瞬变电磁仪在煤矿水文地质探测方面的应用研究

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瞬变电磁法在某矿井水文地质勘探中的应用

查明老空水分布范围、层上伏岩层的富水性的能力，煤受地形起伏影响小，与直流电法相比体积及其间的水力联系和探测断层、落柱的富水性及小，陷对低阻体反映灵敏； ②瞬变电磁法采用密集采等，其导水性，是煤矿水文地质勘探的主要目的，煤矿样方式（算术）采样数据为千万个至数百万个深是
ｈｄｏ— ｅｌｃｌｘｌｒｉａｏｅｓｎБайду номын сангаас ａｃ．ｙｒｇｏｇａｅｐｏａｏｈｓｓｍｉｉｃｎｅｏｉｔｎｇｉ
Ｋｅｗｏｄ：ＥＭ；ｌｍｐｙｗａｅ；ｃｔｒｈｄａｌｏｎｃｉｎｙｒｓＴｏｄｅｔｔｒｒｈｗａｅ；ｙｒｕｉｃｎｅｔｉｃｏ
总第１８期４
ｄｉ１．９９ｊｉｎ１０２９．０．２０５ｏ：０３６／．ｓ．０５— ７８２１１．０ｓ１
瞬变电磁法在某矿井水文地质勘探中的应用
程孝兵
（．１山西省地质勘查局二一二地质队，山西长治０６０；．４００２中国地质大学，湖北武汉４０７）３０４
ＡｂｔａｔＩｅｔｉａｉｎｏｅｏｄｅｔａｅｉｔｂｔｎ，ｏｌ—ｒｈｗｔｒｏｈｎｅｌｉｇｒｃｎｈｙｒｕｉｃｎｅｔｎｂ－ｓｒｃ：ｄｎｉｃｔｆｔｌｍｐｙｗｔｒｄｓｕｉｃａｆｏｈｉｒｏｉａｅｎｔｅｕｄｒｎｏｋａｄｔｅｈｄａｌｏｎｃｉｅｃｙｃｏｔｅｎｔｅｆｕｔｎｈｅｅｔｎｔｅｆｌｏｅｒｃａｅｏｕｎｙｒｕｉｏｄｃｉｉ，ｓｔｅｍａｎｃａｙｒｗｅｈａｌａｄｔｅｄｔｃｉ，ｈａｌｆｔｈｗｔｒｃｌｍｎａｄｈｄａｌｃｎｕｔｔｉｉｏｌｄｏ—ｇｏｏｉａｘｌ— ｏｈｉｃｖｙｈｈｅｌｇｃｌｅｐｏｒｔｎｐｒｏｅ，ｕｌｏｗｏｋｉｈｎａｅｏｔｏｅｋｙＡｒｃｅｄｓｒｂｓａｃａｎｙｕｉｇｔｓｎｌｃｒｍａｎｔｔｏａｉｕｐｓｓｂｔｓｒｔｅｍｉｅｗｔｒｎｒｌｔｅ．ｔｌｅｃｉｅｏｍｉｅｂｓｎａｉｔｅｅｔｏａｎｃｈｉｌｒｎｅｏｇｅｉｍｅｈｄｃｆｒｔｅｍｉｉｇａｅｆｔｅｐｏｏｅｙｒｏｈｎｎｒａｏｒｐｓｄｈｄｏ—ｇｏｏｉａｘｌｒｔｎｏｅｐｏｅｓａｄｒｓｌｓｄａｓｍｅｅｐｒｅｃ，ｉｅｍｉｅｆｒｆｔｒｈｅｌｇｃｅｐｏａｉｆｔｒｃｓｎｅｕｔ，ｒｗｏｘｅｎｅｌｎｕｕｅｌｏｈｉｋｏ

瞬变电磁法在井下水文地质探测中的应用

收稿日期:2009-12-09作者简介:魏遂亭(1956—),男,河南新密人,工程师,1981年毕业于郑州地质学校,现从事煤田测井及电法物探工作。

瞬变电磁法在井下水文地质探测中的应用魏遂亭(郑州祥隆地质工程有限公司,河南新密　452371)摘要:利用瞬变电磁物探技术在井下巷道内进行地下水文地质探测,既可减少深水文观测孔的施工费用,又便于观测管理,效果较好。

结合郑煤集团白坪煤矿应用实例,介绍了瞬变电磁技术应用于地下水文地质探测的具体方法。

关键词:瞬变电磁法;矿井;水文地质探测中图分类号:P6411461 文献标识码:B 文章编号:1003-0506(2010)01-0053-02 近些年,随着开采深度的不断增加,大多煤矿采深已在600m 左右,有些矿井甚至更深,这样,在地面设计的用于观测奥陶系、寒武系灰岩水的水文观测孔孔深则要达700余m ,甚至更深,其工程费用较高。

利用瞬变电磁物探技术在井下巷道内进行地下水文地质探测,既可减少深水文观测孔的施工费用,又便于观测管理。

1　瞬变电磁法概述瞬变电磁法(Transient Electr o 2magnetic Meth 2ods ),又称时间域电磁法(Ti m e Domain Electr o 2mag 2netic Methods ),简称TE M 或T DE M ,它是利用不接地回线或接地线源(电极)观测二次涡流场的一种物探勘探方法[1]。

瞬变电磁法属于时间域电磁感应方法。

该方法是以地壳中岩石和矿石的导电性差异为主要物理基础。

其探测原理是在发射回线上发出1个电流脉冲方波,一般利用方波后沿下降的瞬时产生1个向地下传播的一次磁场。

在一次磁场的激励下,地质体将产生涡流,其强度大小取决于地质体的导电程度。

在一次场消失后该涡流不能立即消失,它将有一个过渡(衰减)过程。

该过渡过程又产生1个衰减的二次磁场向地表传播。

由地表的接收回线来接收二次磁场,该二次磁场的变化将反映地下地质体的电性分布情况。

瞬变电磁法在工作面水文地质勘察中的应用分析

开后，地下介质中激起二次感应涡流场，以维持在断
有３个采区，２个生产中的采煤工作面（１７及１０
１０１２工作面）为保证采煤工作面的开拓及生产正，
常进行，根据该区地质条件、物理条件和地质任务的要求，采用瞬变电磁勘探方法查明了该区的富水情
从不同岩性地层的物性差异分析，般变化规律为一
从煤层、泥岩、砂岩、砂岩、粉细中砂岩、粗砂岩增高，煤层相对泥岩、岩即砂
等岩层呈现相对高阻层。构造发育区，者是出现或
层位错动，或者是裂隙发育，局部会出现明显的富水构造，由于裂隙水体的导电性良好，得纵向横向都使
打破了原有电性固有变化规律，呈现出局部电性并
２瞬变电磁探测基本原理
瞬变电磁法的工作原理是利用发射回线向地下
况，别是底板太原组灰岩的富水性，煤矿开拓提特为
开电流前存在的磁场。二次涡流场呈多个层壳的
供了地质资料。
“ 环带 ” ，极大值沿着与发射线圈平面呈３。型其０倾
角的锥形斜面向下及向外传播，同时间到达不同不
发射不同频率的电磁脉冲，脉冲的下降沿产生变该
化的一次场并向周围空间扩散。该一次场进入地下

瞬变电磁法在煤矿采空积水探测中的应用

瞬变电磁法在煤矿采空积水探测中的应用瞬变电磁法是一种地球物理勘探方法，它利用瞬时变化的电磁场来探测地下介质的电性和导电性变化，从而实现对地下水、矿藏、岩土等目标的探测。

在煤矿采空区积水探测中，瞬变电磁法具有以下几个突出的优势：瞬变电磁法可以快速、大面积地进行探测。

瞬变电磁法是一种主动勘探方法，通过在地面上设置发射线圈和接收线圈，产生和接收地下的电磁信号，从而实现对地下介质的探测。

相比传统的地球物理勘探方法，瞬变电磁法具有勘探速度快、勘探面积大的优势，可以在较短的时间内对较大范围的煤矿采空区进行全面探测。

瞬变电磁法具有较高的探测精度和分辨率。

瞬变电磁法通过对地下电导率的高精度探测，可以准确地识别出地下水、煤层、裂隙等目标，并且可以实现对不同目标的高分辨率区分，从而提高了探测的精度和可靠性。

这对于煤矿采空区积水探测来说，尤为重要，因为积水通常会与煤层和裂隙等目标具有不同的电性特征，瞬变电磁法能够准确地识别出积水的位置和分布。

瞬变电磁法适用性广泛，能够灵活应用于不同地质环境下的煤矿采空区积水探测。

瞬变电磁法不受地质构造和地下介质的限制，既可以在连续性好的煤层中进行探测，也可以在断层、裂隙等复杂地质构造下进行探测。

这使得瞬变电磁法具有较广泛的适用性，能够在不同地质条件下快速、准确地探测煤矿采空区积水，为煤矿生产提供了有力的技术支持。

瞬变电磁法具有较强的实时性和动态监测能力。

瞬变电磁法可以通过实时采集地下电磁信号，并且可以随时对采集的数据进行实时处理和分析，从而及时发现采空区积水的位置和分布，并且可以实现对采空区积水的动态监测。

这使得瞬变电磁法不仅可以对已知的采空区进行定期检测，还可以随时对新发现的采空区进行即时探测，保障了煤矿生产的安全和稳定。

瞬变电磁法在煤矿防治水探测中的应用

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。

浅谈瞬变电磁法在矿井水文地质探测的应用

浅谈瞬变电磁法在矿井水文地质探测的应用1 概述阳煤三矿工作面开采过程中会受到上部采空区积水及煤层顶板岩层水的威胁。

通过采用瞬变电磁法原理对工作面K8401顶部采煤层岩石区的可能富水异常情况进行探测，以分析评估此工作面的水文地质条件，更好地防范过程中可能出现的矿井漏水等水患灾害。

2 测量机理在大地表面铺设导磁率为μ、导电率为σ且各向同性面积为s并通以阶跃脉冲电流的回路線圈，回路形成的载流线圈变动产生的磁场就是了瞬间电磁法磁源。

在t<0时，回路中发射电流因电生磁而形成磁场，即在铺设回路线圈的土壤上下都有稳定的磁场。

磁场形成后并不会随电流的突然断开而消失，一般回路电路周围形成的磁场会以土壤中的导电介质和周边空气组成回路激发电流，保护磁场的瞬间消失。

两者的能量的相互转换均是利用了电磁感应原理。

一次电流突然断开导致磁场剧烈变化，各地表因磁场的不均一和变化速率的快慢而感应出的电流分布不同。

有研究表明，磁场在密度大的介质中比密度小的介质传播速度慢，因此，线圈地表感应电流最大且分布不均一，随着与磁源距离的减小而变强。

地下感应电流随时间而强度减弱，并在地下向下和向四周扩展范围变大，最终扩散使之趋于均匀化。

由此所激发的磁场形状也不一样，具体为：断电时，回路电流变化最大，为一次激发磁场，磁场与回路线圈形状相同；此后，地下涡流产生各种近似水平回路电流产生的磁场。

感应电流随时间的延续向外向下扩延，形状逐渐转变，由最初的方形向最终的圆形过渡，图1即为地下涡流变化示意图。

由其形状形象地将这些涡流认为是被从回路中吹出的“烟圈”，这一过程被人们形象地比喻为“烟圈效应”。

公式中：α表示发射线圈半径，。

当涡流等效回路半径远远大于激发源回路线圈半径时，，得到激发等效电流的向下向外的传播锥角，其中向下传播的速度：通过式（2）到式（4）得到这样的结论：土壤的导电率小，而相应产生的感应电流向下和向四周传播的速度大，两种呈现负相关的关系，通过观察地磁场的变化就可以很好地测量和观察感应磁场的瞬变性。

瞬变电磁法在煤矿水文地质勘查中的应用

瞬变电磁法在煤矿水文地质勘查中的应用摘要：矿井突水对煤矿生产影响较大,威胁煤矿生产安全,造成严重的经济损失。

因此,掌握煤矿区域水文地质构成,可为煤矿开采保驾护航。

瞬变电磁法(TransientElectromagneticMethod)依靠不接地回线,并向下方发射脉冲磁场,发射多股脉冲磁场,通过线框/接地电极对涡流场进行科学观察,可降低测算仪器噪声、控制误差、提高勘查速度。

当下,瞬变电磁法在煤矿开采中应用尤为广泛。

关键词：瞬变电磁法；煤矿；水文地质勘查；应用1工程概况某煤矿位于我国山西地区,矿区有数十年的开采历史,开采场地不断西移,深度不断增加,存在一定的地表裂缝及地表塌陷。

矿井水患严重,地质构造复杂,在对该煤矿进一步深入开采过程中,发现第四系底砾层水对矿井造成破坏,水流侵入矿井,用水量大大增加,达到30m3/h,且煤矿区域发生了一定面积的塌陷现象。

为确保煤矿开采稳定性及持续性,本研究采用瞬变电磁法对矿区水文地质特征进行深入勘查,地面瞬变电磁勘探区域位于矿区北部,勘探面积为1.8km2。

2瞬变电磁探测的工作方法2.1固定平移法采用固定平移法时，发射天线、接收天线的放置应该要采用平行方式，进行移动探测，在对井下工作面、顶底板隐伏含水体展开探测时，此种方法适用。

在对此种方法予以应用的过程中，探测工作人员拿着天线缓慢移动，此时，移动间隔要控制在5m或是10m。

从现状来看，通常针对1条巷道展开探测工作，如果工作面的宽度超过150m的话，则要在2条巷道中同时进行探测。

2.2转换角度法采用转换角度法时，发射天线、接收天线要在既定的角度范围内转动，其探测区域呈现为扇形，如果堵头巷道的前方存在隐伏含水体，采用此种方法较为适合。

天线变化角度通常是10°，角度变化的顺序是从上至下，从左至右，测线共2条，这样能够对含水体的实际状况进行切实了解。

若想使得数据更为准确，探测过程中，掘进机应该适当后退，距离超过20m，具体如图2所示。

地面瞬变电磁法在矿区采空区水文地质勘探中的应用

管理及其他M anagement and other地面瞬变电磁法在矿区采空区水文地质勘探中的应用冯伟摘要：矿区采空区的存在对矿区的生产，人民生命财产和工程建设造成极大的安全隐患。

若采空区或采空塌陷区沟通导水通道，将极大威胁矿井井下采掘工作安全，极易发生人员伤亡和资源、设备损失事故，因此矿区采空区水文地质勘探对矿区生产、建设有十分重要的意义。

瞬变电磁法对低阻良导体反应灵敏，技术设备相对成熟，是常用的矿区水文地质勘探方法之一。

本文通过介绍瞬变电磁法的基本原理、仪器、数据采集、处理与解释，勘探矿区井田采空区或采空塌陷区的水文地质情况，探讨瞬变电磁法在矿区采空区水文地质勘探中的实际应用。

关键词：瞬变电磁法；采空区；水文地质勘探矿区采空区是矿区地下矿产资源被采集后形成的空洞，这些空洞使原地层应力平衡遭到破坏，造成局部应力集中。

采空区顶板在上覆岩层压力作用下，发生变形、断裂、冒落，坍塌后形成采空塌陷区。

由于地表塌陷下沉，或是塌陷区积水造成人工湖，常导致房屋损毁，铁路、公路，水利等设施遭到破坏。

采空区或采空塌陷区会在其周围区域形成大量裂隙，增加了导水通道，极易诱发矿井透水事故，对矿区建设、生产造成极大安全隐患。

矿区井田位于山西省长治市襄垣县下良镇、王村镇一带。

井田北部、东部、南部以及西南部存在较多兼并重组、整合后矿井，有的矿井越界开采，形成不明采空区。

当开采采空区下部矿产资源时，若采空区或采空塌陷区积水渗漏，会对下部采掘工作面人员、设备安全造成极大威胁。

查明矿区采空区及水文地质情况，在矿区生产建设中具有举足轻重的作用。

利用瞬变电磁法对井田进行含水层富水性区域的划分，结合水文钻探资料，全面了解井田水文地质条件，探查井田内采空区或采空塌陷区及其富水性情况，指导矿井安全生产。

1 瞬变电磁法基本原理瞬变电磁法（简称：TEM法）是以地壳中岩石、矿石的导电性、导磁性和介电性为主要物性基础，根据电磁感应原理，利用不接地回线或接地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，从而来解决有关地质问题的时间域电磁法。

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ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｉｎｓｔｕｍｅｒｎｔａｎｄＳＯｏｎ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｒａｎｓｉｅｎｔｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｍｅｔｈｏｄ；ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ；ｃｈａｒａｃｔｅｉｓｒｔｉｃ
板、侧帮和前方一定范围内的含水地质构造，但
受体积效应因素影结构不大理想。钻探，其探测范围小、成本高、工期长，还存在因钻孔失稳或意外，造
１水文地质探测技术
文献标识码：Ｂ
文章编号：１００９ — ９４９２（２０１５）０７ — ０２２５ — ０３
ＡｐｐｌｉｅｄＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＴｒａｎｓｉｅｎｔＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｉｎＣｏａｌＭｉｎｅＨｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｙＤｅｔｅｃｔｉｏｎＡｓｐｅｃｔｓ
用于煤矿水文地质探测常见的技术手段有：矿井直流电法、无线电透视法、音频电透视法、
瑞利波法、矿井地质雷达、矿井瞬变电磁法、三
极超前探、钻探等［２１。无线电波透视法、音频电透
成孑Ｌ口阀门失效，引发突水事故的风险，有时候
Ｏ引言
煤矿突水是指在正常生产作业过程中突然发生的一定水量的涌出现象，通常会造成水灾事故ｎ。
突水是制约煤矿高效安全生产的自然因素之一。随
体。瑞利波法和矿井地质雷达可运用在超前探测方面，其方位定向性好、精度准确，有效探测距
离较小（３０ｍ以下），不适应现代化开采进度要
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９－９４９２．２０１５．０７．０６７
瞬变电磁仪在煤矿水文地质探测方面的应用研究
王卫光
（阳泉煤业（集团）有限责任公司，山西阳泉０４５０００）
ＷＡＮＧＷｅｉ — ｇｕａｎｇ
（ＹａｎｇｑｕａｎＣｏａｌｉｎｄｕｓｔｒｙ（Ｇｒｏｕｐ）Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｙａｎｇｑｕａｎ０４５０００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏａｌｍｉｎｅｗａｔｅｒｉｎｒｕｓｈｓｅｉｏｒｕｓｌｙａｆｆｅｃｔｔｈｅｃｏａｌｍｉｎｅｓａｆｅｔｙｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ｕｓｉｎｇｔｈｅｔｒａｎｓｉｅｎｔｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｉｎｓｔｕｍｅｒｎｔｔｏｄｅｔｅｃｔ，ａｎｄｃａｎｒｅｌｉａｚｅｌａｒｇｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｒａｎｇｅ，ｗｉｄｅａｐｐｌｉｃａｂｌｅｓｃｏｐｅ，ｐｒｏｖｉｄｅｒｅｌｉｂｌａｅｄａｔａｆｏｒｔｈｅｄｏｗｎｈｏｌｅｆｏｒｅｃａｓｔ，ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎａｎｄ
ｃｏｎｔｒｏｌｏｆｗａｔｅｒｄｉｓａｓｔｅｒｓ．Ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅａｎａｌｙｚｅｄｆｒｏｍｄｅｔｅｃｔｉｏｎｐｉｎｒｃｉｐｌｅ，ｃｈａｒａｃｔｅｉｓｒｔｉｃｓａｎｄｍａｔｔｅｒｓｎｅｅｄｉｎｇａｔｔｅｎｔｉｏｎｏｆｔｈｅｔｒａｎｓｉｅｎｔ
着煤矿开采技术水平的提高，矿井开采深度持续增加，开采条件愈加复杂多变，突水、淹井等水害事故的发生愈加频繁。水害事故破坏力强、突发性强、受井下工作环境的影响，容易造成群体伤害
事件，给人民的生命和财产造成重大的损失。为此，做好煤矿水文地质探测工作意义重大。
求。矿井直流电法、音频电透视法都属于体积勘探法，容易受体积效应因素影响，且这两种方法方位性不好。音频电透视法用于探测采煤工作面
内和煤层顶、底一定范围内的含水构造，但是受体积效应因素影响，不易定量，施工作业强度高、工作效率低下。矿井直流电法能用于探测底
摘要：煤矿突水严重影响煤矿安全生产。运用瞬变电磁仪进行探测，可实现探测距离大、适用范围广，能为井下水害预报、防
治提供可靠数据。从瞬变电磁仪的探测原理、特点、探测注意事项等方面进行分析探讨。
关键词：瞬变电磁法；探测；原理；特点
中图分类号：Ｕ２６４．７