0510河津腾晖煤业物探成果报告

山东泰山地质勘查公司二○一一年五月

工程名称：霍州煤电集团河津腾晖煤业有限责任公司201回采工作面井下瞬变电磁探测成果报告

项目负责：

技术负责：

编写：

审核：

总工程师：

编写单位：山东泰山地质勘查公司

日期：2011.05

目录

第1章概况 (1)

1.1目的与任务 (1)

1.2执行规范 (1)

1.3 位置和交通 (2)

第2章地质及地球物理特征 (4)

2.1 地质 (4)

2.2. 水文地质 (7)

2.3地球物理特征 (8)

第3章井下岩层含水性探测技术 (10)

3.1 高密度直流电阻率探测法 (10)

3.2 工作面直流电透视法 (11)

3.3 矿井瞬变电磁法 (12)

第4章矿井瞬变电磁法技术方法 (13)

4.1 瞬变电磁法基本原理 (13)

4.2 矿井瞬变电磁法原理 (15)

4.3 PROTEM47矿井瞬变电磁仪 (17)

4.4 矿井瞬变电磁法探测方法 (18)

第5章201回采工作面瞬变电磁探水技术方案 (21)

5.1 观测技术方案 (21)

5.2 现场探测实际情况 (22)

第6章资料处理与解释 (24)

6.1 瞬变电磁法数据处理和解释系统 (24)

6.2 资料处理 (25)

6.3 资料解释 (26)

第7章结论与建议 (29)

7.1 结论 (29)

7.2 存在问题 (29)

7.3 建议 (30)

第1章概况

根据霍煤电纪要【2010】235号文件的安排，山东泰山地质勘查公司负责乡宁、河津区域整合矿井的井下物探技术服务工作。霍州煤电集团河津腾晖煤业有限责任公司在201回采面开掘的过程中，依据防治水规范“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的原则要求，委托山东泰山地质勘查公司开展井下瞬变电磁超前探测工作。

利用矿井瞬变电磁法超前探测巷道掘进迎头前方的地质构造及其含水性，在煤矿安全生产中发挥了极其重要的作用。随着开采工艺和技术的不断发展提高，对巷道前方岩层和地质构造的含水性探测精度要求越来越高。特别是当前综采放顶煤开采技术的推广应用，这方面的地质要求更高。岩层的含水性一般探测方法有直流电法、电磁法等，探测方式可以是在地面探测，也可以是在井下探测。地面探测以直流电法、大地电磁法、瞬变电磁法为主；井下探测以直流电法、音频电透视法、矿井瞬变电磁法为主。近几年来，随着矿井物探技术的发展和提高，矿井瞬变电磁法在矿井岩层的含水性探测方面发挥越来越重要的作用，由于采用小线圈测量，降低体积效应的影响，提高勘探分辨率，特别是横向分辨率，另外，井下测量装置距离异常体更近，大大提高测量信号的信噪比。本项目利用矿井瞬变电磁法对巷道顶板、侧帮以及巷道迎头前方岩层或地质构造及其含水性进行精细探测，力争满足高产高效生产的要求。

我单位于2011年5月10-11日，在霍州煤电集团河津腾晖煤业有限责任公司201回采面开展了瞬变电磁法探测工作，当日结束井下探测施工，随即转入资料的处理过程。

1.1目的与任务

目的与任务：（1）201回采面下覆岩层富水性；

（2）201回采面设计切眼方位位置进行超前探测；

（3）201回采面侧帮采空区边界；

1.2执行规范

（1）《煤炭电法勘探规范》MT/T 898-2000

（2）《地面瞬变电磁法技术规程》DZ/T 0187-1997

1.3 位置和交通

1.3.1位置

腾辉煤业有限责任公司位于乡宁县枣岭乡店沟村西，行政区划属于乡宁县枣岭乡管辖，地理坐标为；东经：110°34′48"～110°37′05"，北纬：35°46′22"～35°47′11"，井田范围由以下5个坐标拐点连线圈定，见井田范围拐点坐标表1-1：

表1-1 井田范围拐点坐标

井田面积为2.8433km2，批准开采2号、10号煤层，矿井批准生产能力为60万t/a，开采深度620m至250m，开采方式为地下开采。

1.3.2交通

井田位于河津市北西约34km，位于乡宁县南西22km处，井田东侧约3km有乡宁～河津公路通过，至河津市与侯（马）～西（安）公路相连。东南距侯（马）～西（安）线铁路禹门口站约18km，禹门口隔黄河与陕西省韩城市相望，黄河边码头水运及铁路、公路均通往全国各地，交通较便利（见交通位置）。

图1.1 交通位置图

第2章地质及地球物理特征

2.1 地质

2.1.1地层

本井田位于河东煤田乡宁国家规划矿区南部，井田内被新生界地层大面积覆盖。仅在沟谷中或半坡出露有二叠系上统上石盒子组地层。井田内由老至新发育有奥陶系

中统上马家沟组（O

2s)、峰峰组（O

2

f

）

；石炭系中统本溪组（C

2

b)、上统太原组（C

3

t）；

二叠系下统山西组（P

1s)、下石盒子组（P

1

x）、上统上石盒子组（P

2

s）以及第四系中、

上更新统（Q

2+3)）和全新统（Q

4

）地层。井田内地层层序、厚度、岩性及其变化情况由

老至新简述如下：

(一)奥陶系(O)

1、中统上马家沟组(O

2

s)

岩性上部为深灰色石灰岩、白云质灰岩，夹薄层角砾状泥灰岩；中部为深灰色豹皮状灰岩、厚层状石灰岩；下部为角砾状泥灰岩、泥质灰岩，局部夹有石膏，揭露厚度130.00m，与下马家沟组地层呈整合接触。

2、中统峰峰组(O

2

f)：

底部为泥质灰岩夹薄层石膏带，下部为角砾状泥质白云岩、角砾状泥灰岩，中部为灰黄色厚层状泥灰岩夹豹皮状灰岩，裂隙发育，为方解石脉充填，上部为深灰色厚层状石灰岩夹灰黄、灰色白云质泥岩，与下伏地层整合接触，本组平均厚度120.00m。

(二)石炭系(C)

1、中统本溪组(C

2

b)

主要由浅灰、灰色砂质泥岩、泥岩、铝质泥岩组成，仅在303号孔见有12号煤层，为不可采煤层。底部为山西式铁矿及薄层铝土矿。平行不整合于奥陶系灰岩侵蚀面之上，沉积厚度受奥灰侵蚀基准面控制，厚度相差较大。厚度7.36～24.65m，平均17.14m。

2、上统太原组（C

3

t）

由浅灰色中细粒砂岩，深灰、灰黑色砂质泥岩、泥岩，深灰色石灰岩及煤层组成。石灰岩为区内良好标志层，共发育有4层，分别是K4、K3、K2上、K2，全区稳定，在区内东北部K4、K3合并变厚，在区内西部K2上、K2有合并变厚现象。本组含煤5层，自上而下编号分别为6、7、8、9、10号等5层煤，其中只有10号煤为层位稳定的全

井田可采煤层，7号煤仅在302号钻孔见有可采点，厚0.87m，均构不成具有工业价值的可采区块。本组为主要含煤地层，厚38.30～58.65m，平均46.09m。与下伏地层呈整合接触系。

(三)二叠系(P)

s）

1、下统山西组（P

1

由灰～灰白色中细粒砂岩及深灰、灰黑色砂质泥岩、泥岩和煤层组成，为本井田主要含煤地层。煤自上而下编号为2、3号共2层煤，据本次利用的九个钻孔揭露，2号煤层为井田内主要可采煤层，其余煤层均不可采。底部砂岩K7砂岩，厚0.55～3.45m，平均2.32m，为灰白色中细砂岩，局部相变为粉砂岩，连续沉积于太原组之上。全组厚22.55～44.50m，平均32.84m左右。与下伏地层呈整合接触关系。

x)

2、下统下石盒子组(P

1

与下伏山西组整合接触，岩性主要由灰、灰绿～黄绿色，局部为紫红色泥岩、砂质泥岩、铝质泥岩及灰白色中细粒砂岩组成，该组厚度116.90～146.15m，平均126.52m。本组上部为一层灰色、深灰色泥岩，具紫红色色斑，含铁质鲕粒且不均匀，颜色鲜艳，故称为桃花泥岩。为区内良好标志层，本组下部含煤1～2层，均不可采，与下伏山西组地层连续沉积。底部为K8砂岩，为浅灰色、灰白色中细粒砂岩，钙质胶结，中厚层状，具交错层理，局部顺层富集云母碎片。

s）：

3、上统上石盒子组（P

2

井田内本组地层上部多被剥蚀，井田内局部出露本组的下部及中部地层，大部分被新生界第四系地层覆盖。本组地层在井田内残留厚度为181.55～275.20m，平均248.69m，与下石盒子组地层连续沉积。由灰绿色中细粒砂岩，灰紫、灰绿色砂质泥岩、泥岩组成。砂岩厚度变化较大，一般呈透镜状。下部以黄绿色中～粗粒砂岩为主，夹黄褐色、暗紫色砂质泥岩及泥岩条带，偶见夹灰黑色砂质泥岩薄层。

(四)第四系(Q)

1、中、上更新统(Q

)

2+3

下部为浅灰、红黄色亚砂土、亚粘土、粘土夹棕色古土壤数层以及钙质结核层。上部为灰黄、土黄色亚砂土、粉砂质土，局部含钙质结核。红黄土层垂直节理发育。厚14.75～171.70m，平均58.68m，与下伏地层呈角度不整合接触关系。

2、全新统（Q

）

4

为近代冲积、洪积、坡积物，分布在各大沟谷及山坡处，由土黄、淡红色亚砂土、

砂土及浅灰色砂、砾石层等组成。分布在沟谷中与下伏地层呈角度不整合接触关系。厚0～8.00m，平均1.00m，与下伏地层呈角度不整合接触关系。

2.1.2含煤地层

井田内主要含煤地层为上石炭统太原组（C

3t）和下二叠统山西组（P

1

s）分述如下：

（一）石炭系上统太原组（C

3

t）

本组厚38.30～58.65m，平均46.09m，为一套海陆交互相含煤地层。由深灰～灰黑色砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、泥岩、煤层及石灰岩组成。其中含煤1～5层，所含煤层自上而下编号为6、7、8、9、、10，其中10号煤层全区可采；7煤层层位较稳定，井田范围内仅是在302号孔见有一个可采点，煤层厚度0.87m，为不可采煤层。8、9号煤层层位较稳定，均为不可采煤层。本组地层含石灰岩或泥灰岩3～4层，底部灰白灰色K1砂岩与下伏本溪组地层整合接触。根据岩性特征分为三段：

（1）太原组下段（C

3

t1）：

K1石英砂岩底至K2石灰岩底。厚度6.10～28.47m，平均厚度21.10m。底部为K1石英砂岩,灰及灰白色、石英质中～粗粒结构，局部为粗粒砂岩，基底式钙质胶结，分选较好，夹薄层泥岩条带呈紊乱波状层理,厚度变化较大,为太原组与本溪组分界标志层。下部以中细粒砂岩为主，上部由泥岩、粉砂岩和10号煤层组成。顶部10号煤层为主要稳定可采煤层，厚度1.92～4.85m平均3.60m，为全井田可采煤层。

（2）太原组中段（C

3

t2）

K2石灰岩底至K4石灰岩顶，厚16.90～29.20m，平均厚度22.56m。由三层石灰岩（K2、K3、K4）和泥岩、粉砂岩夹不可采煤层7、8、9号煤层组成。本段底部K2

石灰岩一般为10号煤层顶板,厚度3.40～9.80m，岩性为深灰色、黑灰色厚层状生物碎屑石灰岩，一般上分层含燧石条带1～2层，中夹泥岩和不稳定薄煤层9号，厚度0～0.45m，平均0.36m。上分层含泥质较多。K2石灰岩与K3石灰岩间，厚度1.20～6.67m，平均厚度3.14m，其岩性一般为泥岩、粉砂岩夹不可采煤层8号，厚度0～0.65m，平均0.38m。K3石灰岩一般为8号煤层顶板，岩性为灰黑色、厚层含生物碎屑石灰岩，厚度0.96～6.84m，平均厚度2.98m，发育较稳定。

K3、K4石灰岩间，厚0.50～4.60m，平均厚度1.61m。岩性一般为泥岩、砂质泥岩，夹不可采煤层7号，厚0～0.87m，平均厚度0.57m。K4石灰岩为7号煤层顶板。岩性为黑灰色、厚层状生物碎屑石灰岩，厚2.72～6.19m，平均厚度4.60m，发育稳定。

（3）太原组上段（C

t3）

3

K4石灰岩顶至K7砂岩底。厚度1.60～4.57m，平均厚度2.43m。岩性主要为深灰色、黑灰色泥岩、粉砂岩及薄层状细砂岩，局部夹不可采煤层6号；顶部为黑灰色薄层状钙质泥岩，一般含球状菱铁矿结核，局部富集成层，作为太原组与山西组分界的辅助岩性标志。

s）

（二）二叠系下统山西组（P

1

本组为一套陆相含煤岩系，岩性主要为灰、深灰色、灰黑色粉砂岩、砂岩、泥岩和煤。厚22.55～44.50m，平均为32.84m。含煤2层，其中2号为稳定煤层，厚度4.88～7.47m，平均5.94m，全区可采，其余煤层均不可采。以K7砂岩与下伏太原组整合接触。与下伏太原组相比，本组内无石灰岩，多砂岩，色略浅，交错层理发育，植物化石丰富为其特点。K7砂岩，为一层中细粒砂岩，成分以石英为主，长石及黑色矿物次之，缓波状及脉状层理，钙质胶结，厚度0.55～3.45m，平均厚度2.32m。

本组下部以泥岩，粉砂岩为主，间夹不稳定薄煤层3号煤。一般K7砂岩顶到3号煤层间距2m左右，最大为6.60m。

上部以灰色，黑灰色砂质泥岩、泥岩及2号煤层为主。 2号为稳定煤层，全区可采，厚度4.88～7.47m，平均厚度5.94m。

2.2. 水文地质

2.2.1主要含水层

井田内的含水岩组主要有碳酸盐岩类岩溶裂隙含水岩组、碎屑岩夹碳酸盐岩类裂隙含水岩组、碎屑岩类裂隙含水岩组及松散岩类孔隙含水岩组等四种基本类型。现分述如下：

（1）碳酸盐岩类岩溶裂隙含水岩组

主要为奥陶系上马家沟组、峰峰组灰岩，是煤系地层之基底，埋于井田深部，岩性为海相厚层状石灰岩，主要成分为碳酸钙，容易被水所侵蚀溶解而形成溶洞。据S401水文地质钻孔资料，静止水位标高454.487m。本区奥灰水水流缓慢，水力坡度小，推测井田内奥灰水水位标高约454～456m，2号、10号煤层底板标高低于奥灰水水位标高，该矿为带压开采矿井，但本井田奥灰水富水性弱，应引起煤矿的高度重视。

（2）碎屑岩夹碳酸盐岩类裂隙含水岩组

分布于全井田，为岩溶裂隙含水层，该组地层井田内厚约38.30～58.65m，平均

厚46.09m，除砂岩、砂质泥岩、泥岩外，有三层发育良好且易被水溶解的海相石灰岩（K2、K3、K4），含水层厚度15.03m～24.26m，富水性弱，根据海圣煤矿施工的水文孔S101的抽水试验资料，静止水位埋深168.25m，水位标高504.95m，含水层厚度24.26m，水位降深：87.43m。S401水文孔抽水资料，静止水位埋深285.29m，水位标高502.877m，水位降深71.28m。

（3）碎屑岩类裂隙含水岩组

主要为K7、K8、K10三层砂岩含水层及层间砂岩裂隙水为层间裂隙水，其富水性视岩层裂隙发育程度，补给条件而异，富水性弱。根据水文孔S401山西组的抽水试验资料，水位降深：21.76m。其补给来源为大气降水，是2号煤层的直接充水来源。

（4）松散岩类孔隙含水岩组

主要分布于井田内较大的沟谷中，厚度0～10m，岩性主要为现代冲洪积物。富水性弱。水位埋藏深度浅，补给来源主要为大气降水及季节性河流的渗透补给，受季节影响较大。

2.2.2隔水层特征

井田内的隔水层主要为中石炭统本溪组泥岩隔水层及碎屑岩类含水岩组的层间隔水层。

本溪组隔水层：厚度约7.36m～24.65m，平均厚17.14m ，岩性由铝土质泥岩、砂质泥岩、粘土岩组成，岩性致密、细腻，井田内连续稳定，隔水性能好，与井田内10号煤下部太原组地层一起构成良好的隔水层。

碎屑岩类层间隔水层：由泥岩、砂质泥岩组成，分布于各类含水层砂岩、灰岩之间，在垂向上含、隔水层组合成平行复合结构，含、隔水层处于分散间隔状态，含水层间的水力联系被其间的隔水层所隔，形成独立的含水体系，地表沟谷切割处常沿隔水层顶板出露小泉水。

2.3地球物理特征

本次201回采工作面探测工作采用PROTEM47瞬变电磁仪，为时间域瞬变场电磁测深法。由于在阶跃脉冲作用下，良导地层中产生的瞬变涡流电磁场持续时间较长，在沉积岩地层内寻找和确定良导地层空间状态时本法可以给出较好的地质效果，为此主要讨论地层的电性特征。

201回采工作面底板岩层主要为泥岩、砂岩、灰岩，威胁煤层安全开采的主要含

水层为灰岩岩含水层，当岩层裂隙发育，结构破碎且不含水时将呈现比正常岩层电阻率高的电性特征；若裂隙、构造破碎带中含矿井水，由于矿井水的矿化度较高，测量电阻率值将明显低于正常岩层的电阻率，呈现低电阻率异常特征，其低阻异常程度取决于岩层中富水程度。

在断层发育区，断层破碎带与正常地层在电性上具有明显差异，当断层破碎带不含水时，将呈现高电阻率特征，而当断层破碎带含水时，将呈现出低电阻率特征。

据此，通过瞬变电磁测深法探测煤层顶底板岩层及采空区电阻率及其变化，可以判定岩层的结构状态和富水性，这是本次瞬变电磁法探测岩层富水性的物理前提。

第3章 井下岩层含水性探测技术

由于矿井突水是威胁煤矿安全生产的自然灾害之一，因此矿井水防治一直是煤矿

安全的一个重点研究方向。而做好矿井防治水工作的基础性内容就是要探明威胁生产安全的地下水赋存情况。矿井水探测有其显著的特点，一是矿井水的矿化度一般较高，故在物性上表现出电阻率低的特点；二是井下探测时距离含水层目标体较近，探测的准确性高，但因井下观测空间的限制，探测范围受到明显的影响。对此，围绕矿井水探测的特殊性，国内外一些知名地球物理勘探公司、研究机构和高等院校在探测方法和探测仪器方面做了大量的研究工作，形成了适应井下矿井水探测的物探技术，从探测仪器的数据采集技术到数据处理技术均取得了长足的进步，探测的地质效果大大提高。目前井下矿井水物探方法主要有：高密度直流电阻率探测法、工作面直流电透视法、矿井瞬变电磁法。

3.1 高密度直流电阻率探测法

高密度电阻率法是由日本地质计测株式会社提出来的，其测量装置如图2.1所示。

原理上属电阻率法的范畴，但与常规的电阻率

法相比设置了较高的测点密度，在测量方法上

采取了一些有效地设计，使得数据采集系统有

较高的精度和较强的抗干扰能力，并可获得较

为丰富的地电信息。高密度电阻率法既能提供

地下地质体某一深度沿水平方向岩性的变化

情况，也能反映铅垂方向岩性变化情况。一次

可完成纵、横二维的探测过程，所以观测精度

高，采集的数据可靠，是矿井水探测的主要方

法之一。但确存在以下问题：（1）只能探测

观测剖面一定深度范围内的地质情况，对在井

下巷道内观测而言，只能探测巷道底板或顶板一定深度范围的含水层的含水性，而无法探测整个工作面底板或顶板含水层富水分布情况；（2）易受巷道底板伏煤或顶板残煤高阻屏蔽的影响，特别是放顶煤开采，残煤厚度大，屏蔽作用明显，探测效果差；

（3）受装置方式的限制，在巷道两端存在较大范围的探测盲区（图3.2）。

图3.1 高密电法装置测量装置图 (a)温纳装置；(b)偶极；(c)微分装置

图3.2 测量点和深度记录点图

3.2 工作面直流电透视法

在工作面的一条巷道内布置供电电极A 和B ，向底板或顶板供电，在地下岩层中建

立稳定电流场。在工作面的另一条巷道内布置测量电极M 和N ，测量两点的电位差，并计算视电阻率s ρ。若工作面内底板或顶板存在低阻异常体，视电阻率s ρ就会有所反映。工作方法如图3.3所示，应用定点交会法进行测量，所谓定点，就是固定供电电极A 和B ，保持测量电极M 和N 间的距离不变，以一定的间隔同时移动M 和N ，每移动一次，测量一次电位差，得到一个视电阻率s ρ。这样就形成了以Ｏ1为圆心，Ｏ1Ｏ2为半径的扇型区域。保持供电电极A 和B 间的距离不变， 以一定的间隔同时移动A 和B (也就是把Ｏ1移到下一个位置固定)，测量电极M 和N 重复上一次的工作，这样又得到以新固定的Ｏ1为圆心，Ｏ1Ｏ2为半径的扇型区域。当Ｏ1在一条巷道内把设计的所有位置都覆盖一遍，单边测量结束。把供电电极AB 和测量电极MN 互换，按上述的方法再测量一遍，完成另一边的测量。这种方法存在的主要问题是：（1

）探测深

图3.3 直流电透视法工作原理示意图

度范围小；（2）由于采用偶极测量方式，当工作面尺度较大时电位差很小，测量精度较低；（3）与高密度电阻率法一样，受巷道底板伏煤或顶板残煤高阻屏蔽的影响大，放顶煤开采时，顶板岩层含水性探测效果差。

3.3 矿井瞬变电磁法

瞬变电磁法（简称TEM）以接地导线或不接地回线通以脉冲电流作为场源，以激励探测目的物感生二次电流，在脉冲间隙测量二次场随时间变化的响应。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。TEM观测是在脉冲间隙中进行，不存在一次场的干扰，这称之为时间上的可分性；另外，脉冲是多频率的合成，不同延时观测的主要频率成份不同，相应时间的场在地层中的传播速度也不同，从而探测深度也就不同，这称之为空间上的可分性。由于上述两种可分性，TEM具有如下特点：

（1）断电后观测纯二次场，可以进行近区观测，减少旁侧影响，增强电性分辨能力；

（2）可以用加大发射功率的方法增强二次场，提高信噪比，从而增加勘探深度；

（3）穿透高阻层能力强及人工源方法能有效压制随机干扰；

（4）通过多次脉冲激发，场的重复测量叠加和空间域拟地震的多次覆盖技术的应用，大大提高了信噪比和观测精度；

（5）可通过选择不同的时间窗口进行观测，有效地压制地质噪声，获得不同的勘探深度；

（6）发射和接收线圈点位、方位调整方便，可以测量不同方向的地电信息，且测地工作简单，工效高；

（7）剖面测量与测深同时完成，提供了更多有用的信息，减少了多解性。

由于这些特点伴随仪器的数字化智能化以及数学模型正反演计算的应用，可以解决的地质问题相应扩大，主要有：水文与工程地质调查、矿产勘探、构造勘探、环境调查与监测等。

第4章 矿井瞬变电磁法技术方法

4.1 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。简单地说，瞬变电磁法的基本原理就是电磁感应定律。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。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。

在电导率为σ，磁导率为μ0的均匀各相同性大地表面附设面积为S 的矩形发射线

圈，在回线中供以{0

00)(<≥=t I t t I 的阶跃脉冲电流。在电流断开之前，发射电流在回

线周围的大地和空间建立起一稳定的磁场。在t=0时刻，将电流突然断开，由该电流产生的磁场也立即消失。一次场的这一剧烈变化通过空气和地下导电介质传至回线周围的大地中，并在大地中激发出感应电流以维持发射电流断开之前存在的磁场，使空间磁场不会立即消失。由于介质的欧姆损耗，这一感应电流将会迅速衰减，这种迅速衰减的磁场又在其周围的地下介质中感应出新的强度更弱的涡流，这一过程场继续下去，直至大地的欧姆损耗将能量消耗完为止。这便是大地中的瞬变电磁过程场，伴随这一过程场存在的电磁场就是大地的瞬变电磁场。图4.1为瞬变电磁法 (TEM) 的瞬态过程示意图。

由于电磁场在空气中传播的速度比导电介质中传播的速度大得多，当一次电流断

开时，一次场的剧烈变化首先传播到发射回线周围地表各点，因此，最初激发的感应电流局限于地表。地表各处感应电流的分布也是不均匀的，在紧靠发射回线一次磁场最强的地表处感应电流最强。随着时间的推移，地下的感应电流便逐渐向下、向外扩散，其强度逐渐减弱，分布趋于均匀。美国地球物理学家M.N.Nabighan 对发射电流关断后不同时刻地下感应电流场的分布进行了研究，研究结果表明，感应电流呈环带分

布，涡流场极大值最先位于紧靠发射回线的地表下，随着时间的推移，该极大值沿着与地表呈30o倾角的锥形斜面（如图4.2）向下、向外移动，强度逐渐减弱。

图4.1 瞬变电磁法(TEM)的瞬态过程示意图

据M.N.Nabighan （1979）的推导，烟圈的垂向深度（r d ）和半径（r R ）如下： 04μρ

πt d r = （4-1） 0091

.2μρt a R r += （4-2） 烟圈垂向传播速度为： t

v 02

μρπ= （4-3） 式（4-1）~（4-3）中，ρ—均匀半空间电阻率；t —采样延时；0μ—空气导磁率。

如下半空间为层状大地，则（4-3）式中的速度为时间所对应的地层速度，由下

列差分式求出： ji i j i i j j i j i j t t t t t t t d d t d v 2

04????????--=--=??=ρρπμ （4-4） 式中i j t t ,为相邻两延时道取样时间i j t t >；i ρ，j ρ为视电阻率。

图4.2 TEM 信号向地下扩散示意图

将（4-3）式改写为电阻率表达式并将（4-4）式代入，得视电阻率计算公式： ji i j i i j j r t t t t t 2

4???????

?--=ρρρ （4-5） 所对应的视深度为： 2

)(441.012r r r d d H += （4-6） 4.2 矿井瞬变电磁法原理

矿井瞬变电磁法是将地面常用的瞬变电磁法应用于煤矿井下，对常规物探方法较

难探测的工作面顶、底板富水构造和巷道迎头超前富水构造的发育情况，采用矿井瞬变电磁法进行探测，经过多年和多个矿井实际探测，取得了较好的地质效果。

矿井瞬变电磁法基本原理与地面瞬变电磁法一样，采用仪器和测量数据的各种装

置形式和时间窗口也基本相同。受矿井瞬变电磁法勘探环境的限制，测量线圈大小有限，其勘探深度不如地面深，一般深度在100m 左右。地面瞬变电磁法为半空间瞬变响应，这种瞬变响应来自于地表以下半空间地层；而矿井瞬变电磁法为全空间瞬变响应（图4.3），这种瞬变响应是来自于回线平面上下（或两侧）地层。

矿井瞬变电磁法与地面瞬变电磁法相比具有以下几个方面的特点：

（1）由于井下测量环境不同于地表，不可能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1.5～2m的多匝小线框，观测方式一般采用中心观测方式（图4.4）或偶极观测方式（图4.5）。因此数据采集工作量小，测量设备轻便，工作效率相对较高；

图4.3 地下全空间TEM信号扩散示意图

巷道面（Drift）

图4.5 偶极观测方式（2）由于线圈边长小，测量点距较密（一般为5~10m），可以降低体积效应的影响，从而勘探分辨率，特别是横向分辨率得到提高；

（3）井下测量装置距离异常体更近，大大提高测量信号的信噪比，实际测量结果说明，井下测量信号的强度比地面同样有效面积的相同装置测量的信号强度高10~100倍。井下的干扰信号相对有用信号近似等于零（大于30ms时间段），而地面测量信号

图4.6 PROTEM47接收机

图4.7 PROTEM47接收线圈

在衰减到一定时间段（一般小于15ms）就被干扰信号覆盖，无法识别有用异常信号；

（4）地面瞬变电磁法勘探一般只能将线圈平置于地面测量，而井下瞬变电磁法可以将线圈平面以任意角度放置于巷道中进行测量，探测线圈平面法线方向一定深度内含水异常体垂向和横向发育规律，因此，通过对发射线圈方位的调整可实现对整个工作面内顶板和底板一定范围内含水低阻异常体分布规律的探测。

4.3 PROTEM47矿井瞬变电磁仪

PROTEM47型瞬变电磁仪是加拿大Geonics公司研制生产的时间域电磁测量系统，该公司自1978年开始研制和生产瞬变电磁仪，经过近30年的发展，产品更新换代多次，形成了多种系列的瞬变电磁仪，主要有PROTEM47系列、PROTEM57-MK2系列、PROTEM67系列产品，目前在国内外市场上该类仪器占据着大部分市场份额。

为了能够将该项技术应用于煤矿井下巷道和隧道中进行水文地质及工程地质探测，PROTEM47系列专门研制了边长为1.5～2m多匝发射线框，以适应这一需要。通过减小最小关断时间（最小可短至2.5μs）、提高信噪比、增大动态范围（132dB）和三分量观测等技术较好地解决了分辨率问题、勘探深度问题和仪器技术指标及稳定性问题。

1）PROTEM47接收机

PROTEM47接收机（图4.6、图4.7）是具有23位分辨率，270KHz带宽，微秒级采样门，并且三分量同时观测的时间域电磁接收系统。该系统可以在时间轴二个量级上

观测20个门或在时间轴三个量级上观测30个门，解决了浅部具有较高分辨率和具有较大勘探深度的矛盾。其主要技术指标如下：

观测值：三分量感应磁场的衰减比，nv/m2；