SQUID地磁仪获取地下信息的方法研究及应用

康 东，李庭筠，刘 伟，白成武，杨小峰，赵国文

(1. 成都同创众益科技有限公司 四川成都610000；2. 成都理工大学 四川成都610000；3. 四川煤矿安全监察局技术中心 四川成都610000)

0 引 言

中国经济的快速发展依赖于大量的能源。作为煤炭的生产大国和消耗大国，煤炭生产过程中的方方面面将影响中国的经济。在保证煤炭开采高效和清洁的同时，开采作业的安全是一项及其重要的任务。煤炭开采会带来大量人为挖掘的地下空洞，即采空区，这是导致很多安全事故的重要因素，存在诸多的安全隐患[1]。为解决煤矿生产的安全问题，提高煤炭经济的效率和质量，探查矿区的地下空洞是一项至关重要的任务。

采空区的探测有井下物探、化学探测和钻探[2]等途径。物探作为主要的探测途径，其方法主要有高密度电法、瞬变电磁法、地质雷达法、微重力法、地震法、大地电磁法等[3]。但大多数方法不尽完美，如地质雷达精度高，但有效探测距离约为 10m，传统方法普遍存在探测距离小，反演定位精度差的问题[4]。近年来多国使用超导量子干涉器(SQUID)开展了地磁勘探研究工作，SQUID拥有极高的灵敏度、探测精度和反演精度[5]。SQUID是迄今灵敏度最高的磁探测仪，可以实现磁通量子级的磁探测，到目前为止，LTS-SQUID 的灵敏度可达 1fT[6]。SQUID 还可以进行磁梯度和梯度张量的探测，而且可以更加突出磁异常[7]，通过正确的反演算法可以得到磁异常源的方向、距离和尺寸的信息[8]。

本文使用SQUID磁梯度仪在搭建的测试场地进行地下磁信息的探测，验证对地下磁信息的反演可行性与可靠性。

1 磁梯度反演原理

设 Ψ为任意一个观测点，空间坐标系中磁异常源(假设为磁偶极子)到观测点矢量为 r＝(rx，ry，rz)，在观测点的磁场强度为：

梯度张量为：

根据反演法可以推算出磁异常源的方位信息。因为Γ为正交阵，其特征值分别为λ1、λ2、λ3，推导可以得出如下Γ的空间不变量：

可以得出以下线性关系：

通过式(6)，运用欧拉反褶积方法可以得出测量到的磁异常与观测点和磁异常源的方位关系。

2 仿真计算

根据实际的探测环境建立仿真模型，模型在空间上长宽约为 10m，高为 4m，空间背景材料无磁，空间有地球磁场，设地磁场磁倾角(Incl)为 48.067°，磁偏角(Decl)为-2.017°，地磁场强度为 50763.7nT，且相对磁导率μ1＝1；设置两段半径为 0.2m 的圆柱体管道模拟磁异常源，如图1所示，管道为东西朝向(x轴)，长度分别为 10m和 5m，放置在地下 2m的深度，设定圆柱体中含有磁性物质的相对磁导率μ2＝1.1，且磁性物质含量10%，剩磁为5A/m。

图1 模型示意图Fig.1 Model stereogram

仿真结果如图2所示，两段磁异常源均有正向和负向的 Bzz梯度，Bzz梯度指总磁场强度 BT的 z分量BTz在 z方向的变化率及梯度。磁异常梯度的量级ΔBzz＝1.2×10-7T/m，其中正向幅度为 0.8×102nT，负向幅度为0.4×102nT，正向幅度约为负向的2倍。

图2 仿真计算结果Fig.2 Simulation results

3 实地探测

由于 SQUID磁梯度仪灵敏度极高，测试场地需要选择无较强磁场干扰的场地。为了验证探测的可靠性和反演算法的可靠性，需要预先知道其下方埋藏的物体信息。因此选择了一块预先在地下铺设管网的测试场地，并在测试场地进行 6条测线的测量，如图3所示。

测试的物件为东西向(OX轴)平行放置的地下钢制管线。将 SQUID梯度仪放在小车上由人推动在测试场地沿着测线匀速移动，移动线路偏差不超过10cm。测线沿南北方向(OY轴)，每条测线长度为10m，东西向宽度为 3m。6条测线按照两端点法定位，分别为

图3 SQUID梯度仪示意图，测量区域示意图及测量线路方法示意图Fig.3 Schematic diagram of SQUID gradiometer，schematic diagram of measuring area and measuring line method

SQUID 信号采集器的采样率为 1000Hz，每条测线测量时间为30s。测得6段信号，如图4所示。

将测量的原始信号用测试软件叠加拟合，通过对磁场信息的重建和反演算法，推导出在探测区域地下存在 2段由多个磁偶极子组成的细长形状的磁异常源的存在。反演过程及结果如图5所示，对原始信号进行了磁场信息重建并且反演、成像。反演结果中管道以多个磁偶极子的组合显示，第一段管道水平放置，第二段长度较短且磁性偏弱，与上文仿真所模拟的情况一致，磁异常源的深度约为2m。

图5 测量及反演结果示意图Fig.5 Schematic diagram of the results of measurement and inversion

4 结 论

使用 SQUID进行实地探测和静态磁场反演测试，得到了较为精准的反演结果，推断出磁异常源即管道的方位、几何轮廓、深度和磁异常的强度，并排除了其他磁异常源的干扰。总的来说，基于 SQUID磁梯度仪的地下磁信息探测能够较好实现对磁异常源的定位和尺寸重建。SQUID磁梯度拥有良好的灵敏度和可靠性，并且操作简单，仪器体积重量小，便于在野外工作。为进一步验证 SQUID在采空区探测的可行性，需要更改测试场地和测试条件，完成更多的实地测量。