煤矿水害问题一直是制约着我国煤炭安全生产的重要因素之一,随着矿井开采深度、强度及速度的增加,煤矿水害问题日益突出,而矿井瞬变电磁法由于其分辨率高、体积效应小、施工方便等优越性,在煤矿小区域水害探测中发挥着重要的作用。本文从磁偶极子出发,推导了其半空间与全空间瞬变电磁场解析式,并通过对其积分得到矿井多匝小回线源半空间与全空间磁场强度及感应电动势计算公式,并推导了两种情况下的晚期视电阻率计算方法与时深转换方法。针对矿井瞬变电磁法的正演,本文从麦克斯韦方程出发,推导了矿井多匝小回线源瞬变电磁场的有限元方程,采用四面体网格剖分,推导了其矢量基函数,并采用伽辽金法求解有限元控制方程,采用后退欧拉公式对计算时间进行离散,并结合MUMPS并行求解器实现大型线型稀疏方程组的求解,结合无限元理论,在计算区域外围设置无限元域,模拟电磁场传播到无限远处,采用局部网格加密的非结构化网格剖分方法进行有针对性地加密,并验证了算法的精确性。基于理论研究基础,本文对半全空间条件下各种不同情况的瞬变电磁响应规律进行了正演研究,并开展了一系列现场试验。主要研究成果如下:（1）矿井多匝小回线源半全空间感应电动势的衰减规律一致,衰减速度由t^{-5 2}及r^{-3 2}决定,全空间晚期回线中心感应电动势幅值是半空间的2.5倍,晚期视电阻率是半空间的约1.842倍。（2）半空间条件下感应电磁场主要集中在下部地层中,在模型分界面及附近空气区域迅速衰减,全空间模型的感应电磁场在模型中以线圈为中心均匀分布。半空间多匝小回线源其磁场主分量为z分量,全空间巷道超前探条件下主分量为x分量。对于地面瞬变电磁探测来说,矿井导水裂隙的存在会使其瞬变电磁响应呈现出更明显的低阻特性。线圈位于导水裂隙正上方时其响应最强,随着线圈与导水裂隙水平距离的增加,对导水裂隙的识别能力迅速减弱。单次探测对分布范围较大的覆岩含水层、老空水及导水裂隙的识别精度较低,若要确定其整个区域的分布情况,需要进行多个不同位置的瞬变电磁探测。（3）提出了瞬变电磁响应的“几何重心”效应,本文提出的几何重心忽略其原有物理意义上的密度参数,以低阻体的含水性作为低阻体密度指标,不管低阻体的形态分布有多复杂,其最先产生感应电磁场的区域是总其离线圈最近的部分,而最终异常体的感应电磁场总要集中在其几何重心附近。异常体一开始产生瞬变电磁响应的强度取决于其与多匝小回线源的距离,异常体距离越远,产生感应电动势时的值越小,但距离不同对其瞬变电磁场的衰减规律则没有影响。（4）提出了瞬变电磁响应的“电磁场投影面积”这一概念,某时刻的电磁场投影面积即为该时刻在感应电磁场的峰值中心处异常体在线圈平面上的投影。而异常体感应电磁场衰减规律主要取决于其电性、尺寸及电磁场投影面积。其中,异常体电阻率值越低,其感应电磁场的衰减速度就越慢;异常体的尺寸与异常体感应电磁场的衰减速度成反比,尺寸越大则衰减越慢;电磁场投影面积越大,对应时刻瞬变电磁响应衰减速度越慢。规则异常体瞬变电磁响应规律主要受电性和尺寸的影响,不规则异常体则主要受电性和电磁场投影面积的影响。（5）巷道对瞬变电磁场的影响很小,后者仅在巷道内部电磁场传播较快。巷道内金属设备对瞬变电磁场的影响主要来源于掘进机,带式输送机与锚杆对瞬变电磁场的影响相较于掘进机可以忽略。掘进机对瞬变电磁场的影响主要集中在早期,晚期影响可以忽略。掘进机离掘进头越近干扰越强,在距迎头10m或以上时,影响可以忽略。提出了掘进机的干扰消除策略,即利用场叠加的特性将总场响应减去纯掘进机的响应,经过对比验证,整体相对误差在9%以内。（6）基于本文的研究规律,分别开展了矿井地面瞬变电磁探测和井下巷道超前探测。地面瞬变电磁探测动态监测了河床下采煤工作面采动过程中的导水裂隙发育规律,发现当导水裂隙导通至上覆含水层的某一位置时,含水层的水迅速向下渗流,且侧向渗流会补充该位置的水量,导致整个含水层水位下降,对工作面安全生产造成威胁。而井下瞬变电磁探测以巷道掘进超前探测为例,探明了工作面前方的隐伏陷落柱,经过钻探验证,证实了矿井多匝小回线源瞬变电磁探测的有效性和精确性,指导矿方放水2.68万m3,保障了附近工作面的安全回采。