煤炭电法勘探技术应用实例

井中物探，或称钻井（钻孔）地球物理勘查，是指把接收传感器下到钻井中采集有关物理量数据，从而获得钻井周围某些待查隐伏目标有用信息的各种物探方法。

和前述测井方法不同之处在于，井中物探的勘查范围是钻井四周、钻井之间或钻井下方的较大空间。其具体范围决定于所用物探方法技术及探测目标状况，目前一般为井轴横向或井底垂向数十至数百米。

应当说明，某些主动源电法和弹性波法，有把激发源置于井中而在地面采集有关数据的工作方式，即“井-地”工作方式。按我们的分类原则它们应属于地面物探。事实上，主要采用井-地方式工作的某些物探方法，如充电法、接触极化曲线法、逆垂直地震剖面法等，我国物探界通常也是把它们视为地面物探方法。也有一些物探方法，如激发极化法、声波透视法等，我国许多物探工作者习惯上把它们的井-地工作方式和其地-井、井-井工作方式一概视为井中物探方法。另一方面，我们列为井中物探方法的垂直地震剖面法又常被地震工作者视为地面地震方法的组成部分。

（一）应用发展

井中物探在我国首先用于金属矿产勘查。1958年地质部门在辽宁大套岫峪铅锌矿区进行的井中单分量磁测应是我国井中物探工作的开端。此后，随着我国铁矿找矿工作的大规模展开，20世纪60～80年代井中磁测方法在全国大量推广使用，投入仪器数百台，勘测井孔数千个，成效卓著[1～4]。20世纪60年代开始，井中激发极化法和井中电磁波法在我国铜、铅锌、镍、铬等矿产勘查中的应用也得到较快发展[5～10]。上述三种方法在判断地面异常性质，找寻井旁井底隐伏矿体并推定其位置、延伸、边界、产状等方面发挥了特有的重要作用，曾被我地质部门物探工作者誉为“地下物探三朵花”。20世纪80～90年代，其他一些井中物探方法，包括井中脉冲瞬变电法、井中低频感应电法、井中弹性波法等也在我国金属矿勘查中得到应用，在一些地区取得良好效果[11～14]。进入20世纪90年代，随着我国金属矿勘查工作特别是钻探工作量锐减，金属矿领域的井中物探工作也大幅度减少。

井中物探在我国的另一重要应用领域是油气勘查和开发。主要使用了井中弹性波法，其中包括20世纪80年代以来在我国快速发展的垂直地震剖面法，以及90年代获得应用的井间地震法及声波法。众所周知，近二十年来，垂直地震剖面法已成为我国油气地震工作的重要组成部分。它在辅助地面地震资料解释，研究井孔附近地层构造细节及岩性变化，预测钻头前方目的层深度和岩性等方面发挥重要作用[15]。井间地震层析成像是近年油气领域最活跃的前沿技术之一，它在储层描述、油藏开发方面的作用日益显著[16]。20世纪90年代中期我石油部门引进了井中重力仪器和技术，用于测量井周地层密度从而获得有关孔隙度及溶洞裂隙构造资料，初步取得成效[17,18]。20世纪90年代后期，我石油部门又引进低频电磁成像仪器和技术，获得了较大井间距的电导率构造图像，认为在研究井间砂体连通性，监测储层水淹状况及残余油分布等方面有良好应用前景[19]。

20世纪70年代初以来，井中物探在我国煤炭勘查中也有较多应用。主要是使用井中电磁波法勘查煤矿区地下溶洞裂隙等构造，在解决矿区水文地质特别是井下水害防治问题上发挥了良好作用[9,10,20]。20世纪80年代中期以来，随着煤田地震工作的蓬勃发展，垂直地震剖面及井间地震方法也在煤炭勘查领域获得应用[21]。20世纪90年代后期，我煤炭部门引进了钻孔地质雷达，取得初步成效[22]。

20世纪80、90年代，井中物探在我国水文及工程勘查领域获得快速发展，其应用的广度已超过同期固体矿产勘查领域。使用方法主要是井中电磁波法和井中弹性波法。电磁波层析成像和弹性波层析成像在我国大桥、水库、电站及其他大型高层建筑基础探测，坝体及其他大型混凝土建筑质量检测，以及岩溶区地下暗河调查等方面发挥了重要作用[9,l0,23～27]。

（二）技术进步

在我国曾经使用的井中物探方法主要有磁法、电法、弹性波法和重力法。其中电法和弹性波法又有多种具体方法及单井、井-井、地-井等工作方式。

1.井中磁法

井中磁法在钻井中采集地磁异常数据。和地面及航空磁测目前主要测定标量总磁异常不同，迄今为止我国井中磁测主要是测定地磁异常单个或三个分量。

1958年我地质部门用自制磁通门式单分量井中磁力仪在辽宁大套岫峪铅锌矿区试验，取得了我国首条井中磁测曲线，在磁黄铁矿层上获得明显地磁异常。当时，沿用了原苏联“磁测井”名称。1960年地质部门工厂曾生产出一批磁通门式单分量井中磁力仪，但性能不过关。随后，冶金部门在研制出补偿式磁通门单分量井中磁力仪的基础上，1965年试制出我国首台三分量井中磁力仪[28]。1968年冶金和地质部门合作制出正式样机，1970年地质部门工厂开始批量生产我国首批野外推广应用的井中三分量磁力仪，其传感器采用了当时居先进水平的垂向三轴系统。1979年至1985年地质部门工厂又先后生产出两种型号小口径三分量井中磁力仪。它采用了五个磁敏元件，除测定地磁异常垂向和水平三分量外，还可同时测定钻井顶角。总体性能也有所改善。

这些井中磁力仪在全国强磁性矿床——主要是磁铁矿床的普查勘探中普遍推广应用。我国物探工作者在大量实践的基础上，对各种产状磁性体三维空间磁场（包括磁性体内部磁场）的理论及异常特征，单分量及三分量井中磁测数据处理解释作了深入研究，形成了一整套实用的野外及室内工作方法技术，并出版了专著[1,29～31]。

由于在小口径下井探管中磁敏系统自动高精度定向技术和工艺等问题有待进一步解决，迄今我国所生产井中磁力仪垂向分量观测精度仅为±（100～150）nT，水平分量精度更低，尚仅能用于强磁异常探测，影响了这一方法的扩展应用。

2.井中电法

井中电法在我国起步于20世纪60年代中期。在此后的三十余年中，发展了包括传导类和感应类，低频和高频，频率域和时间域的多种方法。其中获得广泛应用的是井中激发极化法和井中电磁波法。

A.井中激发极化法和直流电法

井中激发极化法于20世纪60年代末由原苏联传入我国。我国对其较系统的研究、实验和应用始于20世纪70年代初，在一些金属矿区发现或追踪井旁隐伏矿体取得良好效果。由于井中激发极化法的应用理论基础和地面激发极化法相同，工作方法技术类似，在地面采集系统基础上增添简单设备即可实施井中采集，因此迅速在地矿、冶金、有色、核工业、建材等部门许多基层物探工作单位获得推广。

在推广应用的同时，我国物探工作者对井中激发极化法的数据采集及资料处理解释方法技术作了进一步研究，进行了系统的物理和数值模拟，编印了模型实验图册，编写出版了方法专著[32～35]。地质部门仪器工厂还专门生产了配套的井中激发极化采集系统[36]。

和地面方法一样，井中激发极化法在获得井周或井间激发极化异常的同时，也实现了井中直流电法作业，获得井周或井间电阻率分布资料。实际上，从20世纪60年代初开始，我国已经开展了某些在地面或邻井中以点源或线源方式供电，在井中观测电位或电位梯度分布的井中直流电法工作。在发现井旁或井间低电阻或高电阻矿体或其他异常体方面取得一些成效。20世纪80年代后期，特别是进入90年代，在地球物理层析成像技术发展带动下，井间直流电法也进一步受到重视，研究发展了根据井中直流电场数据获得井间电阻率分布图像的方法。我国物探工作者在这方面也取得了一些重要研究成果[37～40]。

B.井中电磁波法

井中电磁波法（也称“钻孔电磁波法”或“井中无线电波法”）在我国起步于20世纪60年代初，借鉴了原苏联“阴影法”技术资料。1964年我地质部门科研单位研制出我国首台电子管电路的井中电磁波仪，次年即在安徽月山铜矿区找寻深部盲矿工作中发挥了重要作用。随后，这一方法在其他金属矿产及水文工程勘查工作中也取得良好成效，在技术上和应用上获得快速发展。1982年我国物探工作者编写出版了这一方法专著[41]。

至20世纪末的三十余年中，我国地质、煤炭、铁道、地震等部门有关工厂及科研单位先后研制生产了14种型号适应于不同应用领域不同工作条件的井中电磁波采集系统，总数近200台。其工作频点由少到多进而实现宽带跳频扫描，频率范围扩展到0.3～35MHz,20世纪90年代初开始生产微机化采集系统。在配用小型宽频有源天线方面也作了一些努力，但尚未达到实用水平[9,42～44]。

我国物探工作者在扩大井中电磁波法应用的同时，十分重视其理论和数据处理解释技术水平的提高。从最初的正常场对比、平面交会，到空间交会、吸收系数剖面，进而到层析成像，我国物探工作者作了大量深入研究工作。发展了多种处理解释方法，进行了系统的物理和数值模拟，形成了系统的处理解释软件并逐步升级[40,41,45～52]。作为地球物理层析成像的重要组成部分，我国物探工作者在电磁波层析成像的理论、方法和软件方面取得了许多重要研究成果[53～59]。

也应指出，迄今为止我国实际应用的地下（包括井中和坑道）电磁波方法及仪器尚仅限于利用振幅参数，限制了其功能和效果的进一步提高。早在20世纪80年代原苏联在这一方法中已开始综合利用振幅和相位两种参数，最近我国多参数地下电磁波系统的研究已经起步。

C.其他井中电法

除上述外，在我国曾经使用过的井中电法还有井中低频电法、井中脉冲瞬变电法和钻孔雷达方法。这些方法在我国开始使用较晚，工作不多。

20世纪80年代初，我地质部门勘查单位研制了频率域的井中低频电磁仪。它使用三种频率和地面回线源，曾在一些金属矿上试验应用取得较好效果，并通过模型实验编制了典型曲线图册，但未继续发展和推广应用[10]。20世纪90年代后期，我石油部门和美国公司合作引进了井间低频电磁成像系统和技术。它使用100～103Hz间多个频点。在胜利油田工业性试验中获得了间距434m裸眼井对间及间距150m裸眼井-套管井对间良好的电导率图像资料[19,60]。我国物探工作者对井间电磁成像的反演算法也作了初步研究[61]。

20世纪80年代中期，我有色金属工业和地质部门在发展地面瞬变电磁法的同时，也开展了一些地-井方式井中瞬变电磁法的试验和应用。引进并研制了有关仪器和下井探头，进行了模型实验，在一些矿区找寻井旁和井底隐伏矿体取得了成效[14,62,63]。我国物探工作者在瞬变电磁法专著中也对井中瞬变电磁法作了系统论述[64]。

1995年，我煤炭部门首次引进了瑞典公司生产的钻孔雷达系统，用它在煤矿区探测碳酸盐岩裂隙和溶洞发育情况。使用了单孔反射和跨孔层析成像两种工作方式，取得初步成效[22]。

3.井中弹性波法

在我国使用的井中弹性波法包括井中地震法和井中声波法。前者的地-井和井-井工作方式分别被称为“垂直地震剖面法”和“井间地震法”；后者也有地-井和井-井工作方式。实际上，井中地震法和井中声波法工作频段相近或相同，具体作业方法技术也无实质性差异。通常，前者泛指使用各种不同类型震源和检波器（以井中三分量检波器为主）采集不同类型和性质弹性波（纵波和横波，透射、反射和折射波）数据的工作方式；后者则特指使用压电、磁致伸缩或电火花振源和压敏式井中检波器采集透射纵波的工作方式，故又常被称为“井中声波透视法”。

采用地-井工作方式的“地震测井”仅作为一种求取平均速度和层速度的参数测定手段，我们不将其列入井中地震勘查方法。

20世纪60年代末，井中声波透视法首先在原苏联开始应用和发展。20世纪70年代，我国一些部门有关单位开始研究用于工程领域的声波探测技术。1979年我铁道部门科研单位研制出用电火花振源的井中声波透视仪并用于野外岩体结构探测[65]。1986年我地质部门科研单位研制成首台可用于矿产勘查记录声波走时和振幅的井中声波仪。此后又陆续研制生产了多种型号的微机化井中声波探测系统，形成了系列产品，配套了包括层析成像在内的处理解释软件。这些采集系统都使用电火花振源，并成功地把蓄能和控制电路全部置入下井探管，避免了电缆传输高压脉冲的损耗。井中声波法在我国矿产和工程勘查中取得了良好效果[66,67]。

垂直地震剖面法在我国主要应用于油气勘查领域，煤炭及工程勘查工作中也有应用。它在提供地层岩层弹性力学参数，配合提高地面地震资料处理解释质量，研究井旁地质剖面，预报钻头前方反射层面等方面有重要作用。垂直地震剖面法于20世纪70年代在国外开始发展，很快引起我国物探工作者的重视。1983～1984年我地质及石油部门使用引进的井中三分量检波器，在江苏、中原、南海首先进行了试验，以后迅速在全国推广应用。1988年我国物探工作者编写出版了有关专著[15]。我石油和地质部门工厂生产了多种型号的井中三分量检波器，满足了野外工作需要。我国物探工作者对垂直地震剖面法数据处理和反演解释方法技术的研究，包括偏移处理、波场分离、定向井资料处理、各向异性介质资料处理解释、纵横波联合解释等方面，取得了许多有价值的进展和成果[68～76]。我国物探工作者还在用人工电场改善垂直地震剖面数据质量方面作了初步尝试[77]。

井间地震方法研究在国外始于20世纪70年代，到20世纪80年代才随着井中震源等技术问题的解决和地球物理层析技术的兴起而得到发展。它能以比地面地震高得多的分辨率提供井间岩层、地层、储层特征及结构图像，因而日益受到重视。我国在20世纪80年代后期开始进行井间地震方法技术的试验研究。20世纪80年代末及90年代，井间地震法在我国工程领域，如大型或高层建筑基础勘查等方面取得了一些重要成果。1994～1995年开始在吉林、辽河、胜利等油田用于油气储层研究，随后在其他一些油田也获得应用。工作中使用了电火花震源、锤击震源、特制井中炸药震源及井中液压可控震源等多种类型震源。我国物探工作者在数据采集技术和井间观测系统的设计、采集系统的改进等方面取得了一些有益经验或研究成果[78～82]。把井间地震和垂直地震剖面、逆垂直地震剖面、地面地震等方法综合应用形成所谓“立体地震法”的实践也取得良好效果[83]。

我国井间地震方法实际应用历史尚较短，但对作为地球物理层析成像技术重要组成部分的弹性波层析成像技术，我国物探工作者自20世纪80年代后期开始就给予充分关注，在理论、方法、软件等方面做了大量工作。编写出版了专著，发表了许多有关论述，涉及弯曲射线、最短路径、最大熵、级联、透射、反射、折射、纵波、横波等射线层析和波动方程层析方法和算法，其中不乏有创意的进展和研究成果[84～108]。

4.井中重力法

井中重力法的发展主要决定于井中重力仪制造技术。1966年国外研制出首台可实用的井中重力仪以来，虽也有新产品问世，但限于其较大外径，迄今仍只能在油气钻井中使用。主要用以测定井周地层宏观密度进而获得不受泥浆滤液侵入影响的孔隙度及裂缝溶洞发育情况。我石油部门1991年引进了美国拉科斯特公司井中重力仪，在重庆地区作了深井实测，对其效果和局限性作了初步分析研究[17,18]。

（三）评价和差距

井中物探在我国起步较早，受到不同领域物探工作者和各有关部门的重视，在扩大应用和发展技术上作了积极努力。我国井中电磁波法和井中激发极化法技术及应用居世界先进水平，井中三分量磁测技术及应用在20世纪70～80年代曾一度堪称世界领先。我国在电磁波、电磁场及弹性波层析成像理论和方法研究方面也有不少先进水平成果。

作为物探向深部和立体空间扩展主要途径的井中物探，在我国的发展总体上尚不够理想。特别是近十余年，在一些方面和国际水平差距增大。我国井中三分量磁力仪研制长期停滞不前，迄今仍停留在二十年前的低精度水平，而国外已有高精度产品。井中瞬变电磁法在国外已成为在老矿区找寻大深度良导电性大型盲矿体的有力工具，生产了多种型号配有三分量深井探头的大功率瞬变电磁系统，而我国目前还只能开展一些较浅的单分量工作。我国实用的井中电磁波法尚停留在仅利用振幅参数阶段。井中物探工作离不开钻孔，而由于认识上和管理上的原因，我国近年在金属矿上使用地质勘查钻孔进行井中物探工作的非技术性困难增多，也影响了适用于这一领域的井中物探技术的发展。

生产矿井主要水文地质补充勘探需进一步查清的矿井水文地质条件包括：井田地下水补给边界、井田内断层的导水性、井田内导水通道。在方法上主要是物探、化探、钻探相结合，井上下抽水试验与放水试验相结合，有针对性进行立体综合勘探。通过综合勘探，结合矿井开采的实际水文地质资料，确定导水通道，圈定水害危险区，比较准确评价矿井涌水量。每个矿井应建立健全地下水观测系统（包括水量、水位、水质、水温等），特别应健全各含水层的长观孔，为矿井突水后判断水源提供正确决策。

（一）二1煤水文地质补充勘探

1.水文地质补充勘探的目的

1）进一步探查规划采区的构造分布范围及导水性情况，为防水煤柱的留设提供依据；

2）探查井田范围小煤窑的采掘边界情况、积水范围、煤柱尺寸及导水通道等，为防治小窑水提供科学依据；

3）探查二1煤下伏主要含水层之间的隔水层岩性、厚度、稳定性，隔水性能，构造破碎带对隔水层的破坏程度等；

4）探查太原组薄层灰岩及奥陶系灰岩的厚度、裂隙、岩溶发育程度、水头高度和富水性，以及两者的水力联系程度；

5）科学预测评价采区涌水量。

2.勘探工程的主要内容

（1）二1煤物探工程

根据需要解决的水文地质问题，本次规划拟对二1煤采用的物探方法有：地面三维地震和地面瞬变电磁法。

1）三维地震勘探法。三维地震是进行构造探查最有效的物探方法，此种方法对断层、陷落柱、褶曲等构造的分辨率及定量解释精度较高。本次三维地震勘探在11采区东翼、16采区东翼和21采区进行。

11采区东翼内发育有板桥河逆断层；16采区东翼发育有吴庄逆断层，边界发育有F6断层；21采区位于大冶向斜轴部，且其采区边界发育有F5断层、周山断层和F6断层。在这3个采区内进行三维地震勘探，主要目的是查明采区内断层、裂隙密集带以及21采区边界周山断层和F5断层的性质、分布和断层导水情况等，为合理留设断层煤柱及采区设计提供依据。

本次勘探面积0.8km2。

2）地面瞬变电磁法。在大平井田15采区和13采区部分工作面受老窑水威胁严重，本次规划选用地面瞬变电磁法对采区内充水采空区范围进行圈定，探清井田范围小煤窑的采掘边界情况、积水范围、煤柱尺寸及导水通道等，为防治老窑水提供科学依据。

21采区在三维地震确定断层具体位置的基础上，进一步用瞬变电磁法对断层富水性进行探查。

本次瞬变电磁勘探面积约0.65km2。

（2）二1煤水文地质钻探工程

大平矿现有的观测孔数目较少（目前奥陶系灰岩水观测孔1个，太原组L7-8薄层灰岩没有观测孔），无法对奥陶系灰岩水和太原组薄层灰岩水进行有效的动态监测，而矿井大平煤矿现已全部转入下山开采阶段，且所有工作面均带奥陶系灰岩水水压开采，此外二1煤底板太原组灰岩水对煤层安全开采的威胁也越来越大。但考虑到矿井已进入生产后期，大规模地构建观测网络已不太现实，所以根据矿井采区规划，在重点地段，有针对性的布置少量钻孔，为下部开采提供依据是最经济有效的。

本次共设计奥陶系灰岩长期观测孔3个，太原组L7-8灰岩长观孔1个。各观测孔的位置、作用、深度如表4-7所示。

1）奥陶系灰岩孔。大平井田二1煤水文地质钻探工程布置见表4-6。

表4-6 大平井田二1煤水文地质钻探工程布置

本次规划实施对矿井增补3个地面奥陶系灰岩孔：Od1，Od2和Od3。Od1设计在15采区板桥河逆断层保护煤柱内，其目的是对矿区西部奥陶系灰岩水位进行观测；Od2和Od3孔分别布置在21采区周山断层留设的保护煤柱内和F5断层保护煤柱内，目的是作为长观孔对井田东南部奥陶系灰岩水位进行观测，并对周山断层和F5断层的物探结果进行验证。

2）太原组灰岩孔。本次规划在井田下一步开采的21采区布置一个太原组L7-8灰岩地面长观孔Cd1，对太原组L7-8灰水岩位进行长期观测。

Od1，Od2，Od3和Cd1全孔进行简易水文观测，在钻孔施工完成后进行简易抽水试验。

（二）一1煤水文地质补充勘探

大平矿对一1煤的勘探程度尚停留在建井初期的精查阶段，对一1煤开采的水文地质条件认识也不是很清楚。基于大平矿一1煤层埋深，井田内构造发育情况和承受奥陶系灰岩水压的大小等综合因素考虑，一1煤最佳开采地段为矿井北部一1煤埋深较浅地段。

1.勘探任务

1）详细探明勘探区地质地层情况及构造发育情况；

2）探查勘探区一1煤层顶板太原组薄层灰岩厚度，岩溶裂隙发育程度，含（富）水性及相关水文地质参数；

3）针对奥陶系灰岩富水性分布不均匀的特征，对一1煤勘探区范围内奥陶系灰岩含水层富水性进行探查，查明奥陶系灰岩水压力，奥陶系灰岩补、径、排条件和水位动态规律，奥陶系灰岩富水性和富水强度垂直、水平方向分带规律，导水构造发育程度和顶底板含水层水力联系情况；

4）探查一1煤层底板本溪组隔水层岩性、厚度、完整程度及隔水性能；

5）通过带压系数测试重点探查奥陶系灰岩顶部古风化壳的岩溶裂隙发育情况及阻水性能；

6）探明勘探区范围内有无小煤矿开采，如有要探明其采空区范围、积水范围、积水量、积水压力及其与待掘井巷工程之间的空间关系。

2.勘探方法

（1）一1煤水文地质补勘阶段

本阶段对一1煤水文地质补充勘探主要可以运用的勘探技术有：地面三维地震勘探技术、地面瞬变电磁勘探技术、地面水文地质钻探技术和放水试验技术。具体方法如下：

1）采用地面三维地震勘探技术，探查勘探区地质、地层和构造发育情况，重点对一1煤顶底板含（隔）水层的探查；

2）采用地面瞬变电磁勘探技术，探查勘探区含、隔水层分布情况、富水情况以及勘探区范围内本矿一1煤采空区积水情况和小煤矿采空区分布情况和积水情况；

3）根据三维地震、瞬变电磁勘探结果，布置地面勘探孔，对物探结果进行探查验证，并通过在钻探过程中开展简易水文地质观测，简易抽水试验及岩石物理力学试验，具体通过对水位、单位涌水量、浆液消耗量、渗透系数、水质、同位素等参数综合分析一1煤顶、底板各含水层组的富水情况。地面勘探孔兼做放水试验观测孔。

4）根据上述勘探结果，对本区一1煤层底板奥陶系灰岩水进行井下放水试验。在井下巷道系统、排水系统形成后，在井下施工放水孔并补充少量观测孔，放水试验孔应在物探基础上合理选择孔位（井下放水孔和观测孔还兼作带压系数测试孔）。在井下放水孔放水过程中，利用已有地面勘探孔和新增的井下观测孔对一1煤层底板下伏奥陶系灰岩水、顶板L1-4含水层进行同步水位观测和水化学、同位素试验。

放水试验的主要目的：①奥陶系灰岩含水层的富水性，降落漏斗的形态及其扩展情况，确定影响半径；②查明水文地质边界条件，查明奥陶系灰岩水的补给、径流情况；③确定太原组薄层灰岩L1-4含水层和奥陶系灰岩含水层之间的水力联系；④求取水文地质参数（包括渗透系数、储水系数等），为计算矿区涌水量提供依据，并预测矿井的涌水量。

放水试验后，保留部分放水试验孔进行水位（压）、水量动态长期观测；保留部分地面观测孔作为长观孔，并将其纳入矿井井上下水情监测系统。因一1煤水文地质补充勘探不确定因素较多，其水情监测系统，需在勘探结束后根据具体情况而定，本次不对其作具体规划。

（2）一1煤巷道掘进和工作面回采阶段

1）音频电透视法。音频电透视法是利用电磁波在介质中传播时，其电流强度随介质层电阻率的大小而有规律变化的特征，进而计算出穿透各点的视电阻率相对关系，作出反映探测区域富水性的等视电阻率平面等值线图，并可结合具体水文地质条件推断出顶底板含水体的性质，富水性大小，空间形态及分布范围，为防治水工作提供依据。该方法的主要用途为：①采煤工作面底板下100m内富水区域探测；②采煤工作面顶板100m内富水范围探测；③工作面内老窑、陷落柱平面分布范围探测；④注浆效果检查。

本次一1煤开采，在采煤工作面形成后，应用音频电透视方法对工作面内部及工作面上部50m范围内富水区进行探测，为疏放顶板水提供依据。本规划还选用这种方法探测井下工作面隐伏含水断层和破坏带空间位置及其赋水性变化，注浆检查，为疏水降压等治理工作提供指导。

2）井下直流电法。井下直流电法主要用于巷道顶底板探查，工作面顶板探查和掘进堵头超前探测。具体解决以下问题：

i.巷道顶底板探查。①利用现有的巷道工作，探查深度可达100m，可探测含水层深度，局部富水体深度范围、导升高度及沿巷道方向分布宽度；②提供沿巷道方向垂向电阻率切片剖面，用于解释工作面巷道底板100m深度内的含水、导水体，潜在的突水通道、底板隔水厚度、含水层厚度、含水层原始导升高度；③要求巷道内无大范围积水。

ii.工作面顶底板探查。①改变工作方法利用巷道侧壁可以探测工作面内的隐伏含水构造；②利用多条巷道（上巷、下巷、切眼等）的数据进行立体成图——对工作面底板不同深度进行类似“CT”成像的断面、平面切片，分离出电法含水异常区域，得到视电阻率异常断面图、平面图，进行立体解释。

iii.掘进堵头超前探查。①利用巷道超前探测使用三极空间交汇探测法，可以预测堵头前方80m范围内存在的导、含水构造（断层、陷落柱、裂隙破碎带、老窑巷道），提供前方80m范围内岩石的视电阻率变化信息；②异常为相对异常，可以肯定解释异常区不会存在突水或出水的危险，解释的异常区不能肯定一定出水；③预测堵头的后方必须有不小于前方探测深度的施工空间；④智能傻瓜化资料处理，容易掌握使用。巷道掘进过程中，依据“有疑必探，先探后掘”的原则，采用井下巷道直流电法超前、垂向、侧向探测技术对一1煤层底板导水构造进行探查；采用井下钻探技术对直流电法结果进行验证，并对探查清楚的煤层底板导水构造进行综合治理；在采煤工作面形成后，直流电法在下巷中进行，同时应用音频电透视法同时在上巷和下巷中进行探查。直流电法对地质异常体在垂向上分辨比较清晰，而音频电穿透法对地质异常体的位置分辨比较清晰，因此两者结合可以取得满意的效果。

3.勘探工程布置

本次一1煤水文地质补充勘探初步在矿井北部二1煤露头区与一1煤露头区之间的区域进行，勘探步骤如下：

一1煤开采补充勘探设计→地面三维地震勘探→地面瞬变电磁勘探→地面及井下钻探工程及钻孔带压系数测试→井下放水试验。

（一）瞬变电磁法的资料解释

TEM资料解释，就是根据工区的地质、地球物理特征分析TEM响应的时间特性和 空间分布特征，确定地质构造的空间分布特点，例如，覆盖层厚度变化，垂向岩性分层和 岩层的横向变化情况，断裂破碎带和其他感兴趣的局部地质构造目标的位置、形态、产 状、规模、埋深等。和其他物探方法一样，对资料的定性分析和解释是资料解释中最重要 和最基本的部分，定量解释一般都是在定性解释的基础上进行的。已有的一些简单实用的 定量计算方法都是根据简单地电条件导出的，因此，计算结果实际上只能认为是半定量 的，应用时应注意其局限性。

因TEM兼有剖面法和测深法两种性质，因此，大多数情况下，既要对整个工区或剖 面进行偏重于剖面法的资料解释，又要对一部分测点的TEM响应的时间特性作测深资料 解释。

TEM的测深解释与其他测深方法一样，在定性解释阶段，要分析曲线的畸变，制作 各种必要的定性图件，以求对测区（测线）的地电断面特征有一个定性的了解，并为定量 解释作好准备。其内容与其他测深法大同小异，这里不再重复。至于定量解释，也有量板 法、特征点法以及计算机自动拟合等方法。

TEM的剖面解释，重点就是要获得局部良导地质构造的产状和埋深等信息。首先要 进行异常的划分，得出局部异常后，再进行异常分类。然后结合测区地质和地形、地物情 况排除浅部干扰体（如金属管道等）异常和地质噪声，筛选出有意义的异常，根据异常的 空间和时间分布特点，确定异常体的形状、规模及埋深等。在可能的情况下，还应确定异 常体的电性参数。

（二）应用实例

目前，瞬变电磁法在矿产、工程、环境物探中的应用非常广泛，在桥址、路基、坝址、高层建筑地基勘查，地热和地下水资源探测，岩溶、滑坡、煤矿陷落柱、地下水污染 等灾害地质和环境地质调查中，TEM都发挥了重要作用。

图4-67 磨刀门大桥020N线瞬变电磁法综合剖面（据程志平，2007）（a）多道dBz/dt曲线；（b）推断地质剖面

1.磨刀门大桥桥址勘查

磨刀门大桥是广州珠海高速公路横跨珠江入海口磨刀门水道的大桥，水道宽约3km，初 选桥址的桥轴部位海水深几米到几十米。桥轴线东西两岸出露燕山期花岗岩，测区还零星出 露泥盆系地层。物探工作任务是查明待选桥址区的断层裂隙等地质构造的赋存状态。投入瞬 变电磁法，使用EM—37型瞬变电磁仪。浅水区采用中心回线装置，发射回线边长20m。发 射回线和接收回线固定在一个小木船上由机动船牵引。浅滩区采用框-回线装置。发射框布 置在岸上，尺寸为300m×700m，接收框在小船上。发射基频为25Hz和6.25Hz两组，每个 频率的采样道数均为20道，采样时间0.78～25.10ms，水上定位采用两台经纬仪作前方交 会定位。共布置平行于桥轴线的测线4条，平行河岸的测线6条。图4-67（a）所示为其中 初选桥轴线020N的dBz/dt多道剖面曲线（只绘出其中5～20道）。从图中可见，在1750～ 1917测点间有一个明显的晚期双峰异常，推断为断裂破碎带，根据峰值差异小可判断断裂 基本陡立，倾角约80°。根据对TEM剖面异常和部分测点ρτ曲线综合分析计算，绘出了推 断地质断面，如图4-67（b）所示。在1778号点设计验证钻孔，在深度49.5～57.0m之间为 断层破碎。该测线还布置了一些其他的验证孔，也与推断结果吻合较好。

根据该区TEM资料，查明初选桥址附近构造较发育，建议桥轴线向南或向北位移 200～400m。这一建议被公路设计部门采纳。

图4-68 云南会泽铅锌矿6号矿体上的TEM异常

2. 云南会泽铅锌矿深部找矿

1998年，云南会泽铅锌矿的第二轮找矿中，TEM法在深部找矿中取得了较好的效果。

该铅锌矿属层控改造型，含矿层位于下石炭系顶部的白云岩夹灰岩。围岩为泥盆系、 石炭系和二叠系，岩性以灰岩、白云质灰岩及白云岩为主，只在二叠系底部有一薄层细砂 岩与碳质页岩互层。已知矿体中的6号矿体金属储量为大型，顶部埋深约600m。深部找 矿的目的是在地质预测剖面上查证含矿层中是否存在相同类型的铅锌矿体。

矿体不具磁性，磁法无效。矿体密度虽然很大，但在地面上只能引起几十微伽（1μGal＝0.01g.u.）的重力异常，在复杂地形条件下，重力测量难以达到目的。矿体的 电阻率很低，只有几十欧姆·米，围岩电阻率在1000Ω·m以上，是唯一可以利用的物性 参数。但是，要求的探测深度大，常规电法难以奏效，TEM法成为首选的探测手段。TEM法采用重叠回线装置，边长200m，发射电流100A。地形倾角为30°左右，已知矿6 号矿体顶部埋深约600m，顶板垂直地面深度大于500m。图4-68所示为TEM法在6号 矿体上的测量成果。由图可见，在已知矿体（层状低阻体）上获得明显的水平板状体异 常，在对方没有提供地质资料的情况下，根据TEM资料推断的矿体深度及空间位置与6 号矿体基本吻合。

在已知剖面上取得成效的基础上，进行了地质预测剖面的测量，并发现了含矿层中的 层状低阻体异常，推断深度约400m。后经验证，该异常为矿体异常，这一实例说明TEM 法重叠回线装置可以探测埋深约为3倍回线边长的低阻体异常，其探测深度可以达到 600m以上。这一实例也表明了TEM法探测微弱异常的卓越能力。

（一）瞬变电磁法的野外工作方法与技术

由于探测对象不同,测区、测网、工作装置、仪器设备、野外施工等都有所差别。下面主要阐述工作技术中的几个主要问题。

1.近区磁源瞬变电磁法的野外工作中的几个技术问题

（1）工作装置选择

工作装置的选择应根据勘探目的、施工条件和各种装置的特点等因素综合考虑决定。如果探测目标深度在100m以内,要求达到较高的分辨率,围岩电性较好（易产生集流效应）时,同点装置是首选对象。如果要求进行较大深度的探测,或测区崎岖或有河谷等其他障碍使得铺设动源回线困难时,则应选择大回线定源装置。

（2）回线大小的选择

增大发射回线和接收回线边长,将会增强信号强度,并延长有效信号的持续时间,从而有利于加大探测深度。但二者的增大使野外工作难度增加,同时使测量结果受影响的范围扩大,从而降低了横向分辨率。此外,增大接收回线边长时,不仅增大了有效信号强度,也使干扰信号强度增大。因而,在保证预定勘探深度的情况下,一般都应选择尽可能小的回线边长。模拟实验结果和野外实例表明：同点装置可以有把握地探测到线性尺寸相当于回线边长、埋深为2倍回线边长的良导体。因此,采用同点装置时,应取回线边长等于或略大于0.5倍探测深度。采用框-回线装置时,大定源发送回线边长可等于或略大于拟探测深度。

（3）野外数据采集中的几个技术问题

回线布置

供电回线要采用电阻小、绝缘性能好的导线,一般要求每千米电阻小于6Ω,以便在有限的电源电压下可输出足够大的电流。电线要按测地布设的点位铺设,若线架上剩有残余导线,应将其呈之字形铺于地面,以免电线缠绕产生强烈的感应信号。一切紧挨回线的金属物体都会产生强烈的干扰信号,高压电力线的强干扰信号甚至可能损害测量电路。因此,回线布设应避开所有金属物体,远离高压电力线。

观测时间范围和叠加次数的选择

编写一个测区的工作设计时,往往需要根据所需探测深度和测区电阻率变化范围确定记录时间范围。从“烟圈”电流的扩散深度公式

电法勘探技术

可推知TEM的探测深度正比于 。若假定探测深度相当于烟圈电流深度的一半,则可用

电法勘探技术

电法勘探技术

确定观测时间范围。上两式中tmin和tmax分别为最小延时和最大延时；hmin和hmax分别为要求的最小和最大探测深度；ρmin和ρmax为测区岩层的最低和最高电阻率。

一般说来,在实际工作中希望在尽可能宽的时间范围内记录到有用信号。但由于测量回路本身存在一定的过渡过程,观测的最小延迟时间不能太早。而测区干扰电磁场以及仪器噪声电平的存在又限制了观测的最大延迟时间。记录时间范围过宽,实际上晚期道的观测质量已不能保证。在一个测区工作前最好先做点试验工作。如果最后几道读数为噪声电平,说明有用信号都已记录下来了；如果最后几道读数超过噪声电平,就应增大观测时间范围。当然,选定了观测时间范围后,在实际观测中遇到衰减很慢的异常,应即时延长时间范围重复观测,使有用信号能被完整记录下来。

为了压制测区的干扰电磁信号,提高观测资料的信噪比,现代的瞬变电磁仪大都采用了“累加平均”取数的技术。增加叠加次数可以降低记录数据中干扰噪声的水平,然而,增加叠加次数将增加观测时间,降低观测速度。叠加次数的选取应兼顾数据质量和观测速度。所选取的最小叠加次数应使高于仪器噪声电平的有用信号能以足够大的信噪比被记录下来。

发射和测量信号波形与供电电流强度的确定

发射和测量信号波形-现在使用的仪器的发射电流全部为占空比1：1的正负相间的矩形波,如图3-45上面的波形（发射电流和一次场波形）,图3-45中间的波形（感应电动势）为发射磁场在接收回线中产生的感应电动势波形这并不是需要观测的信号,需要观测的是地下感应涡流产生的二次场信号,也就是图3-45下面的信号（二次磁场波形）。

图3-45 瞬变电磁法发射和接收波形示意图

供电电流强度的确定-可根据所用装置及最大延时观测信号达到最低可分辨信号水平计算出供电电流强度。例如,对于重叠回线装置,有

电法勘探技术

式中：I为供电电流强度；ρmax为测区预计最大视电阻率；tmax为对应于最大探测深度所要求的最大延时；Vmin为对最低可分辨电压；L为回线边长。

噪声电平的测量

工区的噪声电平高与低,对于最小可分辨电平η值有着举足轻重的影响,尽管仪器本身对工业用电等外界电磁干扰有很强的抑制能力,并且可以采用高次叠加的方法提高信噪比,但是从仪器本身输出的噪声电平在各个地区有相当大的差异。因此,需要了解工区内各个地段的输入于仪器及输出的干扰噪声电平。例如EM-37系统在低干扰区的平均噪声电平低于0.5nV/m2,一般为0.15～0.24nV/m2,在强干扰区则可达n×10nV/m2。

在工矿区工作时,一般要求每个测点上或相间几个测点实测仪器的输出干扰电平,这种测量采用让发送电流送入匹配负荷的方法检测。输入于仪器的噪声电平,对于周期性的低频讯号（例如50Hz工频干扰）可以使用晶体管毫伏计直接并联于接收回线两端检测。对于非周期性的随机干扰（例如天电）需要有能够连续采样记录波形的专门仪表检测；也可以自装一个简单的音频放大器,用扬声器监听检测。

2.瞬变电磁测深仪器系统的选择

一般地说,瞬变电磁方法要求仪器灵敏度高、抗干扰能力强及动态范围大等,时间范围及发送功率则要求适应于探测目的。以探测目标划分,可以把仪器大致分为四类。

1）应用于浅层测深的小功率轻便型仪器。它的探测深度为n×10m至n×100m的浅层,要求时窗范围为n～n×104μs,发送机通常用10 A·h轻便可充电电瓶作为电源,电压为12～60V,供电电流一般小于10A,例如,加拿大EM-47及国产的SD-1属于此类。

2）应用于探测100m～n×100m目标层的仪器。一些专用于矿产普查的仪器,其时窗范围为n×10－1～n×10ms,供电电流不超过10A。例如澳大利亚的SIROTEM-Ⅱ、国产的WDC-2等。这些仪器的起始时间较晚；由于发送功率低,大约30ms以后的数据已低于或接近噪声电平。因此,不能应用于详测上覆地层,仅仅是在低阻覆盖地区有所改善。

3）应用于探测100m至1000m左右深度的中功率仪器。一些应用于勘查深部矿产及煤田的仪器,例如EM-37、数字PEM、GDP-32等。时窗范围为n×10-2～n×102ms,最大供电电流达20A,已基本上能满足勘查金属矿田及煤田构造的要求。

4）应用于勘查油气田或深部构造的大功率仪器。这类仪器的时窗范围为n×10－1ms至几秒,供电电流达100A左右,探测深度为n×102～n×103m,例如加拿大的EM-42、苏联的ЦИКЛ-2、4等。应用于探测深部构造的LOTEM方法是在西方国家发展起来的瞬变电磁测深方法,具有代表性的仪器是德国的DEMSⅣ系统。

3.资料整理与解释

（1）资料整理的内容

资料整理包括以下几个方面的内容：

1）传输打印野外观测数据；

2）检查验收原始记录数据、野外测点状况和仪器工作状态的记录；

3）对于原始记录数据进行整理、编号、汇总,并编写索引和说明；

4）根据需要,对数据进行滤波处理；

5）根据需要,换算各种导出参数（如：τs、Sτ、hτ、ρτ）。

（2）成果的图示

瞬变电磁法成果图一般有以下几种：

1）多道 或 剖面图；

2）ρτ拟断面图；

3）ρτ曲线类型图；

4）Sτ-hτ曲线类型图；

5）某些测道的ρτ或 平面等值线图。

当工作目的主要是探测局部导体时可不做上述第2～4种图件。而工作的目的偏重于大地的分层时,则上述第2～4种图件是重要的基本图件。上述剖面性图件经常汇总在一起绘成综合剖面图,用来做综合解释。

（3）瞬变电磁法的资料解释

TEM资料解释,就是根据工区的地质、地球物理特征分析TEM响应的时间特性和空间分析特征,确定地质构造的空间分布特点。例如,覆盖层厚度变化、垂向岩性分层和岩层的横向变化情况；断裂破碎带和其他感兴趣的局部地质构造目标的位置、形态、产状、规模、埋深等。和其他物探方法一样,对资料的定性分析和解释是资料解释中最重要和最基本的部分、定量解释一般都是在定性解释的基础上进行的。已有的一些简单实用的定量计算方法都是根据简单地电条件导出的,因此,计算结果实际上只能认为是半定量的,应用时应注意其局限性。

因TEM兼有剖面法和测深法两种性质,因此,大多数情况下,既要对整个工区或剖面进行偏重于剖面法的资料解释,又要对一部分测点的TEM响应的时间特性做测深资料解释。

（二）应用实例

1.辽宁张家沟硫铁矿上脉冲瞬变法剖面测量

图3-46是辽宁张家沟硫铁矿上脉冲瞬变法剖面测量的典型曲线。该矿体位于前震旦纪变质岩中,围岩为白云质大理岩、白云母花岗岩与高阻岩石。矿体为磁黄铁矿,电阻率为0.05Ω·m。由图可见,在矿体上方有明显异常。利用衰减曲线由比值法求视时间常数

电法勘探技术

求得TS＝7.7ms,即该导体的视时间常数较大,利用矢量解释法大致估计异常的等效电流中心,它在矿体顶部附近[图3-46（c）],该图（a）给出40m×40m的共圈法观测结果。

图3-46 辽宁张家沟硫铁矿脉冲瞬变法观测结果

（a）共圈方式40m×40m；（b）回线方式100m×100m：实线—垂直分量,虚线—水平分量；（c）地电断面：1—第四系,2—白云质大理岩,3—白云母花岗岩,4—硫铁矿；（d）衰减曲线；TS＝7.7ms

※补充

接收线圈中感应电动势为

ε＝ke－mαt

其中：k为与时间无关的常数；m为与矿体形状有关的系数；α为矿体的综合参数,单位为s-1。单对数坐标下：

电法勘探技术

计算表明：对球体,m＝10；柱体,m≈5.8。而在野外,不知矿体形状,无法知道

m,令 ,可由m＝ ,得到）

电法勘探技术

2.在湖南水口山铅锌金矿田中的应用

湖南水口山铅锌金矿田是著名的老矿山,水口山矿田康家湾铅锌金矿为大型层控矿床。矿体赋存在侏罗系底砾岩与栖霞灰岩、壶天灰岩、当冲硅质岩的接触破碎带中（QBf）,呈层状缓倾斜近于水平产出,埋深200～500m不等,多层矿,总厚1～25m。白垩系东井组红层覆盖于侏罗系、二叠系地层之上,呈不整合接触。岩、矿石的电性参数测定结果表明：铅锌金矿石的平均电阻率为0.1～1Ω·m ,比围岩（电阻率大于1000Ω·m）低三个级次以上。上覆红层（K1d3）的电阻率为50～100Ω·m,为典型的低电阻覆盖层。

剖面测量使用200 m×200 m的重叠回线装置工作,所用仪器是澳大利亚生产的SIROTEM Ⅱ电磁系统,选取延时0.4～22.2ms之内（即1～18取样道）,观测参数为V（t）/I。

为了增大信噪比,要求发送电流大于5A,使用双匝接收回线观测。叠加次数的选取视各观测点的干扰电平而定,在远离电网的山区选用512次,而在近工业设施的地段选用2048次或4096次。每个取样道的观测值按公式：

ρτ＝6.32×10－3L8/3[V（t）/I]－2/3t－5/3

换算成视电阻率ρτ（t）数据。式中各个参数的单位分别为：ρτ为视电阻率（Ω·m）；L为回线边长（m）；V（t）/I为接收回线上观测到的归一化感应电压值（μV/A）；t为各测道对应的延时（ms）。通常用V（t）/I观测值绘制成多测道剖面曲线图[图3-47（a）]及ρτ（t）拟断面图[图3-47（b）],分析地电断面沿横向及纵向的变化规律。

如图3-47（a）所示,多测道V（t）/I剖面曲线的前8道主要反映了浅部地质体的横向变化,曲线呈阶梯状。东边的高值区反映了厚层白垩系东井组上段（K1d3）低电阻率红层的分布。随测道的增加,阶梯转折点向东移,反映了红层向东厚度变大的特征。曲线中段的低值响应反映了侏罗系及二叠系相对为高阻地层。矿层的响应主要反映在10测道以后,从Ⅰ线24～32号测点及Ⅱ线57～63号测点的曲线可见,尽管异常低缓,但相对于背景仍然清晰可辨,并随测道的增大异常变得更明显。由于Ⅰ线矿体埋深（300m）比Ⅱ线矿体埋深（180 m）要大,故开始显示异常的时间相对较晚；异常的综合参数（衰减指数）α值分别为13s－1、14s－1,表明为具有一定规模的良导体引起。

图3-47（b）为视电阻率ρτ的拟断面图,明显地说明了地电断面的横向和纵向变化。ρτ等值线直观地说明了低阻红层（K1d3）的起伏形态及深部高阻层（P1q、P1d）的隆起。拟断面图对于矿层的反映并不明显,仅仅在60Ω·m、40Ω·m等值线封闭圈上有所显示。

3.瞬变电磁测深的试验应用效果

以湖南涟邵煤田为例来说明。

（1）区内地层及电性特征

测区出露地层由新至老为第四系（Q）,下三叠统大冶群（T1D）,上二叠统大隆组（P2d）、龙潭组（P2l）,下二叠统当冲组（P1d）、栖霞组（P1q）。第四系由黏土、砂质黏土和砾石组成冲积、坡积残积层,厚0～15 m,其电阻率在n×10～n×100Ω·m范围,呈低阻覆盖层。大冶群分布于测区中心地带,总厚度大于500m,主要由泥灰岩、泥质灰岩及灰岩组成；大隆组由硅质灰岩、泥质灰岩、厚层砾屑灰岩及薄层硅质岩组成,底部夹有薄层钙质泥岩,全组厚度一般70～80 m。大冶及大隆组地层电阻率一般在100Ω·m以上,成为煤系地层的上覆高阻层。龙潭组为本区含煤地层,根据岩性及含煤性分为上、下两段：上段（P2l2）为含煤段,由黑色泥岩、砂页泥岩及浅灰色砂岩互层组成,厚约100m,含煤四层；下段（P2l1）不含煤,由泥岩、砂质泥岩、砂岩组成,厚约300 m。整个煤系地层呈低阻层,电阻率一般为n×10Ω·m。当冲组及栖霞组为硅质灰岩、灰岩、泥岩等,是测区的高阻基底标志层,电阻率大于300～500Ω·m。

图3-47 Ⅰ、Ⅱ测线瞬变电磁法综合剖面图

（a）多测道V（t）/I剖面曲线；（b）ρτ拟断面图；（c）地质剖面示意图：

K1d3—白垩系东井组上段（红层）；J1g—侏罗系高家田组；P2d1—二叠系斗岭组；P1d—二叠系当冲组；P2q—二叠系栖霞组；C2+3—石炭系壶天群；QBf—硅化破碎带

综上所述,测区各地层电性存在较明显的电性差异,电法勘探方法找煤工作具备较好的物性前提。

（2）试验应用效果

工作采用中心回线装置,回线边长L＝250m及400m,发送电流I＝17A。测区内平均的电磁干扰电平为0.24nV/m2,属于中等受干扰的地区。少数地段也使用了电偶源装置,AB＝1000m,r＝750～1250m。总共完成了三条剖面45个测深点的工作量。野外观测数据经过处理绘制出了ρτ曲线类型图、ρτ拟断面图,以及Sτ（hτ）曲线图。依据这些图件资料及计算机反演的结果,推断确定了煤系地层的顶、底界面。

图3-48为13线瞬变电磁测深综合剖面图。由图可见,ρτ曲线大都属手H型,其极小值均在20～30Ω·m范围之内；ρτ拟断面图的低值等值线的分布反映了向斜构造轮廓。

图3-48 13线瞬变电磁测深综合剖面图

中心回线L＝250m；I＝17A；时窗0.8～71.9ms。T1D—下三叠统大冶群；P1d—下二叠统当冲组；P2l2—上二叠统龙潭组上段（含煤层）；P2l1—上二叠统龙潭组下段；P2d—上二叠统大隆组；F—断层；○－－－○－－－○为推断的煤系上、下界面

煤系地层的顶、底界是由经过校正的Sτ（hτ）曲线的转折点确定的,表3-5给出了推断结果与钻探资料的对比数据,平均相对误差为6.4%。因此,可以认为所推断的煤系地层顶、底界面基本上能勾画出它的分布状况。

表3-5 推断与钻探结果对比表

解释人员在进行人机联做拟合解释的基础上,对该剖面上的6个测深点又做了自动拟合反演计算。6个点拟合总的平均相对误差为5.9%,推断煤系上界面的深度与用Sτ（hτ）曲线推断的结果相差不多,平均相对误差为12.3%。

这一试验结果表明,在涟邵煤田或类似地质条件的地区应用中功率瞬变电磁测深系统,能够确定出埋深在1～1.5km的煤系地层顶、底界面。成果图中,由ρτ（t）曲线类型图及ρτ（t）拟断面图可以大致圈定出煤系地层分布的轮廓。利用经过校正的Sτ（hτ）曲线推断确定煤系地层顶、底界面是行之有效的方法。

瞬变电磁法由于具有许多传统直流电法不可比拟的优点，是当今得以迅速推广的新一代电磁勘探方法。中国地质大学（武汉）高科资源探测仪器研究所从20世纪90年代初期就进行瞬变电磁仪硬件及软件方面的研究，至今已有近20年历史，经过长期探索、改进，研制成功了独具特色的轻便电源、小线圈、大功率发射用于深部地质勘探的瞬变电磁仪，为满足不同用户的使用需求，专门开发出适合不同勘探条件的“CUGTEM”系列瞬变电磁仪产品。

（一）CUGTEM矿用系列瞬变电磁仪应用领域

1）在地面往下探测矿区构造分布、构造含水性；

2）采空区及废弃的充水小煤窑水的突水水源勘查；

3）煤层底板岩溶含水层、岩溶陷落柱及岩溶塌落洞勘查；

4）掘进过程中遇到的隐伏导水构造勘查；

5）回采过程中遇到的工作面内部隐伏的点状导水构造（陷落柱、封闭不良钻孔等）勘查；

6）顶底板采矿扰动诱发的导水破裂带导通勘查。

（二）CUGTEM矿用系列瞬变电磁法的特点矿井瞬变电磁法基本原理与地面瞬变电磁法基本原理相同。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（图6－3－4），全空间效应成为矿井瞬变电磁法固有的问题。煤层一般情况下为高阻介质，电磁波易于通过，所以煤层对TEM来说就没有像对直流电场那样的屏蔽性，故接收线圈接收到的信号是来自发射线圈周围全空间岩石电性的综合反映。因而在判定异常体空间位置时，需根据线圈平面的法线方向并结合地质资料加以综合分析确定。

图6－3－4 全空间瞬变电磁场的传播

由于特殊的井下施工环境，矿井瞬变电磁法与地面瞬变电磁法以及其他的矿井物探方法有很大的不同，主要有以下几方面的特点：

1）受井下巷道施工空间所限，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的多匝小线框，因此与地面瞬变电磁法相比具有测量设备轻便，工作效率高，成本低等优点，可用于矿井其他物探方法无法施工的巷道（巷道长度有限或巷道掘进迎头超前探测等）。

2）由于采用小线圈测量，点距更密（一般为2～20m），体积效应降低，横向分辨率提高，再者测量装置靠近目标体，异常体感应信号较强，具有较高的探测灵敏度。

3）利用小线框发射电磁波的方向性，可以探测采煤工作面顶、底板含水异常体的空间分布，探测巷道迎头掘进前方隐伏的导（含）水构造。

4）受发射电流关断时间的影响，早期测量信号畸变，无法探测到浅层的地质异常体，一般存在20m左右的浅部探测盲区。

5）井下施工时，测量数据容易受到金属物（采煤机械、变压器、金属支架、排水管道等）的干扰，需要在资料处理解释中进行校正或剔除。

目前，矿井瞬变电磁法主要用于解决煤层顶板（或底板）岩层内部的富水异常区探测、巷道掘进迎头前方的突水构造预测、含水陷落柱勘查等水文地质问题。

（三）CUGTEM矿用系列瞬变电磁测点布置及施工方法

于巷道内设置可通一定波形电流的发射线圈，从而在其周围空间产生一次磁场，并在巷道周围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。通过测量断电后不同时间的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征（图6－3－5）。

图6－3－5 CUGTEM矿用系列瞬变电磁发送及接收线圈布设图

矿井瞬变电磁法在煤矿井下巷道迎头附近进行，以扇形方式进行探测。根据多匝小线框发射电磁场的方向性，可认为线框平面法线方向即为瞬变探测方向。因此，将发射接收线框平面分别对准煤层顶板、底板或平行煤层方向进行探测，就可反映煤层顶、底板岩层或平行煤层内部的地质异常（图6－3－6）。其线框所在平面与顶底板夹角视探测要求与煤层倾角而定。

图6－3－6 CUGTEM矿用瞬变电磁仪线框所在平面与顶底板夹角变化示意图

CUGTEM矿用瞬变电磁仪系统功能情况见表6－3－1。

表6－3－1 CUGTEM矿用瞬变电磁仪系统能效一览表

1）(1)＋(3)组合（CUGTEM－8智能深部勘查型瞬变电磁仪）用于地面探测：

a.中深部资源探测，探测深度为地下5m到1300m范围，地面定点勘查，配合矿下超前探测“双聚焦”锁定目标体；

b.找寻地下多金属矿床、找水、咸淡水区分、地下电性分层、圈定地下充水溶洞及陡倾角地质构造；

c.煤层及煤层采空（塌陷）区、充水区的探测。

2）(1)＋(2)组合（TEMJF50矿用隔爆兼本安型瞬变电磁仪）用于井下超前200米探测：应用于工作复杂、噪声干扰大的煤矿井下顶、底板和超前探测，有效探测距离200m。

CUGTEM矿用瞬变电磁仪各系统技术指标详见表6－3－2～表6－3－4。

表6－3－2 TEMHZ75矿用本安型瞬变电磁仪技术指标

续表

表6－4－3 TEMJF50矿用隔爆兼本安型瞬变电磁仪发射机技术指标

表6－3－4 CUGTEM－8智能深部勘查型瞬变电磁仪发射机技术指标