3303工作面内构造情况及顶板含水层组水文物探成果报告

应该指出，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3-3-1）向下、向外移动，强度逐渐减弱。

图3-3-1 地下感应电流环带分布图

当发射机Tx和和接收机Rx开机并由参考电缆连接时，Tx便在Tx回线中产生重复的电流。图3-3-2表示这种电流的一个循环图形。一个循环的时间称为Tx周期并用T表示。

在循环的开始，Tx回线中的电流从0上升到由“电流控制旋钮”所设定值，并保持该值不变，然后经1/4Tx周期后，电流终止，并在Tx关断时（T/O Time）电流降至0。Tx的关断时间，即T/O time在图3-2-2中用T/O Time表示。

图3-3-2表明，关断时间的形状近似于线性斜坡。该斜坡的长短由Tx 回线的尺寸决定。

- 6 -

3303工作面内构造情况及顶板含水层组水文物探成果报告

图3-3-2 发射的T 电流随时间变化曲线

Tx电流在下一个T/4间隔内要保持为0。这个间隔我们称之为测量周期（measurement period）。在测量周期的末端，下半周Tx循环开始；下半周循环包含着与上述相同的序列，即电流上升、稳态、关断，接着进入测量周期。下半周循环的唯一特点是Tx回线中的电流沿反方向流动。

在T/O时间内回线中电流的跌落，使得在Tx回线周围形成随时间变化的磁场。这个磁场在地下感应出涡流。在T/O时间之后的瞬间，该涡流被限制在Tx回线之下的地表附近。随着时间的增加，涡流从Tx回线向下和向外扩散。同时，这种扩散的涡流又形成了衰变的二次磁场。这样，不断测量这种衰变的二次磁场，就可以逐渐增加对地下的勘探深度。

图3-3-3 接收的Rx电压随时间变化曲线

由于Tx在地下感应的涡流迅速衰减，并形成随时间变化的二次磁场，这个磁场在Rx接收线圈中感应出衰变的电压（瞬变电压）。信号电缆把此瞬变电压传输给接收机Rx的输入端。Rx接收机按20个（或30个）时间序列间隔，对上

- 7 -

3303工作面内构造情况及顶板含水层组水文物探成果报告

述瞬变场进行采样，并分析和记录该瞬变场的特点，如图3-3-3所示。

仅仅在Tx电流降至0的时间，门才开始测量瞬变电压。门是自动设间隔的，以便填满测量周期。门的宽度和瞬变电压由图3-3-4所示。

门的宽度随时间按指数增加。早期门（1，2，3?）是窄的，以便在瞬变场变化最快的早期阶段能精确地测量它。后续的门（?，18，19，20）是很宽的，因为在晚期阶段瞬变场衰减的慢。

理想上，应该在T/O斜坡之后，立即就开启第一门。然而，由于Tx电流要有一个很短的辅加时间才能降至0，所以采样要在T/O之后略晚一点开始。

图3-3-4 Rx接收机的门与时间的关系

3.2.2矿井瞬变电磁法特点

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相同。由于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120m左右。但由于深部有效数据量相对浅部较少，可靠程度相对较低一些，在80m范围内的数据量最大，80-100m范围内的数据次之，100-120m的数据量及信号强度相对较弱。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，这种瞬变响应是来自于回线平面上下（或两侧）地层，这对确定异常体的位置带来困难。实际资料解释中，必须结合具体地质和水文地质情况综合分析。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与地表，不可能采用地表测量时的大线圈（边

- 8 -

3303工作面内构造情况及顶板含水层组水文物探成果报告

长大于50m）装置，只能采用边长小于3m的多匝小线框，因此数据采集工作量小，测量设备轻便，工作效率高，成本低；

（2）由于采用小线圈测量，点距更密（一般为10m），降低体积效应的影响，提高勘探分辨率，特别是横向分辨率。

（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置于巷道底板测量，探测巷道底板下一定深度内含水异常体垂向和横向发育规律，也可以将线圈直立于巷道内，当线圈面平行巷道掘进前方，可进行超前探测；当线圈面平行于巷道侧面煤层，可探测工作面内和顶、底板一定范围内含水低阻异常体的发育规律。

3.2.3矿井瞬变电磁施工技术

矿井瞬变电磁探测仪器选择华安奥特科技有限公司自主研发的YCS150瞬变电磁系统，该仪器具有抗干扰、轻便、自动化程度高等特点。数据采集由微机控制，自动记录和存储，与微机连接可实现数据回放。

矿井瞬变电磁探测方法依据所探测的目标及探测场地的不同有两种方式：偶极方式和中心方式，如图3-3-5所示。

若在井下巷道中对煤层顶底板进行探测时，由于巷道相对瞬变电磁探测要求的最小距离（5m）要大的多，一般采用移动式的偶极探测方式。通过在巷道内移动瞬变电磁系统和改变发射及接收线圈的方向，可以对煤层顶底板不同方向进行探测，得到一个扇形空间的探测信息。

巷道掘进头一般只有几平方m大小，既无法采用共面偶极方式，也无法采用中心方式。因此，我们采用了一种不共面同轴偶极方式。如图3-3-6所示，发射线圈（Tx）和接收线圈（Rx）分别位于前后平行的两个平面内，二者相距一定距离并处于同一轴线上。观测时接收线圈贴近掌子面，轴线指向探测方向。对于巷道掘进头来说，探测方向分别对准巷道正前方、正前偏左、偏右等不同方向，

- 9 -