瞬變電磁法用于檢測與識別硐室爆破盲炮的可行性探討

劉連生，梁龍華，吳吉洋，焦永斌，陸哲祥

(1.江西理工大學資源與環境工程學院，江西贛州341000；2.江西省礦業工程重點實驗室，江西贛州341000；3.江西漂塘鎢業有限公司，江西贛州341515)

1 前言

硐室爆破有“多、快、好、省”四大特點，因而被廣泛應用于工程實踐[1]。但由于其裝藥量大，一旦產生盲炮，對人員及設備安全和施工進度都將產生嚴重的影響。過去，盲炮的檢測與識別僅依靠肉眼觀察和工程經驗，可靠性差，無法準確地檢測與識別出所有的盲炮。瞬變電磁法具有能檢測地下隱蔽工程的特性[2～4]，為盲炮的快速檢測與識別提供了有效技術手段。本文應用瞬變電磁法在某地進行瞬變電磁法可行性探討試驗，研究瞬變電磁法用于檢測與識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損高分辨率電磁探測技術，利用探測的電導率數據成圖，可檢測出地下埋藏的金屬物體并提供相關信息[5]。

瞬變電磁測量是利用不接地線圈（或稱回線）向地下發射一次瞬變磁場，通常是在發射線圈上供一個電流方波，可在地下產生穩定的磁場分布，當電流方波切斷后，地球介質將產生渦流，其大小取決于地球介質的導電程度。該渦流不會立即消失，它將有一個過渡過程，過渡過程產生的磁場向地表傳播，通過地表的接收線圈把磁場的變化轉化為感應電壓的變化。

瞬變電磁法測深的原理可以用“煙圈”效應形象地加以闡明，如圖1所示，地表接收的二次電磁場是地下感應渦流產生的，其渦流以等效電流環向下并向外擴散，形如“煙圈”。隨著時間的推移，“煙圈”的傳播與分布將受到地下介質的影響。這樣從“煙圈”效應的觀點看，可得知早期瞬變電磁場是近地表感應電流產生的，反映了淺部電性分布；晚期瞬變電磁場主要是由深部的感應電流產生的，反映了深部的電性分布。因此，觀測和研究大地瞬變電磁場隨時間的變化規律，可以探測大地電性的垂向變化，這是瞬變電磁測深的原理。

圖1 等效電流環Fig.1 Equivalent current loop

瞬變電磁法工作過程可以分為發射、電磁感應和接收三部分。當發射線圈中的穩定電流被突然切斷后，根據電磁感應理論，發射線圈中電流突然變化必將在其周圍產生磁場，該磁場被稱為一次磁場。一次磁場在周圍的傳播過程中，若遇到地下良性導體，將在該導體內部激發產生感應電流，又稱為渦流或二次電流（見圖2）。由于二次電流隨時間變化，所以在其周圍又產生新的磁場，稱為二次磁場。由于良性導體內感應電流的熱損耗，二次磁場大致按指數規律隨時間衰減。二次磁場主要來源于良性導體內的感應電流，因此二次磁場可通過接收線圈來觀測，通過對所觀測的數據進行分析和處理，進而解釋地下物體及相關物理參數。

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

根據法拉第電磁感應定律，當把繞有匝數為N、截面積為S的圓柱形螺線管線圈放置在隨時間變化的磁場B(t)中時，在線圈中就會產生感應電動勢V(t)，即

式中，?(t)為通過線圈的磁通量；μ0為真空導磁系數；n為線圈密度；l為螺線管長度；I(t)為產生的感應電流；q為電場。

由此可見，瞬變電磁法中的一次磁場和二次磁場均可由線圈的感應電動勢反映，因此，若將感應電動勢進行數字化采集處理，即可得到二次場衰減曲線。可見，觀測信號V(t)正比于dB(t) dt，可以得到接收線圈所觀測到的一次場信號V1(t)、二次場信號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，根據考夫曼和凱勒給出的柱坐標系下頻率域電磁場各個分量的表達式[6～9]

為了把式（4）轉換成時間域，可利用下列積分

式（7）中，?(u)為概率積分，

將式（7）逐次對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t求導，可得垂直分量（Z分量）的磁感應強度對時間的導數

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；ρ為均勻半空間電阻率；r為收發距。

4 瞬變電磁法試驗

4.1 瞬變電磁法測量方案

本次試驗采用的是在硐室中預置良性導體，通過對比爆破前后預置良性導體渦流場的變化來進行檢測。其試驗方案包括以下五步：a.在硐室中預置鋁箱前，在地面開展瞬變電磁測量，確立背景場；b.在硐室中預置鋁箱后，在地面開展瞬變電磁測量；c.消除背景場，突出預置鋁箱的渦流場；d.炸藥爆破后，在地面開展瞬變電磁測量；e.對比炸藥爆破前后預置鋁箱的渦流場變化，實現硐室爆破盲炮檢測與識別的目的。

圖3 試驗地表情況Fig.3 Testing ground conditions

4.2 檢測方法現場試驗

本次現場試驗的目的是研究預置鋁箱隨距離變化對瞬變電磁響應的影響規律，以及通過改變鋁箱與發射線圈和接收線圈的距離，研究瞬變電磁法的分辨能力。

試驗地點選擇在某鎢礦的556巷道，該巷道長110m，寬2.0m，高2.1m，巖性主要為變質巖，中間夾雜石英脈和云母片巖；該區巖石節理裂隙發育且含水，巷道內有水流出，淺層地表至巷道內巖性比較單一；該區地表碎石較多且裸露有鐵質水管，能作為試驗區的面積較小，試驗范圍內無工業電干擾，但距離試驗區域方圓300m內有496采礦坑口和空氣壓縮工作站高達6 300 V的工業電干擾，對瞬變電磁儀檢測屬于強干擾源；該區山勢陡峭，傾角大于45°，地表植被茂盛。礦井內有水流出，無工業電干擾。試驗地表情況見圖3，巷道及其地面布測見圖4。

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

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

試驗測點布置和目標體（鋁箱）布置如圖6和圖7所示。試驗中，地表的接收線圈布置在高差分別為15m、30m和55m的3個位置，發射線圈的尺寸為50m×70m，每檢測一次鋁箱不同埋深位置后，發射線圈也相應地移動。

圖5 試驗用的鋁箱Fig.5 A luminum box of the test

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

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

當檢測鋁板埋深為15m，即高差為15m時，鋁板在巷道內從巷道口開始，每隔5m檢測一次，共檢測8次。

當檢測鋁板埋深為30m，即高差為30m時，鋁板在巷道內從距巷道口15m開始，每隔5m檢測一次，到距巷道口55m結束，共檢測9次。

當檢測鋁板埋深為55m，即高差為55m時，鋁板在巷道內從距巷道口40m開始，每隔5m檢測一次，到距巷道口95m結束，共檢測12次。

4.3 現場試驗結果分析

1）高差為15m的鋁板目標體位于15m標高檢測點正下方點位為15m處。由圖8可知，當鋁箱埋深為15m時，可以明顯看到渦流場，且在埋深15m的位置時，渦流場集中且中心有一明顯低阻磁場，這就是鋁箱的放置位置。從這個試驗可以發現，當鋁箱埋深較淺時，瞬變電磁儀可以很清楚地檢測到鋁箱在一次場作用下形成的二次渦流場，同時，也可以很清晰地顯示出鋁箱的埋設位置。

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

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

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

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

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

本次現場試驗以大規模的鋁箱作為目標體，在埋深不超過30m時，可以產生比較鮮明的瞬變電磁異常，能較清晰地確定目標體以及目標體的埋深坐標，即瞬變電磁法可以檢測與識別埋深不超過30m的硐室爆破的盲炮位置；當埋深超過30m后，鋁箱形成的二次渦流場層次不明，不能確定鋁箱的埋深深度與位置，即瞬變電磁法不能檢測與識別埋深超過30m的硐室爆破的盲炮位置。

要獲得比較理想的試驗結果，只有通過增大鋁箱的體積才能實現。在試驗中，6個鋁箱的體積均為1.5m3，如果繼續增大鋁箱體積，過大體積的鋁箱將占有藥室的一部分裝藥空間，很可能使加強裝藥藥室的炸藥無法完全裝入藥室，影響爆破效果。

5 結語

本文利用瞬變電磁法進行了硐室爆破盲炮檢測與識別的可行性研究試驗，可以得出以下結論。

1）通過現場試驗發現，采用以較大體積鋁箱為目標體的瞬變電磁法，在檢測與識別埋深較淺的盲炮時是可行的，當盲炮的埋深較深時，這種方法就存在一定的局限性。

2）當目標體的埋深超過30m后，瞬變電磁法難以準確地定位盲炮的位置。且當出現多個盲炮時無法分辨出盲炮的個數。

3）在工程實踐中，鋁箱的體積較大會限制裝藥量，可能會影響爆破效果。測試過程復雜，不便于操作，且不能及時得出結果，測試中的干擾因素多。因此，瞬變電磁法用于硐室爆破盲炮檢測與識別的實用性不強。

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