瞬变电磁法用于检测与识别硐室爆破盲炮的可行性探讨

2014-01-02刘连生梁龙华吴吉洋焦永斌陆哲祥

中国工程科学 2014年11期

刘连生，梁龙华，吴吉洋，焦永斌，陆哲祥

(1.江西理工大学资源与环境工程学院，江西赣州341000；2.江西省矿业工程重点实验室，江西赣州341000；3.江西漂塘钨业有限公司，江西赣州341515)

1 前言

硐室爆破有“多、快、好、省”四大特点，因而被广泛应用于工程实践[1]。但由于其装药量大，一旦产生盲炮，对人员及设备安全和施工进度都将产生严重的影响。过去，盲炮的检测与识别仅依靠肉眼观察和工程经验，可靠性差，无法准确地检测与识别出所有的盲炮。瞬变电磁法具有能检测地下隐蔽工程的特性[2～4]，为盲炮的快速检测与识别提供了有效技术手段。本文应用瞬变电磁法在某地进行瞬变电磁法可行性探讨试验，研究瞬变电磁法用于检测与识别硐室爆破盲炮的可行性。

2 瞬变电磁法原理

瞬变电磁法是一种无损高分辨率电磁探测技术，利用探测的电导率数据成图，可检测出地下埋藏的金属物体并提供相关信息[5]。

瞬变电磁测量是利用不接地线圈（或称回线）向地下发射一次瞬变磁场，通常是在发射线圈上供一个电流方波，可在地下产生稳定的磁场分布，当电流方波切断后，地球介质将产生涡流，其大小取决于地球介质的导电程度。该涡流不会立即消失，它将有一个过渡过程，过渡过程产生的磁场向地表传播，通过地表的接收线圈把磁场的变化转化为感应电压的变化。

瞬变电磁法测深的原理可以用“烟圈”效应形象地加以阐明，如图1所示，地表接收的二次电磁场是地下感应涡流产生的，其涡流以等效电流环向下并向外扩散，形如“烟圈”。随着时间的推移，“烟圈”的传播与分布将受到地下介质的影响。这样从“烟圈”效应的观点看，可得知早期瞬变电磁场是近地表感应电流产生的，反映了浅部电性分布；晚期瞬变电磁场主要是由深部的感应电流产生的，反映了深部的电性分布。因此，观测和研究大地瞬变电磁场随时间的变化规律，可以探测大地电性的垂向变化，这是瞬变电磁测深的原理。

图1 等效电流环Fig.1 Equivalent current loop

瞬变电磁法工作过程可以分为发射、电磁感应和接收三部分。当发射线圈中的稳定电流被突然切断后，根据电磁感应理论，发射线圈中电流突然变化必将在其周围产生磁场，该磁场被称为一次磁场。一次磁场在周围的传播过程中，若遇到地下良性导体，将在该导体内部激发产生感应电流，又称为涡流或二次电流（见图2）。由于二次电流随时间变化，所以在其周围又产生新的磁场，称为二次磁场。由于良性导体内感应电流的热损耗，二次磁场大致按指数规律随时间衰减。二次磁场主要来源于良性导体内的感应电流，因此二次磁场可通过接收线圈来观测，通过对所观测的数据进行分析和处理，进而解释地下物体及相关物理参数。

图2 瞬变电磁法工作原理示意图Fig.2 Working principle of transient electromagnetic method

根据法拉第电磁感应定律，当把绕有匝数为N、截面积为S的圆柱形螺线管线圈放置在随时间变化的磁场B(t)中时，在线圈中就会产生感应电动势V(t)，即

式中，ϕ(t)为通过线圈的磁通量；μ0为真空导磁系数；n为线圈密度；l为螺线管长度；I(t)为产生的感应电流；q为电场。

由此可见，瞬变电磁法中的一次磁场和二次磁场均可由线圈的感应电动势反映，因此，若将感应电动势进行数字化采集处理，即可得到二次场衰减曲线。可见，观测信号V(t)正比于dB(t) dt，可以得到接收线圈所观测到的一次场信号V1(t)、二次场信号V2(t)及取样V2(t)的波形。

3 瞬变电磁法理论

均匀半空间表面上垂直磁偶极子源形成的瞬变场，根据考夫曼和凯勒给出的柱坐标系下频率域电磁场各个分量的表达式[6～9]

为了把式（4）转换成时间域，可利用下列积分

式（7）中，ϕ(u)为概率积分，

将式（7）逐次对r求微分，可得

将式（6）～式（9）代入式（3），可得

将式（8）～式（11）代入式（4）并对t求导，可得垂直分量（Z分量）的磁感应强度对时间的导数

式（3）～式（12）中，M=ISN为磁偶极子的磁矩；I为电流；S为线圈面积；N为线圈匝数；ρ为均匀半空间电阻率；r为收发距。

4 瞬变电磁法试验

4.1 瞬变电磁法测量方案

本次试验采用的是在硐室中预置良性导体，通过对比爆破前后预置良性导体涡流场的变化来进行检测。其试验方案包括以下五步：a.在硐室中预置铝箱前，在地面开展瞬变电磁测量，确立背景场；b.在硐室中预置铝箱后，在地面开展瞬变电磁测量；c.消除背景场，突出预置铝箱的涡流场；d.炸药爆破后，在地面开展瞬变电磁测量；e.对比炸药爆破前后预置铝箱的涡流场变化，实现硐室爆破盲炮检测与识别的目的。

图3 试验地表情况Fig.3 Testing ground conditions

4.2 检测方法现场试验

本次现场试验的目的是研究预置铝箱随距离变化对瞬变电磁响应的影响规律，以及通过改变铝箱与发射线圈和接收线圈的距离，研究瞬变电磁法的分辨能力。

试验地点选择在某钨矿的556巷道，该巷道长110m，宽2.0m，高2.1m，岩性主要为变质岩，中间夹杂石英脉和云母片岩；该区岩石节理裂隙发育且含水，巷道内有水流出，浅层地表至巷道内岩性比较单一；该区地表碎石较多且裸露有铁质水管，能作为试验区的面积较小，试验范围内无工业电干扰，但距离试验区域方圆300m内有496采矿坑口和空气压缩工作站高达6 300 V的工业电干扰，对瞬变电磁仪检测属于强干扰源；该区山势陡峭，倾角大于45°，地表植被茂盛。矿井内有水流出，无工业电干扰。试验地表情况见图3，巷道及其地面布测见图4。

图4 556巷道及其地面布测平面示意图Fig.4 556 roadway and ground p lane schematic layout measuring

本次试验器材有高灵敏度感应器件、瞬态电磁仪一套、蓄电池若干、铝箱6个（尺寸为500mm×500mm×1 000mm，铝板厚为2mm），如图5所示。

试验测点布置和目标体（铝箱）布置如图6和图7所示。试验中，地表的接收线圈布置在高差分别为15m、30m和55m的3个位置，发射线圈的尺寸为50m×70m，每检测一次铝箱不同埋深位置后，发射线圈也相应地移动。

图5 试验用的铝箱Fig.5 A luminum box of the test

图6 瞬变电磁检测布置立体示意图Fig.6 Schematic of the three-dimensional transient electromagnetic detection arrangement

图7 铝箱在巷道内平面布置示意图Fig.7 Schematic of the aluminum box in the layout of the roadway

当检测铝板埋深为15m，即高差为15m时，铝板在巷道内从巷道口开始，每隔5m检测一次，共检测8次。

当检测铝板埋深为30m，即高差为30m时，铝板在巷道内从距巷道口15m开始，每隔5m检测一次，到距巷道口55m结束，共检测9次。

当检测铝板埋深为55m，即高差为55m时，铝板在巷道内从距巷道口40m开始，每隔5m检测一次，到距巷道口95m结束，共检测12次。

4.3 现场试验结果分析

1）高差为15m的铝板目标体位于15m标高检测点正下方点位为15m处。由图8可知，当铝箱埋深为15m时，可以明显看到涡流场，且在埋深15m的位置时，涡流场集中且中心有一明显低阻磁场，这就是铝箱的放置位置。从这个试验可以发现，当铝箱埋深较浅时，瞬变电磁仪可以很清楚地检测到铝箱在一次场作用下形成的二次涡流场，同时，也可以很清晰地显示出铝箱的埋设位置。

图8 高差15m的瞬变电磁响应剖面图Fig.8 The cross-sectional view of transient electromagnetic response at 15m

2）高差为30m的铝板目标体位于30m标高检测点正下方点位为30m处。由图9可知，当铝箱埋深为30m时，可以明显看到涡流场，与铝箱埋深为15m形成的二次涡流场相比，虽然铝箱埋深30m形成的二次涡流场的层次没有15m形成的分明，但还是可以在磁场的下部看到半个层次分明的二次涡流场。这可能是由于在30m位置的巷道上方，裂隙水比较发育，由于裂隙水是低阻体，在裂隙水的影响下形成了一个由裂隙水和铝箱共同形成的叠加二次涡流场，从而形成一个面积较大的不规则磁场，而这半个层次分明的二次涡流场中心即为铝箱放置位置。

图9 高差30m的瞬变电磁响应剖面图Fig.9 The cross-sectional view of transient electromagnetic response at 30m

3）由图10可知，当铝箱埋深在55m时，目标体在一次场的作用下形成了一个不太清晰的二次涡流场，而且涡流场层次不明，难以确定是否为铝箱在一次场的作用下形成的二次涡流场，同时也不能确定铝箱的埋深深度与位置。

图10 高差55m的瞬变电磁响应剖面图Fig.10 The cross-sectional view of transient electromagnetic response at55m

本次现场试验以大规模的铝箱作为目标体，在埋深不超过30m时，可以产生比较鲜明的瞬变电磁异常，能较清晰地确定目标体以及目标体的埋深坐标，即瞬变电磁法可以检测与识别埋深不超过30m的硐室爆破的盲炮位置；当埋深超过30m后，铝箱形成的二次涡流场层次不明，不能确定铝箱的埋深深度与位置，即瞬变电磁法不能检测与识别埋深超过30m的硐室爆破的盲炮位置。

要获得比较理想的试验结果，只有通过增大铝箱的体积才能实现。在试验中，6个铝箱的体积均为1.5m3，如果继续增大铝箱体积，过大体积的铝箱将占有药室的一部分装药空间，很可能使加强装药药室的炸药无法完全装入药室，影响爆破效果。