煤矿含水体瞬变电磁探测方法
1 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孔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50~200m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。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100m~150m，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量为主。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。
图1. 矿井主要含水体地质模型 (a)断层 ；(b)陷落柱；(c)采空区。
2 瞬变电磁探测方法进展
2.1 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100m-800m。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TEM法的工作效率。大定源回线装置虽然可以在回线内外进行观测，且该装置下的视电阻率公式也不受测点位置的限制，但是该装置感应电动势在线框处奇异，致使在线框附近的观测数据很不稳定，对提高信噪比不利。
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两种装置各自的应用范围与特点，国内学者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2b），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。国内学者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15%~25%；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，即只在回线中间三分之一到三分之二范围内进行观测。形成了改进后的中心回线方式。
(a)中心回线； (b)修正式中心回线； (c)大定源回线。
图2 三种不同回线瞬变电磁法装置形式[15]。
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。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况。
2.2 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TEM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TEM多用于500m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（Long offset TEM, LOTEM），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。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。
图3. SOTEM观测区范围限制在与发射源两端呈120°夹角的区域内，
偏移距为0.3-2倍的最大探测深度。
近年来，为了实现地下1.5km深度目标体的精细探测，薛国强发展了电性源短偏移距瞬变电磁法（Short offset TEM, SOTEM），利用关断的双极性电流激发电磁场，在小于2倍探测深度的偏移距范围内观测纯二次场图3，由于收发距离较小，所接收的信号强度较大。SOTEM一定程度上提高了探测精度和施工效率。
3.3 半航空瞬变电磁法
航空瞬变电磁法（Airborne TEM, ATEM）是基于机载平台的瞬变电磁勘探方法。其基本原理与地面TEM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4a）。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。ATEM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。但是，ATEM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（Semi airborne TEM, SATEM）得到越来越多的关注。
（a） (b)
图4 航空瞬变电磁法(a)和半航空瞬变电磁法(b)装置形式图。
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4b）。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TEM和ATEM的结合。与地面TEM相比，SATEM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TEM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。
2.4 矿井瞬变电磁法
矿井瞬变电磁是一种全空间探测方法。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。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，以及全空间模型下巷道空间对响应的影响，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。
(a) (b)
图5 矿井瞬变电磁法装置形式图(a)和数据观测现场(b)。