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钻孔瞬变电磁法研究现状综述 孙怀凤1,3,4，张莹莹2，赵友超1,3，刘玉超1,3，赵华亮1,2,3 1. 山东大学 岩土与结构工程研究中心，山东 济南 250061；2. 新疆大学 地质与矿业工程学院，新疆 乌鲁木齐 830000；3. 山东大学 地球电磁探测研究所，山东 济南 250061；4. 山东省工业技术研究院 先进勘探与透明城市协同创新中心，山东 济南 250061 摘要与航空、地面瞬变电磁法不同，钻孔瞬变电磁法将接收探头置于钻孔之中，由于距离探测目 标更近且远离地表，不仅可以观测到更强的响应信号，还可有效削弱孔外各类电磁信号的干扰，能 够满足大埋深、精细化探测需求，尤其是深部盲矿和水害探测。通过回顾各类钻孔瞬变电磁法回线 源地井、电性源地井和隧巷道钻孔瞬变电磁法的研究历史，总结各类方法在正演模拟、反演成 像、仪器装备和应用案例等方面的研究现状。研究结果表明回线源地井瞬变电磁法研究基础丰厚， 发展较为全面，已在生产中取得较多成功应用；而电性源地井和隧巷道钻孔瞬变电磁法研究基础 薄弱，由于理论方法、探测装备、反演技术等方面的限制，目前尚未得到广泛推广与应用，整体仍 处在初步研究阶段，相关技术仍有待进一步提升。未来发展方向可以从以下几个方面入手，如带地 形三维反演、快速地形校正方法、伪随机发射、多辐射源发射、套管干扰消除和多参数地球物理方 法联合解释等，形成完善的钻孔瞬变电磁法理论和解译方法，为深部矿体探测、煤矿和隧道含水构 造探测提供理论依据。 关键词地井瞬变电磁法；隧巷道钻孔瞬变电磁法；正反演；仪器设备；应用案例 中图分类号P631 文献标志码A 文章编号1001-1986202207-0085-13 Presentstudysituationreviewofboreholetransientelectromagnetic SUN Huaifeng1,3,4, ZHANG Yingying2, ZHAO Youchao1,3, LIU Yuchao1,3, ZHAO Hualiang1,2,3 1. Geotechnical and Structural Engineering Research Center, Shandong University, Jinan 250061, China; 2. School of Geology and Mining Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830000, China; 3. Laboratory of Earth Electromagnetic Exploration, Shandong University, Jinan 250061, China; 4. Advanced Exploration and Transparent City Innovation Center, Shandong Research Institute of Industrial Technology, Jinan 250061, China AbstractIn the borehole transient electromagnetic TEM, the receiving probe is placed in the borehole, which is different from either aerial or ground TEM. In such s, as the probe will be closer to the detection target and far away from surface, not only stronger response signals can be observed, but also the interference of various electromag- netic signals outside the borehole can be attenuated effectively. It can meet the demand of meticulous detection with large burial, especially the detection demand of deep blind ore and water hazard. The present situation of using various s in the study in forward modeling, inversion imaging, instrument and equipment as well as application cases was summarized, by reviewing the study history of various borehole TEMs return line source surface-to-borehole TEM, electric source surface-to-borehole TEM, and tunnel borehole TEM. According to the study results, the study of the re- turn line source surface-to-borehole TEM, with solid foundation and comprehensive development, has been applied fre- quently and successfully in production. Both the study of electric source surface-to-borehole TEM and that of the tunnel borehole TEM have not been widely promoted or applied currently due to their weak foundation and the limitations in 收稿日期2022-03-26；修回日期2022-06-28 基金项目天池博士计划项目；国家自然科学基金项目42074145 第一作者孙怀凤，1982 年生，男，山东邹平人，博士，教授，博士生导师，从事电磁正反演相关的教学与科研工作. E-mail 第 50 卷 第 7 期煤田地质与勘探Vol. 50 No.7 2022 年 7 月COAL GEOLOGY tunnel borehole TEM; forward modeling and inversion; instrument and equipment; application cases 钻孔瞬变电磁法是一种在井中接收电磁信号的瞬 变电磁勘探方法，这种工作方式充分利用了钻孔的优 势，一方面可以对物探进行约束和验证，提高物探解释 的精度；另一方面由于接收点位于井孔中，距离探测目 标更近，可以观测到更强的响应信号，还可有效减弱地 表各类电磁信号的干扰，信号反馈的目标体信息也更 加真实可靠1-2。钻孔瞬变电磁法的发射源可位于地 表，即地井瞬变电磁法，分为回线源和电性源 2 种；如 果同时将发射源置于地下，相当于把地井瞬变电磁法 的工作场景搬到矿下或隧道中，就是目前煤矿井下和 隧道含水构造超前探测中常用的隧巷道钻孔瞬变电 磁法3。地井及隧巷道钻孔瞬变电磁法图 1 这 2 种方法的共同点是接收点都在井孔中，不同的是地井 瞬变电磁法的发射源在地表，而隧巷道钻孔瞬变电 磁法的发射源在地下。 电性源 回线源 钻孔 接收探头 钻孔 三分量传感器 回线源 巷道 大地 感应涡流 异常体 磁力线 地层 1 地层 2 地层 3 地层 4 地层 5 地层 i 地层 n 图 1 钻孔瞬变电磁法工作原理 Fig.1 Working principle of borehole transiet electromagnetic 钻孔瞬变电磁法起于 20 世纪 70 年代，在 80 年代 得到迅速发展，该法具有探测深度大、响应信号强、分 辨率高和体积效应小的优势，广泛应用于矿产资源勘 探4-5。近些年，随着我国经济飞速发展，对矿产资源 的需求急剧增加，但近地表矿产资源储量有限，难以满 足日益增长的需求，寻找深部隐伏矿体以及对矿山周 围矿体探测是当前矿产资源开发的重要方向。我国 于 20 世纪 80 年代开始发展地井瞬变电磁法并取得 了一些研究进展，这得益于两方面因素，一是国内各大 矿区在开采发掘的过程中形成了大量的钻孔，为地井 瞬变电磁法的观测和研究提供了前所未有的条件；二 是随着国外仪器设备引进以及观测条件改善，针对理 论方法以及应用的研究逐渐增加，国内地井瞬变电磁 技术得到快速发展，也促进了隧巷道钻孔瞬变电磁 法的进步6-7。但是，由于地井瞬变电磁法采用非共 面装置，接收点的深度不断变化，且地下目标体不同方 位处观测到的信号响应特征有差异，无法将地面瞬变 电磁法完善的理论直接应用于地井瞬变电磁法的研 究8。虽然像地井及隧巷道钻孔瞬变电磁法这一类 井下接收的方法应用效果会优于常规的地面方法，但 86 煤田地质与勘探第 50 卷 都面临研究基础弱的问题，目前都尚未形成系统的理 论和解译方法。 地井和隧巷道钻孔瞬变电磁法这一类井下接 收的钻孔瞬变电磁方法在深部隐伏矿探测、煤矿和隧 道施工安全生产中的水害探测方面表现出了独特的优 势，近些年得到了越来越多的关注。根据工作方式的 差异，这些方法可分为回线源地井瞬变电磁法、电性 源地井瞬变电磁法和隧巷道钻孔瞬变电磁法，其中 回线源地井瞬变电磁法历史最为悠久，取得的研究成 果最多，已在深部盲矿勘查方面得到了很好的应用；电 性源地井瞬变电磁法和隧巷道钻孔瞬变电磁法起 步较晚，研究基础相对薄弱，但在地质地形条件复杂区 深部盲矿勘查和煤矿及隧道隧道施工水害探测方面表 现出了很大的潜力。针对上述方法，本文从正反演、 仪器装备和应用实例等方面介绍了这些方法的国内外 发展历程，并对各自的特点和发展现状进行讨论和分 析，以期促进钻孔瞬变电磁法关键技术发展，形成完善 的理论和解译方法，对深部矿体探测、煤矿和隧道含 水构造探测提供理论依据。 1正反演研究 1.1正演 1.1.1 回线源地井瞬变电磁法 正演是反演的基础，国外学者最早于 20 世纪 70 年代便开展了回线源地井瞬变电磁法的相关研究， 目前取得的研究成果也主要集中在回线源地井瞬变 电磁法，研究内容包括基于物理模拟或数值模拟的地 井瞬变电磁法可行性研究；简单规则形体响应特征分 析；响应影响因素；对多测道响应曲线进行定性分析判 定地下地质结构分布。 国外学者于 1975 年便开展了基于物理模拟或数 值模拟的井井瞬变电磁法可行性研究，由于当时数值 模拟的计算能力不强，采用了 PEM 瞬变电磁系统进行 比例模拟试验研究，并将其应用于地井瞬变电磁数据 正演9。1984 年 A. V. Dyck 等10结合物理模型试验 和数值模拟方法讨论了采用地井瞬变电磁法三分量 响应数据对地下目标体进行定位的可行性研究，指出 观测三分量数据有助于解决多解性问题，这一研究将 早期的单分量观测技术拓展至多分量观测，虽然已时 隔近 40 年，目前回线源地井瞬变电磁法仍保留了这 种观测方式。 对典型的简单规则形体进行正演，有助于了解响 应特征，为后续的解释和反演提供参考，这部分的研究 内容丰富，模型包括自由空间中球体和板状体、断裂 构造、含巷道和异常体的地电模型、含低阻薄板均匀 半空间模型、上覆低阻地层的含低阻薄板均匀半空间 模型、含单个异常体的地电模型等，采用的正演方法 有积分方程法、时域有限差分方法等11-17。从 1987 年 开始就已有这方面的研究工作，时至今日仍有这方面 的研究，随着计算机计算能力的提升，从早期的一维逐 渐发展至目前的三维正演方法，分析的对象由简单模 型逐渐变成复杂模型，如早期的自由空间模型到电阻 率轴向各向异性模型等，分析的响应包含了轴向分量、 三分量等；通过改变模型相关参数，总结典型模型的 地井瞬变电磁响应特征与规律，2005 年周仕新等14 依据推导的三维扩散方程的七点差分格式，对含巷道 和异常体的三维地电模型其进行数值模拟计算，分析 了瞬变场在巷道和低阻体处的响应特征；2012 年孟庆 鑫15基于时域有限差分方法，选用 Mur 吸收边界对含 导电薄板的二维均匀半空间模型进行正演计算，分析 了含低阻薄板的均匀半空间模型的响应规律以及增加 上覆低阻层的含异常体半空间模型的响应规律；2020 年 郭建磊等17基于三维时域有限差分算法研究了地层 电导率轴向各向异性对地井瞬变电磁三分量响应的 影响，发现水平轴电导率各向异性对地井瞬变电磁三 分量响应的影响大于垂直轴电导率各向异性对其产生 的影响，X 轴各向异性对 Y 分量响应的影响较大，Y 轴 各向异性对 X 分量响应的影响较大，为地井瞬变电 磁各向异性研究提供了理论指导。 基于正演技术，国内外学者很早就注意到在地井 瞬变电磁数据解释中需要考虑到各类影响因素，主要 包括来自于地层和套管环境及材料等方面的影响。地 层的影响包括覆盖层和导电围岩的影响，1984 年 P. A. Eation 等18采用积分方程法研究了导电围岩条件下 异常体在井中产生的瞬变电磁响应，指出在地井瞬变 电磁数据解译中需充分考虑覆盖层和导电围岩的影响； 1996 年 G. Buselli 等19研究了均匀半空间以及含上 覆导电层的半空间中包含 2 个平行板状异常体模型的 瞬变电磁响应规律，提出上覆导电层与目标体间的电 磁 耦 合 会 对 模 型 的 TEM 响 应 产 生 较 大 影 响 。 2011 年，宋汐瑾等20采用 Gaver-Stehfest 逆拉氏变换 方法进行正演计算，分析了井眼泥浆、套管以及水泥 环等因素对井中瞬变电磁响应的影响，并指出套管内 径以及套管磁导率会对瞬变电磁响应产生较大影响而 水泥环参数仅会对低阻层产生较大影响。 井旁定位、对多测道响应曲线进行定性分析判定 地下地质结构分布是近些年地井瞬变电磁法正演分 析的一个重要方向，已有大量学者开展了相关研究，证 实了基于正演响应特征进行定性解释的有效性。2014 年 张杰等21采用 EMVISION 软件针对井旁板状异常体 第 7 期孙怀凤等钻孔瞬变电磁法研究现状综述 87 模型进行数值模拟计算，研究了井旁板状导体的位置、 埋深、产状等参数对地井瞬变电磁响应特征的影响， 为地井瞬变电磁井旁异常体的定性解释提供了理论 依据。2017 年王鹏 22 采用三维数值模拟重点对 地井瞬变电磁 Y 分量响应特征进行研究，将总结的 Y 分量响应规律在山西某煤矿的积水采空区加以验证， 经过理论结果指导分析得到的积水采空区范围与钻探 揭露位置相吻合，说明地井瞬变电磁法对积水采空区 探测具有良好效果。2019 年姚伟华等23-24基于时域 有限差分正演算法，研究了煤矿井下掘进工作面的钻 孔瞬变电磁响应规律，发现钻孔瞬变电磁三分量响应 随时间的形态变化规律完全遵循“烟圈”理论并指出 可依据异常场的形态组合判别异常体相对于钻孔的方 位和深度；此外，他们还尝试将地孔瞬变电磁场分为总 场与异常场分而论之，分别讨论三分量响应特征，物理 模拟实验证实三分量在复杂模型情况下也可对多个异 常进行定位，表明钻孔瞬变电磁法在煤矿水害探测中 具有广泛应用前景。2019 年王鹏等25对地面钻孔 瞬变电磁的三分量纯异常场进行研究，总结一系列三 分量纯异常场对异常体变化的响应规律，在此基础上 以最小二乘约束反演算法对异常场进行处理，处理结 果显示该方法可定位异常体中心位置、倾角、尺寸等 相关参数，鉴于数值结果在陕西榆林市某煤矿进行实 测，通过采集、处理、解释得到在钻孔北侧具有小煤窑 积水采空区，钻孔揭露实际情况与解释结果相一致，表 明地井瞬变电磁具有较好的井旁探测能力。 从上述分析中可以看出，我国对地井瞬变电磁法 的研究起步较晚，20 世纪 80 年代国内才开始开展地 井瞬变电磁法的研究工作，受制于当时的技术手段和 理论方法，在最初的十几年中，地井瞬变电磁方法并 未得到相应的重视，针对地井瞬变电磁理论和应用的 研究较少。直至 20 世纪 90 年代中期，在国家相关政 策和项目的支持下，地井瞬变电磁法得到重视，针对 地井瞬变电磁法数值模拟和数据解译的研究开始逐 渐增加，且主要集中于回线源地井瞬变电磁法。进 入 21 世纪后，地井瞬变电磁技术得到快速发展，大量 学者通过正演证实了回线源地井瞬变电磁法优越的 探测能力，应用场景也从最初的矿产勘查拓展至煤矿 水害探测，这部分工作主要是由中国煤炭科工集团西 安研究院有限公司等单位完成的。 1.1.2 电性源地井瞬变电磁法 由于回线源在山区、沼泽、湖泊等地形条件较差 的区域不易开展工作，采用电性源激励成为当前的研 究热点，出现了电性源地井瞬变电磁法。该法不仅地 形适应性更强，理论研究表明由于电性源的垂向扩散 速度大于回线源，具有更大的探测深度；由于电性源可 在地下激发 TE 和 TM 两种极化模式的电磁场，与目 标体产生更复杂的耦合作用，提供更丰富的电性信息， 可服务于大深度精细探测。2016 年李术才等26基于 一维正演分析了地井瞬变电磁法的采集范围和传播 规律，总结了电性源地井瞬变电磁法的最佳观测方向 及可供参考的发射源长度和探测深度对应关系。2017 年 武军杰等27-29从一维正演和三维正演两方面分析了 电性源地井瞬变电磁法不同分量响应对电性界面的 灵敏程度及场的空间分布特征，并基于反函数原理讨 论了三分量响应的全域视电阻率定义问题，为电性源 地井瞬变电磁的探测效果和实际应用提供了理论和 数值试验支撑；同年，陈卫营等30-31基于电性源地下 瞬变场一维正演理论，对直角坐标系下的各电磁场分 量在地下的扩散、分布进行了研究，指出 Ez 和 Hx 分 量对目标层的反映最为明显，Ex 和 Hy 分量在地下扩 散时受“返回电流”的影响会出现变号现象，这会对异 常体的分辨造成一定影响。2018 年李凯等32基于三 维多尺度时域有限差分系统研究不同地质灾害响应规 律，如层状含水体、充水陷落柱、充水断层，通过总结 上述问题响应特征，验证了地井瞬变电磁法高分辨率 的优点，指出分析上述地质问题响应时应重点关注晚 期响应幅值与尖点特征，实现矿井不良含水体超前地 质预报与预警。2021 年 Wang Luyuan 等33提出一种 针对复杂地形的基于非结构网格矢量有限元法的地 井瞬变电磁三维正演算法，与一维解析解对比验证了 算法的准确性并通过数值模拟分析了电性源Ex 和dBy/dt 分量的零值带分布规律和成因，为实际探测中如何选 择最合适的钻井以获得最佳分辨率提供了理论依据。 采用电性源激励，可以通过多源以一定角度联合发射， 提高电性源地井瞬变电磁响应的信噪比和对地探测 分辨率，获得多维度地质信息，实现精细探测。2021 年 赵华亮等34借助半航空瞬变电磁法中多辐射场源的 概念，基于电性源地井瞬变电磁一维正演理论，采用 褶积及高斯公式，研究了 4 种典型发射波形下 B、dB/dt 的全分量瞬变响应，依据单一变量原则对比分析了偏 移距以及接收深度对地井瞬变电磁响应的影响。 电性源地井瞬变电磁法的研究进展主要集中在 近 5 年，研究的内容包含了电磁场传播与分布、典型 地质模型响应特征分析、带地形正演，发射波形分析 等，借助于回线源地井瞬变电磁的相关研究基础及三 维正演的快速发展，电性源地井瞬变电磁法当前的研 究主要为观测系统设计等提供参考。 1.1.3 隧巷道钻孔瞬变电磁法 为了满足煤矿安全生产和工程项目安全施工的需 88 煤田地质与勘探第 50 卷 求，隧巷道钻孔瞬变电磁法借鉴地井瞬变电磁法保 留了井中接收数据信噪比高、异常响应强、探测精度 高的特点，虽然起步较晚，但近些年取得了一些研究进 展。隧巷道钻孔瞬变电磁法目前大部分研究成果是 由中国矿业大学、中煤科工集团西安研究院有限公司 和山东大学完成，中国矿业大学和中煤科工集团西安 研究院有限公司的研究主要集中在巷道钻孔瞬变电磁 法，偏重解决煤矿水害的探测问题；山东大学的研究主 要集中在隧道钻孔瞬变电磁法，侧重解决隧道施工过 程中水害的探测问题。目前，隧巷道钻孔瞬变电磁 法正演研究的主要内容包括基于物理模拟或数值模 拟的隧巷道瞬变电磁法可行性研究35-37；简单规则 形体响应特征分析；观测系统设计等。 针对矿井孔中瞬变电磁法和巷孔瞬变电磁法可 行性研究，2015 年储韬玉35为增强对井下钻孔空间的 利用，结合矿井瞬变电磁技术对煤矿富水区探测的优 越性，开展了矿井孔中瞬变电磁测量方法及其应用的 系统研究，通过数值模拟和煤矿现场实验证明矿井孔 中瞬变电磁法能够有效地探测钻孔周边的异常，对钻 孔围岩岩性的变化有较好的分辨能力；李学潜36、赵 睿37等分别对巷孔瞬变电磁三分量探测技术进行研 究，发现该法可有针对性地对钻孔附近异常进行三维 探查，有效识别掘进工作面前方含水构造的范围和位 置，或对水力压裂裂缝的发育情况进行监测，用于评价 水力压裂效果。 简单规则形体响应特征分析方面，为了更贴合实 际情况，学者们设计的模型主要有充水断层和模拟积 水采空区的低阻板状体这 2 种。采用积分方程法进行 矿井全空间孔中瞬变电磁数值模拟时发现当煤层底板 含水平低阻板状异常体时，在对异常体的纵向分辨率 和异常响应的持续时间方面，孔内感应电动势的水平 分量相对优于垂向分量，但垂向感应电动势的幅值强 于水平感应电动势38-39。 观测系统设计方面，由于隧巷道施工空间有限， 为了保证异常体与发射源的最佳耦合，目前隧巷道 钻孔瞬变电磁法采用的发射源主要是回线源，虽然正 演结果表明在矿井全空间中，条件允许时应尽可能使 用大回线装置，但受空间限制，可以使用小回线作为孔 中瞬变电磁探测的发射源40。2021 年吕荣其41对矿 用孔中瞬变电磁探测装置及特性研究，为探究孔中瞬 变电磁的响应规律，通过数值实验和物理实验模拟单 偶极子和双偶极子发射线圈的响应特征，并基于 2 种 线圈发射方式，对比研究了煤矿井下孔中的巷孔探测 模式和孔孔探测模式。 2020 年以来，参考回线源地井瞬变电磁法井旁 定位理论，部分学者开展了隧巷道钻孔瞬变电磁法 定性解释的井旁定位研究。2020 年张军42结合典型 灾害特征，设计多组三维模型，分别研究在地面井下 钻孔瞬变电磁和隧道工作面钻孔瞬变电磁 2 种不同 装置形式下模型的响应规律，并在正演响应规律研究 的基础上提出了基于总场的水体定位方法，可将井旁 水体快速圈定于井周 90范围。隧道钻孔瞬变电磁法 的研究成果相对较少，主要有基于三维正演模拟或物 理模拟试验的工作，可有效识别地质异常体在钻孔周 围的分布特征，提高探测的横向分辨率43-44。 根据上述分析，在正演研究方面，回线源地井瞬 变电磁法的研究基础相对丰厚，特别是在 2000 年以来 近 20 年间伴随着各类三维正演技术的发展取得了较 多研究成果，应用领域从深部找矿拓展至煤矿水害探 测，除了传统的分析响应特征证实方法有效性、得出 规律指导实际生产等，还开发了利用多测道响应曲线 形态判定井旁异常体的方法；电性源地井瞬变电磁法 和隧巷道钻孔瞬变电磁法的研究基础相对较弱，研 究成果主要集中在 2017 年2021 年，目前的研究内 容大都是通过分析响应特征证实方法的可行性和有效 性，其中电性源地井瞬变电磁法的探测目标是深部盲 矿，隧巷道钻孔瞬变电磁法主要解决煤矿生产和隧 道施工过程中可能会遇到的水害探测问题。 1.2反演 井旁异常体精确定位一直是地井瞬变电磁法研 究中亟待解决的问题，虽然利用多测道响应曲线形态 可以判定井旁异常体的大致区域，但无法做到精确定 位井旁异常体。因此，为了进一步实现井旁异常体精 确定位，地井瞬变电磁法反演研究不可或缺，国内外 学者很早就开展了相关研究工作，取得的研究成果主 要基于回线源地井瞬变电磁法。1985 年，S. Talor 等45 在第 55 届 SEG 年会上提出了地井瞬变电磁数据的 等效电流环非线性最小二乘回归反演；2 年后，P. K. Fullagar46、A. C. Duncan47提出了类似的等效电流环 反演方法并通过物理模型试验和野外实测数据证实了 方法的有效性，该法认为在发射源与异常体位置固定 的情况下，若不同接收点接收到的响应是由同一个异 常体产生的涡流场在不同位置的场值，则必然存在一 个垂直钻孔分布的电流环可在异常体中心产生与异常 体本身相同的响应场值。2001 年，Zhang Z 等8提出 了针对地面瞬变电磁和钻孔瞬变电磁数据的一维反演 方法，并指出地表数据在早期时间道的信噪比较高，而 钻孔数据在晚期时间道的信噪比较高；最后对地表数 据和钻孔数据进行联合反演，对比发现联合反演结果 优于单个数据集反演的结果。2014 年杨毅等48采用 第 7 期孙怀凤等钻孔瞬变电磁法研究现状综述 89 遗传算法实现了基于等效涡流的地井瞬变电磁纯异 常反演。2015 年张杰等49在等效电流环理论的基础 上提出地井瞬变电磁探测矢量交汇法，可用于定位井 旁异常体中心。20192022 年，范涛等针对巷道瞬变 电磁成像和反演分别研究了 4 种方法，分别是叠加成 像、基于聚类的钻孔瞬变电磁立体成像、拟地震反演 和可行域约束的 Occam 反演算法，叠加成像基于孔中 数据峰值点后方衰减段的全期视电阻率计算，可有效 圈定采空区异常边界；基于 K-Means 聚类算法的钻孔 瞬变电磁视电阻率立体成像是地球物理和机器学习的 有机结合，可实现长距离瞬变电磁水害立体超前探测， 为井下掘进工作面隐伏水害超前探测精细解释提供技 术支撑；二维拟地震反演基于波场反变换算法将二维 钻孔瞬变电磁数据转换为虚拟波场数据，并最终利用 全波形反演方法实现巷道钻孔瞬变电磁数据的反演； 可行域约束的 Occam 反演算法可减小瞬变电磁体积 效应影响，精确探测邻矿越界开采采空区规模50-54。 2019 年陈卫营等采用 Occam 算法对不同分量的电性 源地井瞬变电磁响应加以反演，结果表明各分量中垂 直电场和水平磁场对时间的导数对电性界面较敏感， 为进一步验证算法，在安徽某煤矿开展实测工作，反演 结果显示出两含水层所在位置与实际钻孔相一致，表 明该反演算法在煤矿应用中具有良好效果；2020 年， 利用 Occam 算法实现了电性源地井瞬变电磁法一维 反演，并在安徽的煤田成功预测含水层位置31,55。2020 年 S. Malecki 等56采用地上布置多个发射源，地下共用 接收点的装置形式，提出信赖域算法对地井瞬变电磁 响应数据进行一维反演可以准确定位地下接收点的位 置。2022 年智庆全等57提出一种基于瞬变冲激时刻 的快速定量解释方法直接获取大地电阻率参数，适用 于回线源地井瞬变电磁法的快速初步定量解释。 目前，地井瞬变电磁反演领域常用的反演方法主 要包括等效电流环反演、频率域一维反演、Occam 反 演、二维拟地震反演以及矢量交汇法，这一类方法仍 属于一维反演方法。反演方法的研究对象主要是回线 源地井瞬变电磁法，电性源地井和隧巷道钻孔瞬 变电磁法的反演研究相对较少，整体来说，各类钻孔瞬 变电磁法在成像和反演方面的研究基础仍然较弱。 2仪器装备及系统研发 在理论研究发展的同时，随着电子技术和硬件研 制能力的提升，国外各类瞬变电磁设备相继问世。加 拿大 GRONE 公司率先推出了性能稳定，实用型瞬变 电磁仪，随后又研制了脉冲电磁系统并被广泛应用于 瞬变电磁设备研制。此后，各类瞬变电磁仪器设备如 雨后春笋纷纷涌现，例如加拿大 GEONICS 公司的定 源回线装置 EM-37 系统、法国 BRGM 公司推出的 SYSCALR2 系统、美国 ZONE 公司的 GDP 系统、加 拿大 Phoenix 公司生产的 V-5、V-6 系统以及 V8 网络 型多功能系统。与此同时，结合深部探测需求，国外在 瞬变电磁仪快速发展的基础上开展地井瞬变电磁探 测设备的研制。20 世纪 70 年代，最先研制出单分量 地井瞬变电磁仪，至 20 世纪 90 年代初已经出现商品 化的三分量测量系统，例如加拿大 Geonics 公司于 20 世纪 80 年代末期研制的 PROTEM 瞬变电磁系统 及其配套的 BH43-3 钻井观测装置，探测范围可达井 周 200300 m，探测深度可至井下 2 000 m58。2014 年， 俄罗斯学者 N. O. Kozhevnikov 等59通过现场试验研 究了垂直钻孔金属套管对地井瞬变电磁响应产生的 影响，发现在早期金属套管产生的涡流对井中瞬变电 磁响应的影响可以忽略不计，在后期套管效应产生的 影响则占据主导地位。 20 世纪 80 年代初，国内首次引进加拿大 CORNE 公司生产的 SIROTEM 瞬变电磁系统，并以此开展地 井瞬变电磁研究工作，而国内的地井瞬变电磁仪器研 制工作也拉开帷幕。最初，只有少数科研院所开展地 井瞬变电磁相关仪器的研制，例如物化探研究所在七 五、八五科研攻关项目研究期间都进行了地井瞬变 电磁井中探头的研制60-62；20 世纪 80 年代末期，蒋邦 远和石中英成功研制井中轴向探头并投入野外试验63。 2003 年，国内又引进加拿大 CRONE公司生产的三分 量地井瞬变电磁系统，国内专家学者也针对地井瞬 变电磁三分量系统做了相应的改进。 隧巷道钻孔瞬变电磁法装备研制方面，2007 年 杨海燕等64讨论了多匝线圈与单匝线圈自感系数的 关系，同时分析了瞬变电磁线圈等效回路的暂态过程 以及多匝线圈感应电动势的响应特征，为提取早期数 据的研究提供了一定的参考；同年，姜志海等65采用 物理实验对矿井瞬变电磁观测系统的发射功率、发射 磁矩、关断时间随发射线圈匝数的变化关系以及关断 时间、接收信号随接收线圈匝数的变化关系进行了定 性研究，给出了矿井瞬变电磁观测系统发射接收线圈 最优匝数选择。2016 年苗彬等66对巷道钻孔瞬变 电磁仪器的研制开展研究，对时钟同步、接收机设计、 通讯传输、软件开发等关键技术加以实现，并将研制 的仪器在山西朔州某煤矿开展试验，该设备可有效识 别高低阻区域，实现连续探测，缩短决策时间，提高煤 矿安全管理水平。同年，林君等67针对矿井瞬变电磁 探测需求，研制了适用于井中探测的瞬变电磁空芯线 圈传感器。2018 年中煤科工集团西安研究院有限公 90 煤田地质与勘探第 50 卷 司针对多路合成发射和三分量磁感应接收探头这 2 个 关键技术开展研发，试制了孔巷瞬变电磁仪并开展了 实验室测试和煤矿井下现场试验68。2019 年于景邨 等提出采用一种多匝中心小回线非接触式发射源探查 矿井内含水体病害的位置并结合钻孔信息进行验证； 此外，他们还针对巷道内金属体的干扰及其去除技术 进行了专门的研究69-70。2019 年安徽惠洲地质安全 研究院股份有限公司惠洲院研制了集钻孔测斜、测 深于一体的 YCS360HK 矿用本安型巷孔瞬变电磁仪， 该设备服务范围广泛，可用于矿山、隧道、水利、地铁 等领域的隐患探查。2020 年中煤科工集团西安研究 院有限公司进一步研发了用于定向钻孔的孔中动源动 接收孔中瞬变电磁探测技术与装备，为煤矿巷道快速 掘进提供了超前探测距离 800 m 以上的“长掘长探” 水害预报手段。 由于起步较早，地井瞬变电磁法装备的研究程度 相对较高且很早便服务于生产，发射装置一般都是采 用地面瞬变电磁设备的发射机，但需要特制的井下接 收装置，所以研究热点主要在井中接收探头的研制方 面，接收装置由早期的单分量现已发展至三分量测量 系统。隧巷道钻孔瞬变电磁法的发射和接收装置都 位于地下，接收探头可以采用地井瞬变电磁装备，但 需要配以特制的发射装置，中国矿业大学、中煤科工 集团西安研究院有限公司和安徽惠洲地质安全研究院 股份有限公司惠洲院在这方面做了大量工作，相继 研发了有代表性的设备，已逐步开始被广泛应用。 3测试实验与应用案例 矿产资源勘探是地井瞬变电磁法应用最为广泛 的领域，国外最先于 19 世纪 80 年代将地井瞬变电磁 法应用于矿体探测，在澳大利亚、加拿大的一些老矿 区中，该法在寻找深部隐伏矿床中发挥了主导作用，成 为圈定深部隐伏矿床的有效方法之一。19 世纪 8090 年代取得的大量应用研究进展都位于澳大利 亚，采用的都是地表固定放置的与目标体有最佳耦合 的回线源，如 1984 年，纽蒙特Newmont 公司对新南 威尔士州的三个铜铁铅锌多金属矿床进行回线源 地井瞬变电磁探测，发射源尺寸 800 m400 m，发射 电流 50 A，电流关断后使用单分量测量装置在井中采 集 1.0675.6 ms 范围内的 28 个采样点，此次试验利用 多测道曲线的形态变化较为准确地确定了 3 个矿床的 倾向、深度和走向71。1987 年是地井瞬变电磁法应 用研究在澳大利亚取得爆发性成果的一年，在硫化物 矿、镍矿、黄铁矿、铅锌矿、锡矿等具有良导特征矿床 的深部隐伏矿探测方面积累了一大批典型案例，如 R. J. Irvine4在昆士兰北部 Thalanga 地区进行开展地 下块状硫化物和板状铅、锌、铜矿床探测工作，在距离 钻孔 150 m 处成功探测到块状硫化物，证实了地井瞬 变电磁法对井旁较强的探测能力，同时发现地井瞬变 电磁可有效探测低阻覆盖层下的良导地质体，并发现 这时小尺寸线圈的探测效果将优于大尺寸线圈；J. R. Bishop 等72在塔斯马尼亚西部的雷尼森贝尔锡矿，采 用地井瞬变电磁方法探测到地下 1 000 m 深度范围 外的含锡黄铁矿矿脉，在钻孔深度 540 m 处距离钻孔 75 m 的位置发现了隐伏盲矿体；T. Eadie73在塔斯马 尼亚的赫利尔矿区进行了地井瞬变电磁实验，结果证 实该法不仅可以提供矿床的形状信息，预测出矿体位 置，结合地面数据还可展示矿体细节，如矿体倾角等， 从而有效预测深部及复杂区域矿体信息；A. J. Mutton74 在西澳大利亚伊尔岗地块安格纽镍矿带开展了地井 瞬变电磁工作，该矿区由于存在高导覆盖层，地面瞬变 电磁法很难观测到来自矿体的响应，限制了瞬变电磁 法的探测深度和效果，但地井瞬变电磁法可刻画出复 杂良导地质体的范围与延伸方向，不仅可以加大瞬变 电磁法的探测深度，还能有效识别多个低阻体；R. J. L. Lane75在南澳大利亚坎曼图海槽内开展了地井瞬变 电磁勘探工作并发现了地下黄铁矿矿床；在悉尼盆地 南部煤田面临辉绿岩入侵导致煤炭焦化形成煤渣并最 终氧化成黏土材料的问题，M. W. Asten 等76针对该 问题开展地井瞬变电磁探测工作，并最终判定了辉绿 岩侵入范围。1996 年 CRONE 公司在昆士兰北部的 Balcooma 铜矿床进行了多环轴向以及三分量地井瞬 变电磁探测，比较两者探测结果发现相较于轴向数据， 三分量数据能够更加准确检测到矿体位置以及延伸方 向，在 200 m 深度处发现了井旁盲矿体响应特征，定位 出矿脉的延伸方向，并通过打钻进行了验证 77。 1997 年，L. Vella78使用 CRONE 脉冲电磁系统将地 井装置移至西澳大利亚金属矿巷道中探测磁黄铁矿， 有效圈定了地下富含磁黄铁矿的 BIF 靶区。西澳大利 亚卡尔古利坎博尔达硫化物镍矿床表明存在低阻覆盖 层，同时还有一层很厚的磁黄铁矿沉积物，勘探难度大， 1998 年 J. Elders 等79在该区开展了地井瞬变电磁工 作，采用两个发射线圈通以反向电流，这种多线圈发射 方式经电流反向耦合后的响应在极性反转位置可成功 对界面进行定位。 除了澳大利亚，加拿大在地井瞬变电磁法的应用 方面也