SQUID地磁儀獲取地下信息的方法研究及應(yīng)用

康 東，李庭筠，劉 偉，白成武，楊小峰，趙國文

(1. 成都同創(chuàng)眾益科技有限公司 四川成都610000；2. 成都理工大學 四川成都610000；3. 四川煤礦安全監(jiān)察局技術(shù)中心 四川成都610000)

0 引 言

中國經(jīng)濟的快速發(fā)展依賴于大量的能源。作為煤炭的生產(chǎn)大國和消耗大國，煤炭生產(chǎn)過程中的方方面面將影響中國的經(jīng)濟。在保證煤炭開采高效和清潔的同時，開采作業(yè)的安全是一項及其重要的任務(wù)。煤炭開采會帶來大量人為挖掘的地下空洞，即采空區(qū)，這是導致很多安全事故的重要因素，存在諸多的安全隱患[1]。為解決煤礦生產(chǎn)的安全問題，提高煤炭經(jīng)濟的效率和質(zhì)量，探查礦區(qū)的地下空洞是一項至關(guān)重要的任務(wù)。

采空區(qū)的探測有井下物探、化學探測和鉆探[2]等途徑。物探作為主要的探測途徑，其方法主要有高密度電法、瞬變電磁法、地質(zhì)雷達法、微重力法、地震法、大地電磁法等[3]。但大多數(shù)方法不盡完美，如地質(zhì)雷達精度高，但有效探測距離約為 10m，傳統(tǒng)方法普遍存在探測距離小，反演定位精度差的問題[4]。近年來多國使用超導量子干涉器(SQUID)開展了地磁勘探研究工作，SQUID擁有極高的靈敏度、探測精度和反演精度[5]。SQUID是迄今靈敏度最高的磁探測儀，可以實現(xiàn)磁通量子級的磁探測，到目前為止，LTS-SQUID 的靈敏度可達 1fT[6]。SQUID 還可以進行磁梯度和梯度張量的探測，而且可以更加突出磁異常[7]，通過正確的反演算法可以得到磁異常源的方向、距離和尺寸的信息[8]。

本文使用SQUID磁梯度儀在搭建的測試場地進行地下磁信息的探測，驗證對地下磁信息的反演可行性與可靠性。

1 磁梯度反演原理

設(shè) Ψ為任意一個觀測點，空間坐標系中磁異常源(假設(shè)為磁偶極子)到觀測點矢量為 r＝(rx，ry，rz)，在觀測點的磁場強度為：

梯度張量為：

根據(jù)反演法可以推算出磁異常源的方位信息。因為Γ為正交陣，其特征值分別為λ1、λ2、λ3，推導可以得出如下Γ的空間不變量：

可以得出以下線性關(guān)系：

通過式(6)，運用歐拉反褶積方法可以得出測量到的磁異常與觀測點和磁異常源的方位關(guān)系。

2 仿真計算

根據(jù)實際的探測環(huán)境建立仿真模型，模型在空間上長寬約為 10m，高為 4m，空間背景材料無磁，空間有地球磁場，設(shè)地磁場磁傾角(Incl)為 48.067°，磁偏角(Decl)為-2.017°，地磁場強度為 50763.7nT，且相對磁導率μ1＝1；設(shè)置兩段半徑為 0.2m 的圓柱體管道模擬磁異常源，如圖1所示，管道為東西朝向(x軸)，長度分別為 10m和 5m，放置在地下 2m的深度，設(shè)定圓柱體中含有磁性物質(zhì)的相對磁導率μ2＝1.1，且磁性物質(zhì)含量10%，剩磁為5A/m。

圖1 模型示意圖Fig.1 Model stereogram

仿真結(jié)果如圖2所示，兩段磁異常源均有正向和負向的 Bzz梯度，Bzz梯度指總磁場強度 BT的 z分量BTz在 z方向的變化率及梯度。磁異常梯度的量級ΔBzz＝1.2×10-7T/m，其中正向幅度為 0.8×102nT，負向幅度為0.4×102nT，正向幅度約為負向的2倍。

圖2 仿真計算結(jié)果Fig.2 Simulation results

3 實地探測

由于 SQUID磁梯度儀靈敏度極高，測試場地需要選擇無較強磁場干擾的場地。為了驗證探測的可靠性和反演算法的可靠性，需要預先知道其下方埋藏的物體信息。因此選擇了一塊預先在地下鋪設(shè)管網(wǎng)的測試場地，并在測試場地進行 6條測線的測量，如圖3所示。

測試的物件為東西向(OX軸)平行放置的地下鋼制管線。將 SQUID梯度儀放在小車上由人推動在測試場地沿著測線勻速移動，移動線路偏差不超過10cm。測線沿南北方向(OY軸)，每條測線長度為10m，東西向?qū)挾葹?3m。6條測線按照兩端點法定位，分別為

圖3 SQUID梯度儀示意圖，測量區(qū)域示意圖及測量線路方法示意圖Fig.3 Schematic diagram of SQUID gradiometer，schematic diagram of measuring area and measuring line method

SQUID 信號采集器的采樣率為 1000Hz，每條測線測量時間為30s。測得6段信號，如圖4所示。

將測量的原始信號用測試軟件疊加擬合，通過對磁場信息的重建和反演算法，推導出在探測區(qū)域地下存在 2段由多個磁偶極子組成的細長形狀的磁異常源的存在。反演過程及結(jié)果如圖5所示，對原始信號進行了磁場信息重建并且反演、成像。反演結(jié)果中管道以多個磁偶極子的組合顯示，第一段管道水平放置，第二段長度較短且磁性偏弱，與上文仿真所模擬的情況一致，磁異常源的深度約為2m。

圖5 測量及反演結(jié)果示意圖Fig.5 Schematic diagram of the results of measurement and inversion

4 結(jié) 論

使用 SQUID進行實地探測和靜態(tài)磁場反演測試，得到了較為精準的反演結(jié)果，推斷出磁異常源即管道的方位、幾何輪廓、深度和磁異常的強度，并排除了其他磁異常源的干擾。總的來說，基于 SQUID磁梯度儀的地下磁信息探測能夠較好實現(xiàn)對磁異常源的定位和尺寸重建。SQUID磁梯度擁有良好的靈敏度和可靠性，并且操作簡單，儀器體積重量小，便于在野外工作。為進一步驗證 SQUID在采空區(qū)探測的可行性，需要更改測試場地和測試條件，完成更多的實地測量。