煤矿含水体瞬变电磁探测技术研究进展.pdf

第4 6 卷第1 期 2 0 2 1 年1 月 煤炭学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 6N o ．1 J a n ．2 0 2 1 煤矿含水体瞬变电磁探测技术研究进展 薛国强1 ’2 ’3 ⋯，李海1 ’2 ，陈卫营1 ’2 ，余传涛1 ’5 ，常江浩1 ’6 ，于景邮7 1 ．中国科学院地质与地球物理研究所中国科学院矿产资源研究重点实验室，北京1 0 0 0 2 9 ；2 ．中国科学院地球科学研究院，北京1 0 0 0 2 9 ； 3 ．中国科学院大学地球与行星科学学院，北京1 0 0 0 4 9 ；4 ．青海省第三地质勘查院，青海西宁8 1 0 0 2 9 ；5 ．太原理工大学矿业工程学院，山西 太原0 3 0 0 2 4 ；6 ．河北地质大学，河北石家庄0 5 0 0 3 l ；7 ．中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州2 2 1 1 1 6 摘要老窑采空区、顶底板含水层、陷落柱、溶洞、裂隙等潜在含水体，是煤矿开采中的主要致灾因 素，严重影响矿山安全生产。随着煤炭开采规模和深度的逐渐加大，地质条件和观测环境日趋复 杂，此环境下含水体探测成为保障煤矿安全生产过程中遇到的巨大难题，亟需创新电磁精细探测理 论与技术。瞬变电磁法能够获得地下介质的电阻率分布，由于煤矿含水体与围岩具有明显的电阻 率差异，该方法成为探测含水体的主要方法之一。首先总结了煤矿含水体的赋存特征及其电磁法 探测的物理基础。然后，综述了近年国内瞬变电磁探测理论、方法和技术等方面研究新进展，及其 在煤矿含水体探测中的应用和前景。理论方面，重点介绍了近年被引入瞬变电磁场数值模拟的时 变点电荷载流微元近场理论和矿井瞬变电磁法的物理基础地下全空间电磁理论，这2 项理论 都得益于数值模拟手段的发展，近年取得了较大的发展。在方法方面，对修正式中心回线装置、电 性源瞬变电磁法、半航空瞬变电磁法和矿井瞬变电磁法等新型瞬变电磁法装置进行介绍。随着相 关数据处理和反演技术的发展，这些新装置开始在煤矿含水体中得到应用，并展现出与传统方法截 然不同的技术特点。最后，指出瞬变电磁多分辨探测方法技术、大数据技术、煤矿多层采空区精细 探测技术和瞬变电磁高分辨数据采集装备研发是近年煤矿复杂含水体探测的研究方向。 关键词含水体；煤矿；探测；瞬变电磁法 中图分类号P 6 3 1文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 1 0 1 - 0 0 7 7 0 9 P r o g r e s sO ft r a n s i e n te l e c t r o m a g n e t i cd e t e c t i o nt e c h n o l o g yf b r w a t e r ．b e a r i n gb o d i e si nc o a lm i n e s X U E G u o q i a n 9 1 2 3 r ，L IH a i l 一，C H E NW e i y i n 9 1r ，Y UC h u a n t a 0 1P ，C H A N GJ i a n g h a 0 1r ，Y UJ i n g c u n 7 研如6 0 m 幻∥矿胁聊m z 只部o “厂c 船，胁￡如Ⅱ把矿＆o 幻冒yo 树G 唧协缸，劭i ，础eA ∞如玎叮矿 掂，堋，＆扣w1 0 0 0 2 9 ，m ￡心；2 ．风￡i ￡“砌m 矿眈n i e ，搿，铂i 心eA c o d e ，Vo ， 拈M ∞，日e 咖增I O 0 0 2 9 ，铂抽n ；3 ．c o z z E 酽旷如枷口蒯P 陆删a ，ys c i e n 螂，№觇乃渺∥劭i n 酷eA ∞如州旷＆i e w 酷， 舛增 1 0 0 0 4 9 ，m i 舳；4 ．z k 孤i r dG ∞f o g 幻口f 脚如r Ⅱ如n ‰疵以e 矿a 增 础P r o u i n c e ，x i n i 凡g8 1 0 0 2 9 ，观i n n ；5 ．c o f f e g e 矿肘眺增E 增i 船e 凡g ，死咖m n ‰i 盱 s 蚵o ，死c 加f o g y ，死i y 眦n0 3 0 0 2 4 ，m i 眦；5 ．胁6 e i 钮0 ‰i w 坩妙，s 彬础眦昭0 5 0 0 3 l ，m i 眦；6 ．砚es 如D o z 旷R 郡o u 肼so ，l d ＆∞c i e n 唧，饥i 眦‰i 一 Ⅲs 砂矿胁n 垤。蒯T k M 锄，x 渤o H2 2 1 1 1 6 ，吼i m A b s t r a c t G e o l o g i c a lh a z a r d s ，s u c ha sg o a fa r e a so fo l dc o a lm i n e s ，m o fa n dn o o ra q u i f e r s ，c o l l a p s ec o l u m n s ，k a r s tc a - v e s ，a n d6 s s u r e st h a ta r eo f t e ne n c o u n t e r e dd u r i n gc o a lm i n i n gh a v eb e c o m et h em a i nh a z a r d st h a te n d a n g e rc o a lp m - d u c t i o n ．H o w e v e r ，w i t ht h eg r a d u a li n c r e a s ei nt h es c a l ea n dd e p t ho fc o a lm i n i n g ，t h eg e o l o g i c a Jc o n d i t i o n sa n do b s e 卜 v a t i o ne n v i r o n m e n th a v eb e c o m ei n e r e a s i n g l yc o m p l e x ，w h i c hh a sb r o u g h ts e r i o u sp r o b l e m st ot h ed e t e e t i o nd e p t h ，a c - 收稿日期2 0 2 0 l l 1 2 修回日期2 0 2 卜0 卜1 1 责任编辑钱小静D O I 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j c c s ．Y G 2 0 ．1 7 8 l 基金项目国家自然科学基金资助项目 4 2 0 3 0 1 0 6 ；中国科学院科研仪器设备研制项目资助项目 Y J K Y Y Q 2 0 1 9 0 0 0 4 ； 自然资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室开放课题资助项目 K F 2 0 2 0 3 作者简介薛国强 1 9 6 6 一 ，男，山西运城人，研究员。T e l o l O 一8 2 9 9 8 1 9 3 ，E m a i l p p x u e g I l 唧a n g 1 6 3 ．c o m 通讯作者李海 1 9 8 8 一 ，男，湖南湘潭人，副研究员。T e l O l O 一8 2 9 9 8 0 0 3 ，E m a i l l i h a i m a i Li g g c a s ．a c ．c “ 引用格式薛国强，李海，陈卫营，等．煤矿含水体瞬变电磁探测技术研究进展[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 1 ，4 6 1 7 7 8 5 ． X U EG u o q i a n g ，UH a j ，C H E NW e i y i n g ，e ta 1 ．P r o g r e s so ft r a n s i e n te l e c t r o m a g n e t i cd e t e c 【i o nt e c h n o l o g yf o rw a I e r ． b e a r i n gb o d i e si nc o a lm i n e s [ J ] ．J o u m a lo fc h i n ac o a ls o c i e I y ，2 0 2 1 ，4 6 1 7 7 8 5 ． 移动阅读 万方数据 7 8 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 c u r a c y ，a n de m c i e n c yo ft r a d i t i o n a le l e c t r o m a g n e t i cm e t h o d s ．E f k c t i v ed e t e c t i o no fw a t e 卜b e a r i n gg e o l o g i c a lb o d i e sh a s b e c o m eah u g ep r o b l e me n c o u n t e r e di nt h e6 e l do fc o a lm i n i n g ．T h e r e f o r e ，i ti su r g e n tt oi n n o v a t ee l e c t r o m a g n e t i c6 n e d e t e c t i o nt h e o r ya n dt e c h n o l o g y ．T r a n s i e n te l e c t r o m a g n e t i c T E M m e t h o dc a nr e c o v e rt h er e s i s t i V i t yd i s t r i b u t i o no f t h ee a r t h ．A st h ew a t e 卜b e 撕n gb o d i e sh a v eb i gr e s i s t i v i t yc o n t r a s tw i t ht h es u n ．o u n d i n gr o c k s ，T E Mm e t h o di so n eo f t h em a j o rt o o l sf o rd e t e c t i n gt h ew a t e 卜b e a r i n ga r e a ．T h i sp a p e ra n a l y z e st h er e s e a r c hp r o g r e s so fT E Md e t e c t i o nt h e o r y ， m e t h o d ，a n dt e c h n o l o g ，f o rc o m p l e xs t l l J c t u r e si nc o a lm i n e si nr e c e n ty e a r si nC h i n a ．F o rt h et h e o r yp a n ，t h et i m e - V a r ． y i n gp o i n tc h a r g ec u n ．e n t - c a l l 7 i n gm i c r o - e l e m e n tn e a r - 6 e l dt h e o I yh a sb e e ni n t r o d u c e di n t ot h es i m u l a t i o no fT E M m e t h o d ，a n dt h eu n d e r g r o u n df u U - s p a c ee l e c t I D m a g n e t i ct h e o r yh a sb e e ni m p m V e dw i t ht h ed e V e l o p m e n to fn u m e r i c a l s i m u l a t i o nt o o l s ．F o rt h em e t h o dp a n ，t h ea i r b o m e ，l a n d - b a s e d ，a n du n d e r g r o u n dm e t h o d sf o rn e a r - s o u r c ee l e c t r o m a g n e t i cd e t e c t i o nh a v eb e e nd e v e l o p e d ，a n das e r i e so fd e t e c t i o nt e c h n i q u e ss u i t a b l ef o ra i r b o m e ，l a n d b a s e d ，a n du n d e 卜 g r o u n ds c e n a r i o so fi n v e s t i g a t i n gw a t e 卜b e a r i n gs t m c t u r e si nc o a lm i n e sh a sb e e nd e v e l o p e df o rg e n e r a la n dd e t a i l e di n V e s t i g a t i o n s ．I ti sp o i n t e do u tt h a tt r a n s i e n te l e c t r o m a g n e t i cm u l t i - r e s o l u t i o nm e t h o d ，b i gd a t at e c h n o l o g y ，6 n ed e t e c t i o n t e c h n o l o g ，o fm u l t i l a y e rc o a lm i n eg o “a n dt h er e s e a r c ha n dd e V e l o p m e n to ft r a n s i e n te l e c t r o m a g n e t i ch i g h - r e s o l u t i o n d a t aa c q u i s i t i o ne q u i p m e n ta r et h er e s e a r c hd i r e c t i o n sf o rd e t e c t i n gc o m p l e xw a t e 卜b e a r i n gb o d i e si nc o a lm i n e s ． K e yw o r d s w a t e 卜b e a r i n gb o d i e s ；c o a lm i n e ；d e t e c t i o n ；t r a n s i e n te l e c t r o m a g n e t i cm e t h o d 我国以煤炭为主的能源消费结构在未来3 0a 内不会发生根本性改变。我国煤矿安全生产形势 近年来持续稳定好转，但煤矿事故时有发生，据不 完全统计，与地质因素有关的各类事故占8 0 ％。 深部煤炭开采地质条件复杂，隐蔽灾害源多样性、 突发性和时变性是导致煤矿事故频发的主要因 素，使煤矿灾害防控面临巨大挑战。煤炭资源与 环境领域遇到前所未有的地质难题，其根本问题 在于煤矿开采的规模和埋深越来越大，地质环境 日趋复杂，受限探测监测手段，导致对煤炭地质体 和灾害体认知不足J 。因此，亟需创新地球物理 精细探测理论与技术，提高煤矿地质灾害预测能 力。 煤矿含水体易引发地下矿井突水，与瓦斯、粉尘、 火灾、动力地质灾害等并列为影响矿山安全的主要灾 害源。按照含水体的水源划分，煤矿含水体可分为地 表水体、冲积层水体、砂岩类含水体、灰岩类含水体 等，这几类含水体所引发的煤矿突水事故占全国典型 案例9 0 ％以上，其中尤其以灰岩岩溶所引发的矿井 水害最多心J 。查明煤矿含水体的空间赋存状况和发 育趋势，预测和预防矿井突水灾害是煤矿安全生产亟 待解决的问题。 电磁法是含水体探测的主要地球物理手段，是以 介质的电磁性 包括电阻率、极化率和磁导率等 差 异为物质基础，通过观测和研究人工或天然的交变电 磁场随空间分布规律与时间的变化规律，达到对地下 目标体探测的一类电法勘探方法口J 。按电磁法观测 的是随频率还是随时间的变化，可分为频率域电磁 法 F r e q u e n c yd o m a i ne l e c t r o m a g n e t i cm e t h o d ，F E M 和 瞬变电磁法 1 h n s i e n te l e c t r o m a g n e t i cm e t h o d ，T E M 。 其中，瞬变电磁法数据采集与含水体有关的二次场信 号，不仅可在地面观测，也可以直接在井下进行观测， 获得离目标区域更近且信噪比更高的数据。由于瞬 变电磁法对低阻体敏感，而含水体与围岩相比常常呈 明显的低阻特征。因此，瞬变电磁法是目前煤矿含水 体探测的主要电磁方法。 在实际应用中，已有众多学者采用瞬变电磁法开 展了煤矿含水体探测，其中包括了地面、井下和地空 等探测方法M 。5J ，煤矿含水体发育的时移监测N o 和水 文地质灾害勘测【_ 列等研究。 由于深部煤炭开采地质条件复杂，隐蔽灾害源多 样性、突发性和时变性，使煤矿灾害防控面临巨大挑 战。煤炭资源与环境领域遇到前所未有的地质难题， 其根本问题在于地球物理探测和监测手段有限，导 致对煤炭地质体和灾害体探测能力不足。因此，亟需 创新地球物理精细探测理论与技术，提高煤矿地质灾 害预测能力。笔者分析了近年国内煤矿复杂体瞬变 电磁探测理论、方法、技术、装备、应用等方面研究新 进展，并进一步指出发展煤矿环境下弱信号观测的高 精度、高分辨率、抗强干扰、高效率大功率电磁装备是 今后的发展方向。 l 煤矿含水地质体赋存特征 含水地质体主要包括煤层顶板水、底板水、煤 层采空区水。与围岩相比，含水体的电阻率较低， 是电磁法探测的前提。同时，当采空区或者其他 潜在含水结构未富水时，区域与围岩相比，将呈现 明显的高阻特征。因此，瞬变电磁法能同时对煤 万方数据 第1 期薛闻强等煤矿禽水体瞬变电磁探测技术研究进腱 7 9 矿含水体和采空区进行探测，是煤矿含水体探测 的主要方法之一。 煤系地层中常见的含水体为松散覆盖层中的 孑L 隙水和基底中奥陶统碳酸盐岩含水。煤系地层 之上一般覆盖有5 0 ～2 0 0m 厚的第四系的松散 层，其中一般含有2 ～4 层的孔隙含水层组，其含 水性强弱取决于成因类型和岩性组合。易引起煤 矿矿井充水的是第四纪底部附近的松散层含水岩 组。奥陶统碳酸盐岩是华北地区含煤岩系基底富 水性最强的含水地层，石灰岩连续型 即厚层或中 厚层石灰岩 ，常在该层底部形成层状溶洞，成为 区域性岩溶富水带。 老窑积水是主要的含煤岩系内部水害水源。古 代的小煤窑和近代煤矿的采空区及废弃巷道由于长 期停止排水而保存的地下水。实质上它也是地下水 的一种充水水源。中国不少老矿井，在其浅部分布有 许多小煤窑，深度为1 0 0 ～1 5 0t ，还有近代的一些采 空区和废巷。这些早已废弃的老窑与废巷，储存大量 地下水，这种地下水常以储存篮为主。当生产矿井遇 到它们时，往往容易遭遇突水，破坏性强，对煤矿生产 危害较大。 煤矿中水的传导是造成煤田水患的重要诱因。 煤矿导水体包括断裂带、导水陷落柱、采空塌陷区等。 张性断层的破裂面多数是张开具有空隙，破碎带中多 为角砾层，疏松多孔有利于地下水的流动和储存，这 类断层具有导水性，是矿井涌水的良好通道。导水陷 落柱的基底溶洞发育，空间很大，柱体内填充物未被 压实，沟通煤层底板和顶板数个含水层，高压地下水 充满柱体，溶岩作用强烈，采掘工作面一旦揭露柱体， 地下水大量涌入井巷，水量大且稳定，易造成淹井事 故。采空区导水裂隙带与采空区密切联系，若上部发 展到强含水层和地表水体底部，矿坑涌水量会急剧增 加。 2 瞬变电磁探测新的理论 瞬变电磁探测的理论突破是提升方法精度的前 提，能为煤矿复杂含水体探测奠定理论基础。本节将 介绍基于时变点电荷载流微元的瞬变电磁场理论和 矿井瞬变电磁法全空间场理论的研究进展，前者对电 磁场的求解精度有重要影响，但目前仍停留理论研究 阶段，尚未取得实际应用。后者是矿井瞬变电磁的理 论基础，目前已有多个应用实例。 2 ．1 基于时变点电荷载流微元的瞬变电磁场理论研 究进展 经典勘探电磁场理论中，发射源的微元为偶极子 形式 图1 ，而有限尺寸的源以偶极子的积分形式表 达。图l 中一3 0 ，一2 0 ，一1 0 为电磁场响应与源的幅值 之比，这种基于偶极子叠加的计算方式，一定程度上 可以改善采用直接单个偶极子假设带来的误差，但其 仍未能恢复偶极子微元本身略去的高阶项，不能从根 本上消除源尺寸在近源区域造成的计算误差，无法适 应近源精细勘探需求。此外，传统计算方式中需进行 的时频转换和数字滤波还会给计算结果带来一定误 差。 9 0 0 18 0 。⋯⋯⋯⋯⋯⋯一警0 _ 趔． J 立⋯盟o 。 ／／，，／／I 二墨_ ＼_ ＼ 啪二2 鑫疯一≥。。 ／一、．j ．二．j l8 0 。⋯一} ⋯车⋯j ⋯一；二j 乌二趔； j 旦j 一蹦o 。 ．ji 、、／j j j j ＼∑≥髟，7 夕／ 、、、、 、、、、～．j 一一一一，’’ ，，7 7 图1点电荷微7 L 和偶极子微兀的电磁场辐射方向不意 F i g ．I I l l u s l r a t i o n o fI h eP l e 、t m n l a g n e l i 1f i e l Ie x 【。i t e db yap o i f l I ‘1 1 a r g Pa n da 1 i p l P 为进一步推动瞬变电磁勘探方法的发展，奠定精 确勘探研究基础，笔者旧1 和周楠楠等一提出基于时 变点电荷载流微元的瞬变电磁场计算理论。从载流 微元出发，以时变点电荷假设代替偶极子假设，并且 不再经过傅里叶或拉普拉斯变换，直接在时间域中求 解层状介质表面上大定源回线、长接地导线源的解析 表达式。通过分析不同场区中时变T E M 场的性质， 分析典型地层的时变电磁响应特征，推导出确实适合 全场、全期的视电阻率公式。并结合理论模型和实际 例子对研究成果进行一定的检验。对资料处理和解 释方法的进一步研究，为瞬变电磁法的进一步深入研 究和推广应用打下了理论基础。 在基于时变点电荷假设的电磁场计算理论中，通 过引入时域格林函数，直接在时间域内求取瞬变电磁 万方数据 8 0 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 场的解析解。采用积分运算，把电磁场阻尼波动方程 的求解问题化为求其格林函数积分形式解的问题；建 立辅助路径解决奇点问题，利用复分析中的约当引 理、留数定理和广义函数等理论和方法，推导计算出 时间域格林函数的时空四重广义积分，得到达朗贝尔 方程的直接时域格林函数精确解析式。该方法以时 变点电荷微元代替传统的偶极子源，使源真正的微元 化，考虑了源的精准位置矢量、消除了源尺寸带来的 影响，且不再经过频时变换，直接在时域位函数的基 础上计算时域瞬变场，恢复了时域电磁场的因果律， 避免了频时变换带来的截断误差。基于时变点电荷 理论，显著提升了电磁场的计算精度，尤其在近源区 域，精度可提升3 倍以上∽J 。 尽管基于时变点电荷载流微元的瞬变电磁理 论目前尚未得到实际应用，但是其对煤矿含水体 探测仍具有指导意义。后续章节将介绍基于全空 间场理论的矿井瞬变电磁法，由于该方法施工空 间受限，需在近源区域开展探测。通过对近源区 域模拟精度的提升，可为矿井瞬变电磁法提供新 模拟思路。 2 ．2 矿井瞬变电磁法全空间场理论进展 全空间下电磁场的传播特征是矿井瞬变电磁法 的理论基础。为此，于景邮驯出版了矿井瞬变电磁 法勘探，系统奠定了矿井瞬变电磁法全空间场理论 基础。该书从电磁场基本方程出发，通过对矿井下全 空间瞬变电磁场分布特征的数值模拟，推导并定义了 矿井瞬变电磁法的视电阻率计算方法。根据井下巷 道内瞬变电磁法勘探工作装置形式，分析矿井瞬变电 磁法勘探中各种人文噪声，并介绍了矿井瞬变电磁法 的处理技术、全空间瞬变电磁法勘探数据时深换算理 论及方法。 近年来，随着数值模拟手段的发展和应用，矿井 瞬变电磁法的全空间理论得到了长足发展。相比于 地面瞬变电磁法，矿井瞬变电磁法的电磁场在全空传 播，响应会受到全空间下各个方向的异常体的影响。 在此情形下，对异常响应的数值模拟至关重要。 J I A N G 等u 通过推导波数域方程，发展了全空间的 2 ．5 维有限差分数值模拟方法。岳建华等2 1 采用三 维数值模拟方法对矿山巷道下方的瞬变电磁响应开 展了模拟，L I 等纠和c H A N G 等4o 则针对巷道或者 隧道掘进面前方的目标体响应开展了三维数值模拟， 分析了掘进面前方低阻异常体所引起的响应。在数 值模拟方法的发展和模拟结果分析下，矿井瞬变电磁 的探测能力得到进一步验证，推动了方法在实际探测 中的应用。 3 瞬变电磁探测方法进展 3 ．1 修正式中心回线瞬变电磁法 中心回线装置是瞬变电磁法勘探中最常用的装 置之一。在实际应用中，回线装置发射线框边长一般 为1 0 0 ～8 0 0m 。当发射回线边长较大时，若仅在发 射线框中心点进行观测，会大大降低T E M 法的工作 效率 图2 a 。大定源回线装置虽然可以在回线 内外进行观测 图2 c ，但由于响应在线框外有变 号现象，视电阻率成像和反演均不稳定。 S y s t e mS y s t e mS y s t e m 目宙 a 中心回线 b 修正式中心回线 c 大定源回线 图23 种不同回线瞬变电磁法装置形式⋯1 F i 昏2 T h I ℃et y p e so fl o o ps o u r c ee l e c t r o m a g n e t i cm e t h o d [ 1 5 ] 为了提高回线源瞬变电磁法的工作效率和解释 精度，根据中心回线和大定源回线2 种装置各自的应 用范围与特点，笔者纠提出了对回线源瞬变电磁法 探测技术进行改进的方法，即在观测方法上，采用大 回线发射，提高探测深度，并在发射回线中心区域一 定范围内进行观测 图2 b ，最大限度地保留该装 置近场观测的特性。 装置形式的转变会导致资料解释技术的不同。 由于观测点位置已经偏离了中心点位置，继续套用传 统的中心回线装置的计算公式和处理方法，虽然计算 相对快捷，但是测量精度相对较低，对于深部小构造 以及弱异常，会产生较大的影响。因此，在资料处理 时，不能采用回线中心点公式计算视电阻率，而是要 通过偶极子迭加方法，建立全场区公式，计算视电阻 率。笔者【l 纠改进了中心回线装置的资料解释方法， 统一了大定源回线和中心回线理论公式，消除和避免 了边缘效应，将导水小断层、奥陶灰岩陷落柱的探测 精度从原有的基础上提高了1 5 ％～2 5 ％；划定了中 心回线观测点精确探测的区域，以数据采集的可靠性 保证精细探测的实现。这样，在实际生产中，回线内 瞬变电磁测量装置逐步代替了中心回线，即只在回线 中间1 ／3 2 ／3 内进行观测。形成了改进后的中心回 线方式。 修正式中心回线装置及资料解释技术的应用效 果在西藏某钼矿的探测中得到验证6 | 。随后，在某 含水采空区的探测中，利用修正式中心回线装置开展 了采空区的时移监测，获得了采空区随时间的发育情 万方数据 第1 期薛国强等煤矿含水体瞬变电磁探测技术研究进展 8 l 况M 1 。在此基础上，L I 等Ⅲ1 发展了任意形状回线的 瞬变电磁反演方法，并成功应用于山西某煤矿的采空 区探测中。 3 ．2 电性源短偏移距瞬变电磁法 传统瞬变电磁法的发射源主要是回线源，如中心 回线装置、重叠回线装置、大定源装置等。回线源在 地下仅能产生水平方向的感应电流，使得回线源 1 E M 仅对低阻目标体敏感。此外，回线源激发的信 号在地层中衰减较快，导致探测深度较浅，因而回线 源T E M 多用于5 0 0m 以浅目标体的探测。为实现更 大深度的有效探测，需要采用电性源装置。电性源瞬 变电磁的传统工作方式是长偏移距瞬变电磁法 L o n g o f f s e tr I E M ，L O T E M ，利用数公里长的接地导线向地 下发射不关断的双极性方波电流，在大于3 倍探测深 度的偏移距范围内观测电磁场响应8 | 。由于接地线 源在地下可产生水平和垂直两个方向的感应电流，对 地下低阻和高阻目标体都具有较强的分辨能力，在大 深度的地壳研究、油气藏勘查、地热调查等领域发挥 着重要作用。但是，偏移距越大施工强度就越大，对 发射机功率和性能的要求也越高，加上采用不关断连 续波形电流，增加了数据处理难度。 近年来，为了实现地下1 ．5k m 深度目标体的精 细探测，笔者引发展了电性源短偏移距瞬变电磁 法 S h o r to f f s e tT E M ，s O T E M 。该方法利用含关断时 间的双极性矩形波作为发射源信号，在距离发射源较 近 小于2 倍探测深度 的梯形区域采集纯二次场信 号 图3 ，因此信号强度较大。采用当前主流的电磁 系统，如V 8 、G D P 一3 2 等，即可实施s O T E M 测量，因 此该方法在实际应用中易于推广。近几年，S O T E M 得到了快速的发展，目前在正演模拟、视电阻率计算、 反演解释、施工技术等方面形成了较为成熟的方法体 系‘2 0 。2 1 | 。 测线／ ＼＼ ；观测区域 ／ ＼一 一一一一一 ／ ／ 、哭凌射源 偏移距 ，／ n U ＼D ，／1 2 0 。 ＼ ／ 偏移距＼＼ ＼ ，．．．．．．．．．．．．．．⋯．．， ／二二、。 ’●rlrrlr’-1r’’r’ 观测区域 ＼＼ 』／一一．一一一一一一 ． ＼ 图3S O T E M 观测区域示意 F i 昏3 I l l u s t r a t i o no ft h eo b s e r v a t i o na r e ao fS O T E Mm e t h o d s 0 T E M 方法在煤矿含水体探测已获得广泛应 用。C H E N 等H 1 采用S O T E M 成功刻画了15 0 0m 深 度的煤层底板，同时圈定了采空区的位置。z H O u 等[ 5 1 开展了山地覆盖区的S O T E M 煤矿采空区探测， 获得了良好的探测效果。L I 等心2 1 和H o u 等心列对低 阻覆盖层下的采空区进行了探测。这些复杂情形下 的采空区探测为煤矿水患探测起到了示范性效果，能 够为s O T E M 在煤矿复杂含水体的探测和应用奠定 基础。 3 ．3 半航空瞬变电磁法 航空瞬变电磁法 A i r b o m eT E M ，A T E M 是基于 机载平台的瞬变电磁勘探方法。其基本原理与地面 T E M 一致，通常将特定频率的半正弦脉冲电流传输 到飞机头部，机翼和机尾周围的水平环路线圈中，然 后在脉冲间隔内通过接收在飞机吊舱中牵引的线圈 在不同时间接收电磁场 图4 a 。然后，可以通过 分析随时间变化的场的强度和衰减特性来确定地下 地质体的空间分布和电特性。该方法是一种高灵敏 度，探测深度大的纯二次场测量方法。A r I E M 还具有 区分覆盖范围影响的能力，可以有效克服地面条件的 局限性，并有效，精确地获取机载平台的地电信息，因 此被广泛用于矿产，地下水和其他资源勘探中Ⅲ。25 | 。 但是，A T E M 由于需要采用载荷较高的旋翼直升机或 者固定翼飞机开展工作，成本较高。同时，由于发射 源置于航空平台上，向地下注入能量有限，因此航空 瞬变电磁法的探测深度有限。为此，近年来半航空瞬 变电磁法 S e m iA i r b o m eT E M ，S A T E M 得到越来越 多的关注。 半航空瞬变电磁法采用地面发射和控制机载接 收的装置形式 图4 b 。它既利用了地面大功率 发射的优点，又获得了空中数据采集的高效特点，可 望兼具大深度和高效率的特点，被认为是地面T E M 和A T E M 的结合。与地面T E M 相比，s A T E M 更加有 效地消除了地形条件的限制，从而大大降低了人员成 本。与机载1 E M 相比，它具有更高的信噪比，并且将 系统中较为笨重的发射系统置于地面后，可采用无人 机作为接受系统的搭载平台，其工作模式更安全。 近年来，半航空瞬变电磁法的反演成像和应用得 到快速发展。李貅等旧刮发展了逆合成孔径成像方 法，张莹莹等[ 2 发展了多辐射场源形式下的地空瞬 变电磁成像，u A N G 等∽副发展了基于变形玻恩迭代 法的地空瞬变电磁一维反演方法。J I 等旧。针对地空 瞬变电磁的实测数据，发展了基于自适应卡尔曼滤波 器的去噪方法。在煤矿含水体探测方面，w u 等旧刮 和张庆辉等“ 给出了半航空瞬变电磁法在采空区探 万方数据 8 2 煤炭 学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 a 航空瞬变电磁法装置示意 b 非航空瞬变电磁法装置示意 图4 航空瞬变电磁法和半航空瞬变电磁法装置示意对比 F i g ．4C o m p a r i s J no ft h es c h e m a t i cd i a g r a l n so fa i r b o r n e T E Ma n 】S A T E Mm e t h o d 测中的应用实例，王振荣等旧引将该方法成功应用于 陕西神木地区煤矿采空区勘查，所圈定的疑似积水采 空区，为该煤矿工作面合理布置和采空区治理等提供 了可靠的地质信息。 3 ．4 矿井瞬变电磁法 矿井瞬变电磁是一种全空问探测方法。它通过 位于地下的煤矿井下巷道铺设瞬变电磁探测的发射 和接收装置 图5 。由于矿井瞬变电磁法需要将探 测系统置于煤矿巷道或者工程隧道等空间受限环境 下，多匝形式的小回线装置是矿井瞬变电磁探测的主 要装置y 。多匝小回线装置会增强线圈互感作用， 影响瞬变电磁衰减曲线的早期。通过优化装置参数， 能在一定程度优化或者消除早期信号的畸变。同时， 研究信号的关断效应对响应的影响。3 4J ，以及全空间 模型下巷道空间对响应的影响⋯’3 5 。”j ，对小回线装 置的成功应用奠定了理论基础。 随着矿井瞬变电磁法全空间理论的发展，矿井瞬 变电磁法近年来得到较多应用，从而推动了矿井瞬变 电磁法数据处理和反演方法的发展。杨海燕等‘3 副发 展了矿井瞬变电磁法的全空间视电阻率成像。程久 龙等。3 9J 提出了波场变换数据处理及成像方法，实现 瞬变电磁剖面到拟地震剖面的转换，达到对电性界面 的准确划分并得到成功应用。程久龙等l 4 0o 改进了粒 a 矿井瞬变电磁法装置示意 T x发射线框．R x 一接收线框 b 矿井瞬变电磁法数据采集现场 图5矿井瞬变电磁法装置硝意图和数据采集现场。5 F i g5s c h e m a t i c 1 i a g r a mo fan l i n et r a 心e n te l 刚m 1 1 1 a g n e t i 【- d e I e c t i o nd e v i c ea n daH c e n a r i fc 0 1 l e 【