轴上的一次场垂直分量为： 回线轴上的一次场垂直分量为
时间域电磁法中，激发波形可以采用多种具有周期性的 时间域电磁法中，激发波形可以采用多种具有周期性的脉 具有周期性 冲序列，例如：矩形、梯形、半正弦形、三角形、 冲序列，例如：矩形、梯形、半正弦形、三角形、伪随机等 波形。 波形。 对瞬变电磁测深，在实际应用中，为了有效地抑制观测系 对瞬变电磁测深，在实际应用中， 统中的直流偏移和超低频噪声 干扰， 直流偏移和超低频噪声的 统中的直流偏移和超低频噪声的干扰，将不同时域的相应二 次场进行叠加，以消除随机干扰，提高信噪比， 次场进行叠加，以消除随机干扰，提高信噪比，需要采用周 期性脉冲序列连续激发二次场。 期性脉冲序列连续激发二次场。经常采用的激励场波形主要 双极性矩形脉冲、双极性半正弦脉冲、 有双极性矩形脉冲、双极性半正弦脉冲、双极性梯形脉冲序 等来激发二次电磁场。 列等来激发二次电磁场。
瞬变电磁详细原理

瞬变电磁详细原理



I 0
AR b
3 2
2
20

5 / 2 5 / 2
t
2007 吉林大学
晚延时的衰减曲线
重叠回线与中心回线曲线对比
中心回线
非磁性均匀半空间电动势响应
0 t /( 0 a )
2

0
3
近区或晚期条件
0.01 τ 0 3 中区或晚期条件
重叠回线
0 0 . 01
2007 吉林大学
TEM探测流程
激发源 发射机 信号检测 （接收机）
探测对象
理论模型 正演计算
反演解释
数据处理
2007 吉林大学
TEM信号向地下扩散示意图
早 期 信 号 反 映 浅 部 结 构
晚 期 信 号 反 映 深 部 结 构
2005 吉林大学
瞬变电磁法 (TEM) 的实际过程示意图
2007 吉林大学
2 2 2 2 1/ 2
H 1 (t ,0 ,0 ) f ( z / a )
磁场随时间的变化率可写为：
H 1 (t , z ,0 ) t 2 (1 z / a )( 2 z / a )
2 2 2 2 1/ 2

H 1 (t ,0 ,0 ) t

H 1 (t ,0 ,0 ) t
a
一次磁场垂直分量随时间的变化率可写为：
H 1 (t ,0 ,0 ) t 2 i (t ) 0 . 45 i ( t ) a t
a
t
2.回线轴上的一次场垂直分量为：
H 1 (t , z ,0 ) H 1 (t ,0 ,0 ) 2 (1 z / a )( 2 z / a )
CUGTEM-8瞬变电磁仪说明书

CUGTEM-8瞬变电磁仪说明书

目录一、瞬变电磁仪的介绍................................................................................................................... - 4 -1.1瞬变电磁法的概念 (4)1.2瞬变电磁仪的特点 (4)1.3瞬变电磁仪的主要应用 (5)1.4CUGTEM-8瞬变电磁仪的主要性能指标 (6)二、瞬变电磁仪CUGTEM-8的组成................................................................................................. - 7 -2.1发送机 (8)2.1.1 发送机的工作原理......................................................................................................... - 8 -2.1.2 发送机电路组成............................................................................................................. - 8 -2.1.3 发送机面键控制功能..................................................................................................... - 8 -2.2接收机 (9)2.2.1 接收机工作原理............................................................................................................. - 9 -2.2.2 接收机的电路组成......................................................................................................... - 9 -2.2.3 接收机面键功能............................................................................................................. - 9 -2.2.4 电池箱........................................................................................................................... - 10 -2.3相关配件 (10)2.3.1 航插转USB数据线、U盘............................................................................................ - 10 -2.3.2 电缆................................................................................................................................ - 11 -三、仪器软件的介绍及野外施工的操作步骤 ............................................................................. - 13 -3.1仪器软件的介绍 (13)四、仪器的数据采集..................................................................................................................... - 15 -4.1仪器的连接 (15)4.1.1 仪器的准备................................................................................................................... - 15 -4.1.2 工区基本资料的准备................................................................................................... - 15 -4.1.3仪器的摆放.................................................................................................................... - 15 -4.2参数设置 (15)4.2.1 工作信息设置............................................................................................................... - 15 -4.2.3通讯检查........................................................................................................................ - 17 -4.2.4匹配电阻的选择............................................................................................................ - 17 -4.2.5 野外数据采集............................................................................................................... - 18 -4.3数据采集过程中注意事项 (18)五、数据的处理及判别................................................................................................................. - 20 -5.1野外施工数据质量简单判别及数据处理准备工作 (20)5.2输入采集的数据 (21)5.3进行数据预处理 (21)5.3.1 数据预处理向导........................................................................................................... - 21 -5.3.2 时间道的设置............................................................................................................... - 23 -5.3.3 数据滤波处理............................................................................................................... - 24 -5.4完成解释图 (27)5.5输出多测道数据文件 (28)六、 SURFER软件的应用................................................................................................................ - 29 -6.1数据网格化 (29)6.2新建等值线图 (29)6.3填充等值线图 (30)七、仪器装备的维护及常见问题的处理 ..................................................................................... - 33 -7.1仪器维护的基本要求 (33)7.2仪器常见故障检查及处理方法 (33)附录锂离子电池专用充电器使用说明书（电池生产厂家提供） ........................................... - 34 -一、瞬变电磁仪的介绍1.1 瞬变电磁法的概念瞬变电磁法（Transient Electromagnetics Method, TEM）是以地壳中岩（矿）石的导电性与导磁性差异为主要物质基础，根据电磁感应原理，利用不接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场的间隙期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场，并研究该场的空间与时间分布规律, 来寻找地下矿产资源或解决其它地质问题的一支时间域电磁法。

瞬变电磁测深法

瞬变电磁测深法

四）瞬变电磁测深法（水文地质工作手册）1、 方法原理简介瞬变电磁测深法(简称TEMS)是一种时间域电磁法。

基于电性差异，以阶跃波形电磁脉冲激发，利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场的间歇期间(断电后)，利用线圈或接地电极测量由地下介质产生的感应二次场（二次涡流场）随时间的变化，达到寻找目标地质体的地球物理勘探方法。

其数学物理基础为电磁感应原理，即导电介质在阶跃变化的激励磁场的激发下产生涡流场的问题。

一次脉冲信号。

二次场信号表示为：52M q Vμ⋅⋅=(1) 式中：0μ为磁导率；M 为发送线圈磁矩；q 为接收线圈等效面积；ρ为地层电阻率；t 为时间。

从上式中可以看出，二次场信号与34ρ ，54t 成反比，当探测地下良导电地质体时。

在往地面敷设的发送回线中通以一定的脉冲电流。

使回线中间及周围一定区域内便会产生稳定的磁场(称一次场或激励场)，如果一次电流突然中断，则一次磁场随之消失，使处于该激励场中的良导电地质体内部由于磁通量Φ的变化而产生感应电动势d dt ε=-Φ (据法拉第电磁感应定律)，感应电动势在良导电地质体中产生二次涡流，二次涡流又由于焦耳热消耗而不断衰减，其二次磁场也随之衰减(见图1)。

由于感应二次场的衰变规律与地下地质体的导电性有关，导电性越好，二次场衰减越慢；导电性越差，二次场衰减越快。

因此，通过研究二次场的衰减规律便可达到探测地下地质异常体的目的。

图1 TEM 法工作原理示意图瞬变电磁场在大地中主要以扩散形式传播，在这一过程中，电磁能量直接在导电介质中由于传播而消耗，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。

传播深度：d= （2）传播速度：zd V t ∂==∂ （3）式中：t — 传播时间；σ —介质电导率；0μ— 真空中的磁导率。

由(2)式得：72210t h p π-=⨯， (4) 在中心回线下，时间与表层电阻率之间的关系可写为：()()2125031400I L t ηπρμ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦= (5) 联立(4)(5)式，可得中心回线装置估算极限探测深度H 的公式为:15210.55L I Hρη⎛⎫ ⎪⎝⎭= (6)mR N η=式中:I — 发送电流；L — 发送回线边长；1ρ—上覆电阻率；η—最小可分辨电压，它的大小与目标层几何参数和物理参数及观测时间段有关。