直流电法、高密度和瞬变电磁法的简介

矿井直流电法勘探涵盖了巷道顶底板电测深法和矿井高密度电阻率法这两种方法，两者属于频率域，而矿井瞬变电磁法则为时间域的方法。

1直流电法技术的基本原理

直流电法勘探是测定岩石电阻率的传统方法。它通过一对接地电极把电流供入大地中，而通过另一对接地电极观测用于计算岩石电阻率所必需的电位或电位差信息（见图1）。

图1 电法勘探工作原理示意图

一个点电源O 在均匀介质中的电场形态为球形(见图2) ，每个球壳为一个等电位面，不同等电位面上A、B 两点会产生电位差，电位差的大小与其通过的介质的导电性(电阻率)有关。

此时通过直流电法仪测得A、B 两点的电位差，即可计算出介质的视电阻率。

A'

j电流线

图2点电源在均匀介质中的电场形态

矿井直流电法勘探在井下巷道内安放物理场源和接收装置，因测点位置靠近勘探对象，缩短了目标体的探测距离，许多在地表无法探测到的较小规模地电异常体，在井下可获得较强异常响应，为提高电法勘探应用能力创造了有利条件。

巷道顶底板直流电测深法装置形式

固定MN法（施伦贝尔装置）

工作布置方式为A---M-O-N---B ，即以 O 点为中心，两边对称布置A 、M 、N 、B 四个电极四个电极按比例由近及远同步移动。

三极装置（常用于井下迎头超前探测）

工作布置方式为A---M —

O —N----B （*）。即以 O 点为中心，两边对称布置M 、N 两个电极，A 、M 、N 三极由近及远逐步移动，B 极位于无穷远处。

图2 三极测深法示意图

上述两种装置中A 、B 、均为供电电极，用于向岩层供电；M 、N 均为测量电极，用于探测地电场电压，根据测出的电流、电压值结合装置系数就可以换算出地层视电阻率值。通过对不同深度地层的视电阻率值进行全方位探测和综合分析，就可以达到探测岩性或构造的目的。

矿井高密度电法

巷道顶底板电测深法由于受其观测方式的制约，不仅测点稀，工作效率低信息量小，而且更难从多种电极排列去研究地电断面的特征、结构与分布。因此，所提供的关于地电断面的地质信息贫乏，资料解释存在相当困难。为了克服上述困难与不足，更好的发挥物探在工程勘察中的优势，便发展出了高密度电阻率这项新的勘探技术。

其在原理上属于电法勘探中电阻率法的范畴，它是以岩土体的电性差异为基础，以研究在施加电场的作用下，地下传导电流的变化分布规律，它是在常规电法勘探基础上发展起来的一种新的勘探方法。高密度电法集中了常规剖面法和电测深法两者的特点，不仅可以观测地下一定深度范围内横向电性变化情况，同时还可以观测垂向电性的变化特征，总体而言具

有以下优点：

1、电极布设是一次完成的。虽然在工作开始观测前要投入较大的工作量来完成多电极的布设工作，但这样做可以防止因电极重复设置引起的干扰，减小了测量误差。

2、常规电阻率测深一次只能得到一条剖面上一个点的电阻率值，而高密度电法在电极布设好时可以得到一条剖面下整个断面的电阻率参数。大量的信息使我们在异常解译上排除电法工作的多解性有了较大的帮助。

3、野外的数据采集、收录实现自动化、智能化，因此可以方便的采集到同一深度上多个电阻率参数以及不同深度上电阻率参数。数据的自动存储避免了人为的观测记录误差，智能化可以实时看到地电断面电阻率变化特征，便于与计算机联接实现数据共享，便于后期资料处理。

4、由于在一条地电断面上有很多的电阻率值（所以称之为高密度电阻率），在现代计算机技术的支持下，利用现在较成熟的应用软件包，我们可以很方便的得到一条地电断面异常图，使我们很直观的分析地质体的相对电性特征，从而了解异常地质体的埋深、规模等。而常规电阻率测深无法做到这一点。

矿井高密度电法装置形式

高密度电法在野外工作时，将多电极按一定的间隔布置，观测过程中电极按一定规律组合，一次布置电极可实现不同的观测装置。高密度电法野外工作是采用多种装置形式，其各

种装置形式的工作示意图如下：

①二极装置Pole-Pole

装置系数K=2πr，其中r为电极间距，AM=nr

②二极装置P-Pole-Pole

装置系数K=2πr，其中r为电极间距，AM=nr

③单边三极装置P-Dpole

装置系数K=2πn(n+1)r，其中r为电极间距，n为隔离系数，AM＝nr，MN＝r ④偶极装置Dpole-Dpole

装置系数K=2πn(n+1)r，其中r为电极间距，n为隔离系数，AB=MN=r，BM=nr ⑤斯龙倍格装置Schlumberger：

装置系数K=πn(n+1)r，其中r为电极间距，n为隔离系数，MN=r,AM=NB=nr ⑥温纳装置Wenner：

装置系数K=2πr，其中r为电极间距，AM=MN=NB=nr

2矿井瞬变电磁技术的基本原理

目前，国内外常采用的预测方法主要是根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进行综合分析，而物探方法在井下探测水源体比地面物探具有独特的优势。瞬变电磁法由于在煤矿防治水中的独特优势，在巷道迎头超前探测以及底板突水预测预报方面受到了广泛的重视。

瞬变电磁法，即Transient Electromagnetic Method（简称TEM），是利用不接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲场，以激励地层介质感生电磁场，在一次脉冲场间歇期间利用同一回线或电偶极接收感应电磁场（图1）。其物理基础是电磁感应原理，根据此理论，在电导率和磁导率均匀的大地上，铺设输入阶跃电流的回线，当发送回线中电流突然断开时，在下半空间就要被激励起感应涡流场以维持在断开电流前存在的磁场，此瞬间的电流集中在回线附近的地表，并按指数规律衰减。

图1 瞬变电磁法示意图

在发送一次脉冲磁场的间歇期间，观测由地下地质体受激励引起的涡流产生的随时间变化的感应电磁场（或称响应场）。地层介质被激励所感应的二次涡流场强弱决定于地层介质所耦合的一次脉冲磁场磁力线的多少，二次场的大小与地下介质的电性有关：低阻地质体感应二次场衰减较慢，二次场电压较大；高阻地质体感应二次场衰减较快，二次场电压较小。根据二次场衰减曲线的特征，就可以判断地下地质体的电性、性质、规模和产状等，由于瞬变电磁仪接收的信号是二次涡流场的电动势（纯异常响应），对二次电位进行归一化处理后。根据归一化二次电位值的变化特征，可间接地探测各种地质构造问题。因此，瞬变电磁作为一种时间域的人工源地球物理电磁感应探测方法，是根据地质构造本身存在的物性差异来间接判断有关地质现象的一种有效的地质勘探手段。

由于特殊的井下施工环境，相对于其它方法而言，矿井瞬变电磁法有着很大的差异，主要有以下两方面的优点：

（1）由于井下施工环境与地表不同，无法采用地表测量时的大线圈（边长大于50m）装置，只能采用边长小于3m的小线框，因此与地面瞬变电磁法相比数据采集工作量小，测量设备轻便，工作效率高。

（2）由于采用小线圈测量，点距更密（一般为2-10m），可降低体积效应，提高勘探的横向分辨率。测量装置距目标体更近，将会大大提高异常体的感应信号强度。

施工方法

迎头超前探测