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1、1 .前言1课题立项背景及争论意义煤炭工业是我们我国国民经济的基础产业，煤炭在我们我国一次能源生产和消费结 构中占67%左右，近年来还呈提升趋势。我们我国富煤、贫油、少气的资源特点，打算 了煤炭在一次能源中的重要地位，据猜测，在将来相当长的时期内，煤炭仍将是我们我 国主要的基础能源。依据目前的能源消费标准，依据专家的猜测，到2022年，要使国内 生产总值在2000年的基础上再翻两番，将消耗40亿吨标准煤。考虑到节能因素，2022年 我们我国能源消费总量将高达3032亿吨标准煤，其中原煤2223亿吨，甚至更多。 因此，煤炭工业的持续、稳定、健康进展直接关系着我们我国能源平安和建设全面小康 社会目
2、标的实现。然而，近年来国有或地方煤矿连续发生重特大灾难事故的惨痛教训表明，平安是煤 炭工业和煤炭企业进展的前提和保证。平安投入和因灾难事故造成的经济损失已成为煤 矿生产成本中不行忽视的重要组成部分。与国际上其它先进采煤我国相比，我们我国煤 矿平安生产形势差距很大。2001年我们我国煤矿的百万吨死亡率为5.85,2002年为5,2003 年为3.71。而南非煤矿的百万吨死亡率为0.13,印度为0.42,波兰为0.26,俄罗斯为0.46。 2002年美国煤矿百万吨死亡率仅有0.025川。我们我国严峻的煤矿平安生产现状在国内外 造成严峻影响和全社会的广泛关注，严峻损害了我们我国的国际形象。因此，提高
3、煤矿 平安生产保障程度，构建本质平安型矿井已成为我国平安生产工作的重点。我们我国是世界上煤矿水文地质条件最为简单的我国之一，煤矿水害是仅次于瓦斯 灾难（瓦斯煤尘爆炸、煤与瓦斯突出）的其次大煤矿灾难性事故。我们我国矿井水害的 类型很多，按水的来源大构造上可分为六类：地表水构造水害、老空水水害、孔隙水水 害、裂隙水水害和岩溶水水害等。废弃井口、采后冒裂带、岩溶地面塌陷坑（洞）、陷 落柱、断层带及煤层顶底板或封孔不良的旧钻孔都会成为可能的导水通道，当采煤工作 面或掘进巷道接近或沟通老空区时，极易发生老空水水害。长期以来，采煤工作面内顶、底板和巷道掘进前方的地质构造特别、顶底板突水灾 难和煤与瓦斯突出
4、等问题始终困扰着煤炭综采、综放技术的应用，而其中的水害是影响 矿井平安生产和建设最普遍、发生最多的重大灾难。由于矿井突水迫使工作面停产、搬 迁，严峻的发生人员伤亡事故，例如，1984年6月2日，开滦矿务局范各庄煤矿2171 综采工作面，因陷落柱导水发生了罕见的透水灾难，特大水害不到21小时就沉没了整 个矿井，（突水的最大涌水量为2053t/min）,给我国造成经济损失达5亿多元；1991年山 东肥城矿务局郭家庄煤矿因断层构造导水，沉没了整个矿井；峰峰矿务局梧桐庄矿95 年12月3日发生特大突水事故（最大涌水量34000m3/h）,几个小时内沉没矿井；止匕外, 淮北矿业集团公司、淮南矿务局、河南
5、义马矿务局、焦作矿务局、皖北矿务局和河南永煤集团等均发生过较大突水事故。造成煤矿水害缘由是多种多样的，依据目前多个矿井突水状况分析，主要突水类型 有以下几种：因导水断层与强含水层或含水岩溶相连，把水导入矿井而引起突水； 因陷落柱导水而引起突水；因老窑采空区积水而引起矿井导水； 烧变岩含水层导 入矿井引起突水。因此，对矿井各种引起水害发生的突水构造提前猜测，是防止矿井突 水灾难发生的根本保证。目前国内外常采纳的猜测方法主要是依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探测进行综合分析。而物探方法在井下 探测各种引起煤矿突水构造比地面探测具有独特的优势（刘天放，李志聃，1992
6、），目前，探测矿井各种突水构造的物探方法主要为矿井直流勘探方法、无线电波透视法和 音频电透视法。由于井下测量环境的限制，测线和测点布置主要局限于巷道顶、底板， 因此，传统的矿井直流电法勘探只能探测到巷道顶、底板岩层肯定范围内的含（导）水 构造。而工作面内顶、底板岩层发育的含（导）水构造，在回采过程中由于地应力的重 新分布，隔水层的破坏，是引起矿井突水灾难的最重大危急因素。对工作面顶底板含（导） 水构造和掘进巷道前方突水构造的提前猜测，是保证煤矿平安建设和生产的前提，并已 引起大水矿的高度重视（皖北矿务局任楼矿为工作面掘进中突水淹井，永煤集团车集矿 为工作面回采过程中底板内导水构造引起的突水）。
7、矿井电穿透方法（韩德品，石亚丁, 2000）和音频电透视法可探测工作面内顶、底板导水构造，在肯定地质和矿井条件下, 取得较好的地质效果。但由于矿井电穿透法供电电极和测量电极分别布置在两个不同的 巷道，工作面宽度一般在100180m之间，造成测量信号很弱，信噪比大大降低，特殊 对于只有一条巷道或巷道长度有限的条件下，就无法进行观测；对于在巷道条件允许状 况下，采纳单极一偶极法测量，虽然能观测到较强的信号，由于构造积效应相对增大， 影响特别构造的精确定位；对于巷道掘进头含（导）水构造的超前探测，采纳单极偶极法进行探测，大多数状况下效果不够明显，且探测距离较短；采纳音频电透视法 猜测工作面顶底板导水
8、构造，由于使用频率较低（100Hz左右），和矿井直流类似，井下 干扰严峻，构造积效应大，同时受巷道长度的限制。瞬变电磁法（Transient Electromagnetic Methods）或称时间域电磁法（Time domain electromagnetic methods）,简称TEM或TDEM,它是采用不接地回线或接地线源向地下 放射一次脉冲电磁场，在一次脉冲电磁场间歇期间，采用线圈或接地电极观测二次涡流 场的方法。其基本工作方法是：于地面或空中设置通以肯定波形电流的放射线圈或线源, 从而在其四周空间产生一次电磁场，并在地下导电岩矿构造中产生感应电流，断电后， 感应电流由于热损耗而随时
9、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。该方法除了具有穿透高阻层力量强及人工源方法随机干扰影响小等优点外，还具有：（1）断电后观测纯二次场，可以进行近区观测，削减旁侧影 响，增加辨别力量；（2）可用加大放射功率的方法增加二次场，提高信噪比，从而增加 勘探深度；（3）通过多次脉冲激发，场的重复测量叠加和空间域多次掩盖技术应用，提 高信噪比；（4）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，可获得
10、不 同勘探深度等一系列优点。因而，用瞬变电磁法进行找矿、地质构造、地下水、地热资 源和环境工程勘查的争论愈来愈被人们重视。地面瞬变电磁法勘探与其它物探方法相比具有构造积效应小、工作效率高、纵横向辨别 率高和对低阻反映灵敏等优点。依据近十年来矿井直流电法理论和技术的争论思路和实 际应用阅历，将地面瞬变电磁方法应用于矿井下，采纳多杂数、小回线组合装置进行探 测矿井不同位置含水构造，从理论上分析，不仅具有比地面瞬变电磁法辨别率高（回线 边长为两米左右）、构造积效应小、旁侧影响小、测量快速和轻巧等优点，同时可以弥 补井下直流电法勘探无法探测的矿井地质问题（如巷道长度有限或短巷道内探测工作面 顶底板含水
11、构造、巷道超前探测等）。关于采纳瞬变电磁法在井下巷道探测各种位置的 含水构造，国内外尚无人应用。依据多年的矿井直流电法探测阅历和近年来在多个矿井 的瞬变电磁法探测试验争论，井下瞬变电磁法探测信噪比比地面瞬变电磁法和矿井直流 电法勘探高得多，如图1-1所示，图1-la为巷道内瞬变电磁噪声电位衰减曲线，其最大 值为200uV/A;图1-lb为井下实际测量的电位衰减曲线，其t=30ms的电位值远大于同 时间窗口的电磁噪声，说明矿井瞬变电磁法勘探具有很高的信噪比，是一种很有前景的 探测方法。由于地面瞬变电磁场分布特征和探测技术是建立在半空间条件下，其干扰因 素主要是由天电产生的电磁噪声，因此，地面瞬变
12、电磁场分布特征和探测技术不适用于 矿井瞬变电磁法。类似于矿井直流电法勘探理论和技术的争论思路，要使得矿井瞬变电 磁法有效地解决各种矿井水文地质问题，首先必需争论矿井瞬变电磁场全空间分布特 征、井下探测技术及井下各种干扰因素的瞬变响应特征，形成一套从方法理论到探测技 术的系统方法，亲密结合其它矿井物探方法，应用于井下探测不同位置含水构造，必将 为矿井防治水工作带来光明前景。由于瞬变电磁法争论的是地下导电构造在一次场作用下所感应的二次场随时间的 变化规律，其观测参数为不同时间窗口的感应电位，可换算为反映地下岩层电性特征的 视电阻率。过去在瞬变电磁法勘探资料解释中，常规的解释图件为时间一视电阻率拟断
13、 面图和电位衰减曲线剖面图，依据这些图件解释的成果为不同时间的电性分布特征，而 不能直接与地下地层的电性分布特征进行直接对比。类似于其它物探方法，必需将时间 视电阻率曲线换算成深度视电阻率曲线，这样才能与实际地质状况对比，可将 物探信息转换为地质信息，因此，时间深度换算是把物探解释结果转换为地质信息 的关键。首先必需从理论上分析和争论影响瞬变电磁法探测深度的因素，推导出时间 深度换算数学模型，争论出快速、有效的瞬变电磁法时间一深度转换算法，不仅推 动瞬变电磁法勘探的广泛应用，而且对瞬变电磁法理论进展，既具有重要的理论价值， 又具有明显的实际意义。1. 2国内外争论概况在矿井水灾防治方面，欧美等
14、国在煤层顶、底板水害方面作了大量争论工作，通过 多学科交叉争论，对煤矿开采诱发的水文地质变化提出了若干耦合模型，模拟计算顶、 底板特殊是底板岩构造的采动破坏和水力学性质等方面的变化。美国、加拿大、瑞典、 澳大利亚在水文地质信息猎取方面研制开发了新的物化探仪器设施，包括地质雷达、单 孔多含水层综合水文地质参数测试技术等，对突水进行监测与监控，提高突水预报的有 效性。美国斯坦福高校等广泛采用地理信息系统进行水害的诊断和猜测。突水是我们我 国煤矿面临的主要危害之一，我们我国煤矿水文地质条件简单，世界上各种类型的突水 事故在我们我国均有发生。采纳矿井直流电法勘探技术调查矿井水补给源、导水通道和 进行含
15、水层、隔水层划分等是我们我国地球物理工作者的一大贡献。在两代人的共同努 力下，针对我们我国含煤地层的电性地质特征，提出了适合我们我国水文地质条件和井 巷支护条件的具有鲜亮特色的矿井水文物探方法。而前苏联主要将矿井直流电法勘探应 用于煤层小构造探测、矿井水文地质条件调查，煤层界面起伏和煤层尖灭、冲刷带探测, 顶板稳定性评价，以及矿压监测、岩煤突出预报、巷道变形监测等。匈牙利重工业技术 高校则重点争论了用于探测高阻煤层内小构造的直流层测深技术，在圈定煤层变薄区等 方面取得胜利阅历，日本曾应用巷道与地面间的电阻率成像技术争论断裂构造和金属矿 床的赋存状态等。我们我国对矿井直流电法勘探理论、技术和仪器
16、设施的争论系统、全面。从早期不 考虑巷道影响的层状介质全空间电位数字滤波计算方法，到考虑巷道影响的全空间直流 电场边界元法、有限差分法、有限元法数值模拟技术；从巷道多极距偶极剖面法、高密 度电阻率法、巷道断面测深技术，到直流电透视技术；从引进国外仪器到自主研制出矿 井防爆数字直流电法仪，乃至矿井直流电法勘探的推广应用水平，无不标志着我们我国 在矿井直流电法勘探理论、技术和仪器设施等方面均已处于世界先进行列。但是矿井直 流电法勘探也有其局限性，如在独头巷道超前探测方面其探测力量明显不足，当遇到破 裂顶板时，因电极接地困难其应用效果明显受到影响；当巷道极短致使供电极距不够大 时，无法满意勘探深度要
17、求等，这些都迫使我们探究新的探测技术手段14191。中国矿业高校在国内外首次将瞬变电磁应用于井下，中科院地质与地球物理所之后 也开展了煤矿井下瞬变电磁法的试验争论工作，这是对煤矿矿井水文物探技术的重要补 充，该项争论可以弥补矿井直流电法的不足。矿井瞬变电磁法属于时间域电磁感应法， 其放射线圈和接收线圈布置在井下巷道中，尽管放射和接收线圈的尺寸依旧受巷道有限 断面的限制，但对巷道长度的要求不像矿井直流电法勘探那样苛刻，可以采纳增加线圈 匝数的方法来提高瞬变电磁场的强度从而提高探测信号信噪比和有效勘探深度。应用实 例表明，探测目标构造的瞬变响应与其空间位置和放射、接收线圈的相对位置有关，矿 井瞬变
18、电磁法作为特定施工条件下的时间域电磁法，有其理论和技术上的特殊性，巷道 影响和全空间效应是矿井电法或电磁法勘探固有的特殊理论问题，全空间效应表现为观 测面上、下、左、右的介质都会对瞬变场产生影响，假如仍旧采纳地面处理方法，那么 所得到的视电阻率将特别小，严峻偏离实际状况尽管中国矿业高校在煤矿井下已 进行了多次瞬变电磁法试验，并在施工技术方面取得了阶段性成果，但对应用基础理论 争论不多，理论争论工作严峻滞后已成为制约矿井瞬变电磁法技术进展和推广应用的瓶 颈。对于地面瞬变电磁法，西方争论比较完善。“纵观TEM法的进展史可以看出：50 年月是西方瞬变电磁理论的萌芽时期。60年月逐步对简洁形构造的瞬变
19、响应有了基本熟 悉。70年月以来，数字模拟使很多简单的计算得以实现，瞬变电磁法也得到了迅猛的进 展。”在一维层状方面，Wait给出了匀称层状大地争论理论，H. F. Morrision提出了层 状半空间瞬变电磁场定量解释方法，1981年，Raich和Spies给出了适合于延时、电导 率和层深转变的二层匀称大地的理论曲线；1979年，M. N. Nabighian提出了用作解释 与反演的“烟圈”理论，1982年Right提出用Gaver-stehfest算法进行反演，比用傅里叶变 换进行反演更为有效，更为稳定，1985年Raiche提出用共框TEM测深数据和对称四极 电阻率测深数据进行联合反演。
20、在二维方面，1980年Kuo和Cho首次用有限元法求解 时域中的变分方程，得到任意二维地电断面的瞬变响应并用中心差分来代替热传导方程 中对时间的导数。1983年Goldman等引进积分一差分的混合算法，计算了垂直磁偶极 子激发下轴对称模型的TEM响应。Oristaglio等在1984年用有限差分法计算了二维地 电断面，J. I. Adhidgaa,在1985年用有限差分法计算导电半空间二维构造的瞬变响应, 并争论了导电围岩和导电掩盖层对TEM的影响。Goldman等在1984年提出用有限元法 解二维地电断面问题，并在1986年用有限元法争论了无限长线源激发下，任意二维地 电断面的TEM响应。三
21、维方面，Hjelt给出了瞬变偶极场中两层球构造的似稳态瞬变电 磁场解，Lee计算了层状大地中导电球构造的TEM响应，在1981年采纳解积分方程的 众数匹配法求解，进一步阐明白导电围岩中球构造的特别与自由空间中特别的差别，San Filipo ( 1985)计算了矩形回线中阶跃电流激发下棱柱构造的瞬变电场的数值解。 Gunderson等人在1986年争论了三维层状大地的TEM响应，同年Newman和Hohman 争论了层状大地中三维构造的TEM响应规律PS。对于瞬变电磁法正反演来说，国内的有关争论与报道较少。盛圣圣与牛之琏推导了 激励电流为阶跃波的中心回线及重叠回线装置状况下，层状大地的瞬变电磁
22、感应电压的 余弦积分表达式，并引入一种线性数字滤波方法来评价这种震荡类型的积分，同时采用 所建立的程序库，计算了一维层状大地模型上的瞬变电磁正演响应ML 丁世荣，方文藻 争论了阶跃磁偶极源球形地质构造的响应，并得出了解析式22。唐新功、胡良俊等争论 了层状地层中三维薄板的瞬变电磁响应3。宋维琪争论了激发源为水平电偶极子3D时 间域瞬变电磁场的有限差分算法侬1。王华军和罗延钟导出了中心回线瞬变电磁2.5维二 次场(纯特别)的有限单元计算公式Hl。罗延钟，张胜业等导出了层状大地条件下时间 域航空电磁法(偶极-偶极装置)的正演计算公式和算法PS。杨海霞正演计算了匀称半 空间及一维层状地层的时间域海洋
23、瞬变电磁场并争论了相应模型的海洋瞬变电磁响应 叫在视电阻率换算方面，蒋邦远给出了一种全区阅历公式，该公式应用效果比较抱负 2叫严良俊，徐世浙等采用导电全空间与匀称半空间中心回线源和磁偶极子在阶跃电流 激发下磁场公式和集中速度的定义，导出了不同条件下瞬变场的集中速度公式.I。苏朱 刘、胡文宝依据半无限匀称介质空间中场的表达式，分析了一维层状介质状况下的中心 回线方式瞬变电磁测深法的全区视电阻率定义的基本性质，并争论了求解方法，特殊地, 引入了基于感应电动势的“虚拟全区视电阻率”概念，从而解决了全区视电阻率解的唯一 性和存在性等问题网】。宋先旺、姜胜华给出了视深度的计算公式，对匀称半空间模型法 和
24、层状模型法的视深度的计算公式进行了理论推导和求解方法的对比卬】。白登海给出了 一种时间域瞬变电磁法视电阻率的数值计算方法，采用该方法可以简洁地求出中心方式 的全程视电阻率，理论模型和实际数据计算表明，与早期和晚期近似值比较，全程视电 阻率具有更高的精度和辨别率132。在电磁法勘探时间一深度转换理论和应用方面，国外很多地球物理工作者在这方面 做了不少争论工作，特殊是欧美学者的争论始终走在前列。最早实现电磁数据时间一深 度转换是在大地电磁测深数据处理中(Niblett and Sayn Wittgenstein, 1960; Schmucker, 1970; Bostick,1977; Jones
25、,1983),随后在 UTEM(Macnae and Lamontagne, 1987) 和频率域航空电磁法勘探(Sengpiel,1988)数据处理和解释中也实现了时间一深度转换。 近几年来，在瞬变电磁法勘探数据处理和解释中，也提出了很多实现时间一深度转换算 法(Eaton,P.A.,1989;Fullagar,P.K. , 1989,1992;Meju , M.A.,1992,1995,1998;Nekut , A.G.,1987;Raiche,A.P.,1985;Smith,R.S., 1994;Lee, T., 1977; James Macnae and Yves Lamontagn
26、e, 1987),这些算法在实际中得到肯定应用，其中很多方法具有算法简洁、快 速的特点，但是，依据这些算法转换深度一视电阻率拟断面图在不同深度上的电性分布 特征与实际地下介质的电性分布特征差异较大。通过对各种转换算法推导过程和理论基 础进行分析，产生误差大缘由之一是这些算法基本都是依据瞬变电磁场的“烟圈”效应理 论推导出换算数学模型，即直接由瞬变电磁场在地下感应的二次场达到最强时的时间来 计算相应的深度，这与电磁场实际集中状况不全都；其次个缘由是在推导时间一深度算 法数学模型时、均假设放射线圈为偶极源，即探测深度远远大于放射线圈或线源的尺寸, 实际测量中的探测深度与放射线圈或线源并不满意这个关
27、系，因此换算结果误差较大。 国内学者在瞬变电磁法勘探数据处理和解释中也做了大量的工作，提出了瞬变电磁场波 场转换和拟地震波处理方法（李金铭，1996;牛之琏，1992, 1995;昌彦君，张桂青， 1994;宋先旺，1994; Ellio,P.,孙鸿雁，1993）,并取得显著成果，但在时间一深度转换算 法方面的报道很少，基本与国外争论相同。综上所述，目前地面瞬变电磁法的理论争论大多集中在瞬变电磁场正演问题、视电 阻率计算方法和典型地电构造特别响应特征分析等方面。亲密相关的一篇关于层状介质 中全空间垂直磁偶源（顺层的水平回线）瞬变场数值模拟的文章发表在2002年Journal of Applie
28、d Geophysics上。然而，对适用于矿井勘探的多匝小回线全空间瞬变电磁场分 布规律的基础理论争论较少，其井下观测系统、探测技术、资料分析、处理和解释工作 的争论在国内外正式文献中鲜见报道。1.3本课题主要争论内容通过对地面瞬变电磁法理论国内外争论状况的综合分析，采纳矿井瞬变电磁法探测 煤矿（含）导水构造主要争论以下内容：1）从地面瞬变电磁法动身，分析全空间瞬变电磁场特征；2）建立快速、牢靠的时间一一深度转换算法与技术；3）通过理论分析和物理模拟，争论探测矿井不同位置、不同类型含（导）水构造 的瞬变电磁工作方法与装置；4）通过物理模拟和井下实际测量，争论井下噪声瞬变响应特征和探测技术；5）通过煤矿井下实际勘探应用效果，总结矿井瞬变电磁法技术应用成果。课题在查阅、分析和总结大量国内外文献的基础上，采纳理论分析和推导、物理模 拟试验和矿井实际勘探相结合的综合方法手段，系统争论矿井瞬变电磁技术准时间一一 深度转换算法与技术。该项争论成果不仅是瞬变电磁法理论进展的需要，也是推动该方 法广泛应用的基础;为瞬变电磁法资料定量解释供应快速、有效算法；同时为矿井防治 水工作供应又一牢靠的探测手段，不仅具有重要的理论价值，而且具有广泛的实际意义。