钻孔瞬变电磁法研究现状综述

孙怀凤，张莹莹，赵友超，刘玉超，赵华亮1,,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)

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。

图1 钻孔瞬变电磁法工作原理Fig.1 Working principle of borehole transiet electromagnetic method

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.Fullagar[46]、A.C.Duncan[47]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。2019—2022 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200～300 m，探测深度可至井下2 000 m[58]。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80—90 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 m×400 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1.06～75.6 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.Irvine[4]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.Eadie[73]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.Mutton[74]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.Lane[75]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.Vella[78]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取得了不少研究进展，19 世纪80 年代，在加拿大魁北克省Dufault 地区福尔肯布里奇铜矿区，采用地-井瞬变电磁测量发现了一个深达950 m 的井旁盲矿体；在萨德伯里(Sudbury)铜镍矿区，发现深度超过1 000 m的林兹里(Linsley)矿体、埋深超过2000 m 的维克多(Victor)富铜镍矿床、埋深1 000～1 500 m 的新麦克里达铜镍矿床和埋深1 200～1 500 m 的东麦克里达矿床；在诺兰达矿区发现了深度约700 m 的科伯特和深度约1 280 m 的安西尔矿床[80-82]。英国圣埃弗斯地区由于地表有较厚风化层，并被高盐度地下水所饱和，对金矿勘查造成困难，2003 年，采用井下直流电阻率法与井下瞬变电磁法的联合探测，结果表明由于受到低阻覆盖层的影响，井下直流电阻率法只能探测到高矿化地质体，无法检测到强异常；而井下瞬变电磁响应在Junction 金矿附近出现强异常特征，该异常表现为倾斜板状体特征，后经证实该异常为一个含金剪切带[83]。

国内地-井瞬变电磁方法虽然在理论研究方面取得了显著进展，但是其实际应用领域范围狭窄且大多都是配合钻探或者其他方法进行试验验证，直接用于矿产资源勘探的实例并不是很多。2003 年国内引进三分量地-井瞬变电磁探测系统之后，在新疆某铜矿地区开展探测，发现并验证井旁存在富铜矿区[12,84-85]。2005 年施俊法等[82]在其所著《信息找矿战略与勘查百例》一书中提到地井瞬变电磁法经过改进和完善能够探测到约3 000 m 深、距离钻孔200～300 m 范围内的大型良导地质体，并有确定其位置、形状和规模。2008 年在危机矿山中开展了1 万多米的地-井瞬变电磁测量示范研究工作。2013 年运用瞬变电磁法在安徽省池州市黄山岭铅锌矿矿区成功发现井旁盲矿，为该地区深部找矿工作打开新局面；在湖北省大冶市铜绿山矿区成功探测深部矿体的延伸方向[86]。钟明峰等[87]介绍了地-井瞬变电磁法在青海野马泉M1 磁异常区金属矿产勘探的应用情况，通过对两个钻孔数据进行处理解释成功确定了井旁盲矿的方位以及产状。

隧(巷)道钻孔瞬变电磁在煤矿积水采空区、隧道探测中应用较多，应用案例集中在2017—2021 年，如山西阳泉、朔州地区、陕西省榆林市、韩城市、济宁、安徽省淮北市、广西岑溪市等不同地区的煤矿和隧道上均有成功应用[36-44]。中国科学院地球物理研究所利用PROTEM 矿用瞬变电磁仪对井下全空间瞬变电磁法进行了研究，在巷道掘进过程中进行了跟踪式超前探测实验，成功探测了前方的富水低阻异常区域。

总的来说，在实际应用方面目前取得的大部分研究成果均基于回线源地-井瞬变电磁法，这种通过感应方式建立起来的场源非常适合在澳大利亚内陆和加拿大的干旱和半干旱地区开展工作，地表固定放置的发射源能够与地下异常体有最佳耦合，老矿区留下的钻孔又为井下观测提供了天然场所，所以19 世纪80—90 年代在知名矿区寻找深部隐伏矿床上取得了大量成果；随着技术的不断进步，对发射和接收装置均有改进，如多线圈发射、三分量接收等，这些对于提高数据信噪比、加大探测深度都有帮助。在我国，地-井瞬变电磁法的应用主要集中在近20 年，早期的成果均基于回线源但随着找矿目标逐渐往西部山区转移，电性源地-井瞬变电磁法得到了越来越多的关注，但研究基础较薄弱。隧(巷)道钻孔瞬变电磁法主要用于煤矿和隧道施工中水害的探测，虽然在我国不同地区均有成功应用，同样面临研究基础弱的现状。

4 展 望

我国现在仍处于经济快速发展时期，矿产资源供不应求仍然是制约国家经济发展的重要因素之一，为了满足日益增长的矿产资源需求，国家近几年不断加大矿产资源开发力度，探测目标已转移到地球深部。伴随着社会发展和技术进步，对煤矿生产和隧道施工的安全性提出了更高的要求，有效的灾害监测和预警技术是非常有必要的。结合目前钻孔瞬变电磁法研究现状，未来我国地-井和隧(巷)道瞬变电磁技术发展面临的问题主要包括以下几个方面：

(1) 正演计算是反演研究的基础，正演计算的速度很大程度上会决定反演计算耗时。由于需要对三维模型进行网格剖分，计算时需要考虑所有网格，现有的地-井和隧(巷)道钻孔瞬变电磁三维正演算法计算速度较慢，加快三维正演计算速度，不仅对模拟复杂地质地形模型意义重大，对实现三维反演、降低反演计算量也很重要。

(2) 由于井旁异常体定位目前仍处于定性分析阶段，无法实现异常体精确定位，特别是在地形起伏剧烈及电性结构复杂区域，现有的一维反演方法存在一定的局限性，因此，研究带地形的三维反演方法或快速有效的地形校正方法显得更为重要，特别是对于地形适应性好的电性源地-井瞬变电磁法。

(3) 目前我国使用的地-井瞬变电磁设备大多依靠引进国外成品并在其基础上进行改造，还未研发出有自身特色、适应自身需求的产品。就发射机而言，可以考虑从发射源的布置和发射电流入手，引入多辐射场源或类似于m 序列的伪随机发射波形，提高对异常体的分辨能力；就接收探头而言，可以在三分量传感器的稳定性、灵敏性，套管材料或套管干扰消除方法等方面开展相关研究工作。

(4) 电性源地-井和隧(巷)道钻孔瞬变电磁法目前的研究基础均较薄弱，电性源地-井瞬变电磁法的应用案例更少，今后可以在老矿区，特别是位于地质地形条件复杂山区的老矿区，开展相关试验工作，基于就矿找矿的思想，可能会对深部找矿提供较多帮助。

(5) 为了提高解释结果的准确性，可采用多参数地球物理方法联合解释或联合反演方法提高地-井和隧(巷)道钻孔瞬变电磁法的分辨率，如地-井瞬变电磁法可以联合目前技术相对成熟的各类测井方法，如声波测井、磁法测井等；隧(巷)道钻孔瞬变电磁法可联合TSP 隧道超前预报波地震探测方法等。

5 结 论

a.钻孔瞬变电磁法由于接收探头位于孔中，具有探测深度大、分辨率高、受电磁噪声及人文干扰小的优点，能够满足深部找矿大埋深、水害防治精细化的探测需求。起步较早的回线源地-井瞬变电磁法目前在正演、成像、一维反演、仪器装备、应用案例等方面均积累了较多的研究成果，应用领域包含了深部隐伏矿床勘查和圈定岩层入侵范围，已经是一种比较成熟的井下工作方法，但关于反演的研究多是基于一维反演，反演方法的维度有待提高。

b.电性源地-井瞬变电磁法具有地形适应强、勘探深度大的特点，适合我国复杂地形地质条件下的矿产和工程勘查工作。但由于起步较晚，目前的研究基础相对薄弱，大部分研究都是关于正演方面的响应特征分析，联合现有的地面瞬变电磁法发射装置和回线源地-井瞬变电磁法接收装置，该法在反演方法研究、观测系统设计和实际应用中有很大的发展潜力。

c.隧(巷)道钻孔瞬变电磁法以其信噪比高、探测精度高的特点在煤矿生产和隧道施工过程中的超前地质探测灾害监测及预警方面有着重要的现实意义，但仍然面临研究基础弱的现状。目前研究内容多偏重于响应特征分析和现场应用，虽然在实际生产中取得了一些成功应用的案例，但是由于全空间探测的特殊性，该法在观测系统设计、发射装置设计和反演方法研究等方面仍有很多工作有待完成。

d.受孔中作业环境限制，钻孔瞬变电磁法的理论和装备不能完全照搬地面瞬变电磁方法成熟的先进理论和技术装备，必须立足于当前钻孔技术发展现状，结合实际探测目标和工程需求开展研究，提升井下工作方法的相关技术水平，在数字化、智能化和网格化技术方面突破技术瓶颈，达到大深度、高精度和高分辨率探测。