煤矿巷道工作面顶、底板内部或掌子面前方存在的含水构造是煤炭开采和巷道掘进时的主要突水隐患。含导水构造的导电性和介电性等与完整含煤地层之间存在着明显差异，为矿井瞬变电磁探测提供了物理前提。传统的矿井多匝小回线发射和接收线圈的重合绕制方式造成了线圈内和线圈间的强互感耦合作用，进而使得关断效应影响增强，浅部“盲区”增大，实现浅层精细勘探较为困难。为此，本文基于圆锥型场源装置，开展了地面、巷道全空间一维正、反演理论与应用研究。
　　推导了圆锥型场源装置内各匝线圈半径计算公式，基于Maxwell方程组和叠加原理分析了圆锥型场源装置的瞬变电磁法一维正演计算表达式，采用D.Guptasarma和B.Singh的140点Hankel变换方法计算了频率域垂直磁场响应，然后采用余弦滤波算法将频率域响应转换到时间域。探讨了不同的观测参数和改变典型地电模型电阻率和厚度对圆锥型场源瞬态响应的变化特征，研究表明圆锥型发射装置的顶底半径变大、均匀半空间电阻率变小都会导致瞬态响应衰减变缓慢，使得瞬态响应进入晚期衰减的时间相应延迟。典型地电模型的正演模拟得到的晚期视电阻率曲线均能较好的反映各地电模型的特征，且具有较好的分层效果，对低阻体响应尤为灵敏。
　　引入了层状全空间瞬变电磁法正演计算公式，基于叠加方法讨论了圆锥型场源的层状全空间瞬变电磁正演公式，计算了三层、四层和典型地电模型组合的全空间介质模型，研究发现全空间层状模型中低阻层的响应时间范围略大于半空间模型，低阻层与下层介质分界面的响应也相应延后。瞬变电磁场在全空间层状介质的扩散规律主要是向着最低的低阻层的方向，因为电磁波有向着更容易扩散的方向传播的特性。在进行煤矿巷道顶板探测时，底板内低阻体对观测信号的影响程度将依赖于顶底板低阻体电阻率差异的大小，若顶板内存在电阻率较低的低阻层，所观测响应将主要为顶板低阻响应，若底板内存在电阻率较低的低阻层，所观测响应将主要为底板低阻响应。
　　讨论了两种矿井瞬变电磁法一维反演方法：1、“烟圈”反演。研究发现反演得到的典型地电模型“似”电阻率-深度曲线均能较好地反映各地电模型的形态特征，反演对低阻层的响应尤为灵敏。2、改进的粒子群优化反演(PSO-GIS)。研究发现改进的粒子速度更新公式和新提出的惯性权重因子改进策略在测试函数下均可以较快地收敛到全局最优解，提高了算法的全局寻优能力。提出的PSO-GIS算法不依赖于初始模型的设定，反演的典型地电模型具有较快的收敛速度及较好的计算精度，反演结果的正演响应相对误差在早期很稳定，平均相对误差均低于1.27%，仅K型的平均相对误差为2.87%。PSO-GIS反演算法应用在带巷道影响下的全空间五层模型下，对除巷道外的反演较为灵敏且精度高，对巷道高阻反演存在较大的误差，但平均相对误差保持在0.95%，并且较好的划分了顶、底板低阻异常。研究表明改进的粒子群优化算法应用在圆锥型场源瞬变电磁法地面、巷道理论反演中均具有较好的效果。煤矿井实测数据反演对比表明，改进的粒子群优化反演方法对低阻体的反演更精细，反演方法应用到实测资料处理是可行的，提升了反演的解释效果。