劉連生，梁龍華，吳吉洋，焦永斌，陸哲祥

(1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西贛州341000；2.江西省礦業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西贛州341000；3.江西漂塘鎢業(yè)有限公司，江西贛州341515)

1 前言

硐室爆破有“多、快、好、省”四大特點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐[1]。但由于其裝藥量大，一旦產(chǎn)生盲炮，對(duì)人員及設(shè)備安全和施工進(jìn)度都將產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。過(guò)去，盲炮的檢測(cè)與識(shí)別僅依靠肉眼觀察和工程經(jīng)驗(yàn)，可靠性差，無(wú)法準(zhǔn)確地檢測(cè)與識(shí)別出所有的盲炮。瞬變電磁法具有能檢測(cè)地下隱蔽工程的特性[2～4]，為盲炮的快速檢測(cè)與識(shí)別提供了有效技術(shù)手段。本文應(yīng)用瞬變電磁法在某地進(jìn)行瞬變電磁法可行性探討試驗(yàn)，研究瞬變電磁法用于檢測(cè)與識(shí)別硐室爆破盲炮的可行性。

2 瞬變電磁法原理

瞬變電磁法是一種無(wú)損高分辨率電磁探測(cè)技術(shù)，利用探測(cè)的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)成圖，可檢測(cè)出地下埋藏的金屬物體并提供相關(guān)信息[5]。

瞬變電磁測(cè)量是利用不接地線圈（或稱回線）向地下發(fā)射一次瞬變磁場(chǎng)，通常是在發(fā)射線圈上供一個(gè)電流方波，可在地下產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)分布，當(dāng)電流方波切斷后，地球介質(zhì)將產(chǎn)生渦流，其大小取決于地球介質(zhì)的導(dǎo)電程度。該渦流不會(huì)立即消失，它將有一個(gè)過(guò)渡過(guò)程，過(guò)渡過(guò)程產(chǎn)生的磁場(chǎng)向地表傳播，通過(guò)地表的接收線圈把磁場(chǎng)的變化轉(zhuǎn)化為感應(yīng)電壓的變化。

瞬變電磁法測(cè)深的原理可以用“煙圈”效應(yīng)形象地加以闡明，如圖1所示，地表接收的二次電磁場(chǎng)是地下感應(yīng)渦流產(chǎn)生的，其渦流以等效電流環(huán)向下并向外擴(kuò)散，形如“煙圈”。隨著時(shí)間的推移，“煙圈”的傳播與分布將受到地下介質(zhì)的影響。這樣從“煙圈”效應(yīng)的觀點(diǎn)看，可得知早期瞬變電磁場(chǎng)是近地表感應(yīng)電流產(chǎn)生的，反映了淺部電性分布；晚期瞬變電磁場(chǎng)主要是由深部的感應(yīng)電流產(chǎn)生的，反映了深部的電性分布。因此，觀測(cè)和研究大地瞬變電磁場(chǎng)隨時(shí)間的變化規(guī)律，可以探測(cè)大地電性的垂向變化，這是瞬變電磁測(cè)深的原理。

圖1 等效電流環(huán)Fig.1 Equivalent current loop

瞬變電磁法工作過(guò)程可以分為發(fā)射、電磁感應(yīng)和接收三部分。當(dāng)發(fā)射線圈中的穩(wěn)定電流被突然切斷后，根據(jù)電磁感應(yīng)理論，發(fā)射線圈中電流突然變化必將在其周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)被稱為一次磁場(chǎng)。一次磁場(chǎng)在周?chē)膫鞑ミ^(guò)程中，若遇到地下良性導(dǎo)體，將在該導(dǎo)體內(nèi)部激發(fā)產(chǎn)生感應(yīng)電流，又稱為渦流或二次電流（見(jiàn)圖2）。由于二次電流隨時(shí)間變化，所以在其周?chē)之a(chǎn)生新的磁場(chǎng)，稱為二次磁場(chǎng)。由于良性導(dǎo)體內(nèi)感應(yīng)電流的熱損耗，二次磁場(chǎng)大致按指數(shù)規(guī)律隨時(shí)間衰減。二次磁場(chǎng)主要來(lái)源于良性導(dǎo)體內(nèi)的感應(yīng)電流，因此二次磁場(chǎng)可通過(guò)接收線圈來(lái)觀測(cè)，通過(guò)對(duì)所觀測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，進(jìn)而解釋地下物體及相關(guān)物理參數(shù)。

圖2 瞬變電磁法工作原理示意圖Fig.2 Working principle of transient electromagnetic method

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)把繞有匝數(shù)為N、截面積為S的圓柱形螺線管線圈放置在隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)B(t)中時(shí)，在線圈中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)V(t)，即

式中，?(t)為通過(guò)線圈的磁通量；μ0為真空導(dǎo)磁系數(shù)；n為線圈密度；l為螺線管長(zhǎng)度；I(t)為產(chǎn)生的感應(yīng)電流；q為電場(chǎng)。

由此可見(jiàn)，瞬變電磁法中的一次磁場(chǎng)和二次磁場(chǎng)均可由線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)反映，因此，若將感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行數(shù)字化采集處理，即可得到二次場(chǎng)衰減曲線?？梢?jiàn)，觀測(cè)信號(hào)V(t)正比于dB(t) dt，可以得到接收線圈所觀測(cè)到的一次場(chǎng)信號(hào)V1(t)、二次場(chǎng)信號(hào)V2(t)及取樣V2(t)的波形。

3 瞬變電磁法理論

均勻半空間表面上垂直磁偶極子源形成的瞬變場(chǎng)，根據(jù)考夫曼和凱勒給出的柱坐標(biāo)系下頻率域電磁場(chǎng)各個(gè)分量的表達(dá)式[6～9]

為了把式（4）轉(zhuǎn)換成時(shí)間域，可利用下列積分

式（7）中，?(u)為概率積分，

將式（7）逐次對(duì)r求微分，可得

將式（6）～式（9）代入式（3），可得

將式（8）～式（11）代入式（4）并對(duì)t求導(dǎo)，可得垂直分量（Z分量）的磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)

式（3）～式（12）中，M=ISN為磁偶極子的磁矩；I為電流；S為線圈面積；N為線圈匝數(shù)；ρ為均勻半空間電阻率；r為收發(fā)距。

4 瞬變電磁法試驗(yàn)

4.1 瞬變電磁法測(cè)量方案

本次試驗(yàn)采用的是在硐室中預(yù)置良性導(dǎo)體，通過(guò)對(duì)比爆破前后預(yù)置良性導(dǎo)體渦流場(chǎng)的變化來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。其試驗(yàn)方案包括以下五步：a.在硐室中預(yù)置鋁箱前，在地面開(kāi)展瞬變電磁測(cè)量，確立背景場(chǎng)；b.在硐室中預(yù)置鋁箱后，在地面開(kāi)展瞬變電磁測(cè)量；c.消除背景場(chǎng)，突出預(yù)置鋁箱的渦流場(chǎng)；d.炸藥爆破后，在地面開(kāi)展瞬變電磁測(cè)量；e.對(duì)比炸藥爆破前后預(yù)置鋁箱的渦流場(chǎng)變化，實(shí)現(xiàn)硐室爆破盲炮檢測(cè)與識(shí)別的目的。

圖3 試驗(yàn)地表情況Fig.3 Testing ground conditions

4.2 檢測(cè)方法現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的目的是研究預(yù)置鋁箱隨距離變化對(duì)瞬變電磁響應(yīng)的影響規(guī)律，以及通過(guò)改變鋁箱與發(fā)射線圈和接收線圈的距離，研究瞬變電磁法的分辨能力。

試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在某鎢礦的556巷道，該巷道長(zhǎng)110m，寬2.0m，高2.1m，巖性主要為變質(zhì)巖，中間夾雜石英脈和云母片巖；該區(qū)巖石節(jié)理裂隙發(fā)育且含水，巷道內(nèi)有水流出，淺層地表至巷道內(nèi)巖性比較單一；該區(qū)地表碎石較多且裸露有鐵質(zhì)水管，能作為試驗(yàn)區(qū)的面積較小，試驗(yàn)范圍內(nèi)無(wú)工業(yè)電干擾，但距離試驗(yàn)區(qū)域方圓300m內(nèi)有496采礦坑口和空氣壓縮工作站高達(dá)6 300 V的工業(yè)電干擾，對(duì)瞬變電磁儀檢測(cè)屬于強(qiáng)干擾源；該區(qū)山勢(shì)陡峭，傾角大于45°，地表植被茂盛。礦井內(nèi)有水流出，無(wú)工業(yè)電干擾。試驗(yàn)地表情況見(jiàn)圖3，巷道及其地面布測(cè)見(jiàn)圖4。

圖4 556巷道及其地面布測(cè)平面示意圖Fig.4 556 roadway and ground p lane schematic layout measuring

本次試驗(yàn)器材有高靈敏度感應(yīng)器件、瞬態(tài)電磁儀一套、蓄電池若干、鋁箱6個(gè)（尺寸為500mm×500mm×1 000mm，鋁板厚為2mm），如圖5所示。

試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置和目標(biāo)體（鋁箱）布置如圖6和圖7所示。試驗(yàn)中，地表的接收線圈布置在高差分別為15m、30m和55m的3個(gè)位置，發(fā)射線圈的尺寸為50m×70m，每檢測(cè)一次鋁箱不同埋深位置后，發(fā)射線圈也相應(yīng)地移動(dòng)。

圖5 試驗(yàn)用的鋁箱Fig.5 A luminum box of the test

圖6 瞬變電磁檢測(cè)布置立體示意圖Fig.6 Schematic of the three-dimensional transient electromagnetic detection arrangement

圖7 鋁箱在巷道內(nèi)平面布置示意圖Fig.7 Schematic of the aluminum box in the layout of the roadway

當(dāng)檢測(cè)鋁板埋深為15m，即高差為15m時(shí)，鋁板在巷道內(nèi)從巷道口開(kāi)始，每隔5m檢測(cè)一次，共檢測(cè)8次。

當(dāng)檢測(cè)鋁板埋深為30m，即高差為30m時(shí)，鋁板在巷道內(nèi)從距巷道口15m開(kāi)始，每隔5m檢測(cè)一次，到距巷道口55m結(jié)束，共檢測(cè)9次。

當(dāng)檢測(cè)鋁板埋深為55m，即高差為55m時(shí)，鋁板在巷道內(nèi)從距巷道口40m開(kāi)始，每隔5m檢測(cè)一次，到距巷道口95m結(jié)束，共檢測(cè)12次。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果分析

1）高差為15m的鋁板目標(biāo)體位于15m標(biāo)高檢測(cè)點(diǎn)正下方點(diǎn)位為15m處。由圖8可知，當(dāng)鋁箱埋深為15m時(shí)，可以明顯看到渦流場(chǎng)，且在埋深15m的位置時(shí)，渦流場(chǎng)集中且中心有一明顯低阻磁場(chǎng)，這就是鋁箱的放置位置。從這個(gè)試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋁箱埋深較淺時(shí)，瞬變電磁儀可以很清楚地檢測(cè)到鋁箱在一次場(chǎng)作用下形成的二次渦流場(chǎng)，同時(shí)，也可以很清晰地顯示出鋁箱的埋設(shè)位置。

圖8 高差15m的瞬變電磁響應(yīng)剖面圖Fig.8 The cross-sectional view of transient electromagnetic response at 15m

2）高差為30m的鋁板目標(biāo)體位于30m標(biāo)高檢測(cè)點(diǎn)正下方點(diǎn)位為30m處。由圖9可知，當(dāng)鋁箱埋深為30m時(shí)，可以明顯看到渦流場(chǎng)，與鋁箱埋深為15m形成的二次渦流場(chǎng)相比，雖然鋁箱埋深30m形成的二次渦流場(chǎng)的層次沒(méi)有15m形成的分明，但還是可以在磁場(chǎng)的下部看到半個(gè)層次分明的二次渦流場(chǎng)。這可能是由于在30m位置的巷道上方，裂隙水比較發(fā)育，由于裂隙水是低阻體，在裂隙水的影響下形成了一個(gè)由裂隙水和鋁箱共同形成的疊加二次渦流場(chǎng)，從而形成一個(gè)面積較大的不規(guī)則磁場(chǎng)，而這半個(gè)層次分明的二次渦流場(chǎng)中心即為鋁箱放置位置。

圖9 高差30m的瞬變電磁響應(yīng)剖面圖Fig.9 The cross-sectional view of transient electromagnetic response at 30m

3）由圖10可知，當(dāng)鋁箱埋深在55m時(shí)，目標(biāo)體在一次場(chǎng)的作用下形成了一個(gè)不太清晰的二次渦流場(chǎng)，而且渦流場(chǎng)層次不明，難以確定是否為鋁箱在一次場(chǎng)的作用下形成的二次渦流場(chǎng)，同時(shí)也不能確定鋁箱的埋深深度與位置。

圖10 高差55m的瞬變電磁響應(yīng)剖面圖Fig.10 The cross-sectional view of transient electromagnetic response at55m

本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以大規(guī)模的鋁箱作為目標(biāo)體，在埋深不超過(guò)30m時(shí)，可以產(chǎn)生比較鮮明的瞬變電磁異常，能較清晰地確定目標(biāo)體以及目標(biāo)體的埋深坐標(biāo)，即瞬變電磁法可以檢測(cè)與識(shí)別埋深不超過(guò)30m的硐室爆破的盲炮位置；當(dāng)埋深超過(guò)30m后，鋁箱形成的二次渦流場(chǎng)層次不明，不能確定鋁箱的埋深深度與位置，即瞬變電磁法不能檢測(cè)與識(shí)別埋深超過(guò)30m的硐室爆破的盲炮位置。

要獲得比較理想的試驗(yàn)結(jié)果，只有通過(guò)增大鋁箱的體積才能實(shí)現(xiàn)。在試驗(yàn)中，6個(gè)鋁箱的體積均為1.5m3，如果繼續(xù)增大鋁箱體積，過(guò)大體積的鋁箱將占有藥室的一部分裝藥空間，很可能使加強(qiáng)裝藥藥室的炸藥無(wú)法完全裝入藥室，影響爆破效果。

5 結(jié)語(yǔ)

本文利用瞬變電磁法進(jìn)行了硐室爆破盲炮檢測(cè)與識(shí)別的可行性研究試驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論。

1）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用以較大體積鋁箱為目標(biāo)體的瞬變電磁法，在檢測(cè)與識(shí)別埋深較淺的盲炮時(shí)是可行的，當(dāng)盲炮的埋深較深時(shí)，這種方法就存在一定的局限性。

2）當(dāng)目標(biāo)體的埋深超過(guò)30m后，瞬變電磁法難以準(zhǔn)確地定位盲炮的位置。且當(dāng)出現(xiàn)多個(gè)盲炮時(shí)無(wú)法分辨出盲炮的個(gè)數(shù)。

3）在工程實(shí)踐中，鋁箱的體積較大會(huì)限制裝藥量，可能會(huì)影響爆破效果。測(cè)試過(guò)程復(fù)雜，不便于操作，且不能及時(shí)得出結(jié)果，測(cè)試中的干擾因素多。因此，瞬變電磁法用于硐室爆破盲炮檢測(cè)與識(shí)別的實(shí)用性不強(qiáng)。

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