地下工程灾害水源的磁共振探测研究

林 君，蒋川东，林婷婷，段清明，王应吉，尚新磊，范铁虎，孙淑琴，田宝凤，赵 静，秦胜伍

吉林大学地球信息探测仪器教育部重点实验室／仪器科学与电气工程学院，长春 130021

1 引 言

由于地质条件的复杂性，我国煤矿开采和地下工程建设过程中的突水、地表沉陷等地质与工程重大灾害事故频发，造成人员伤亡、设备损失、工期延误和工程失效等，给施工安全带来了重大灾难和无法估计的经济损失.为了保证在复杂地质条件下进行煤矿开采和地下工程施工的安全，减轻突水突泥、塌方冒顶等重大灾害损失，对煤矿开采和地下工程地质灾害水源的探测预警进行深入研究，有效地遏制地下突水事故的发生，是我国煤炭工业和地下工程建设迫切需要解决的重大问题，已引起国内外专家关注［1－2］.

目前，隧道挖掘和煤矿开采等地下工程安全探测预测多采用常规的地球物理方法，如电磁法（雷达、瞬变电磁等）和地震波方法（TSP，陆地声纳等）［3－6］.这些方法都是间接的灾害水源探测方法，存在着多解性，难以预测灾害水源的水量，不具备直接和定量分析预报的能力.地面磁共振地下水探测技术 （Subsurface Magnetic Resonance Sounding，SMRS）是一种直接探测地下水中氢核丰度的地球物理新方法技术，近年来得到快速发展［7－11］.如何将这种新方法技术引入到地铁、隧道工程和煤矿开采等地下狭窄空间进行地下磁共振探测（Underground Magnetic Resonance Sounding，UMRS）［12］，以实现煤矿开采和地下工程安全建设重大灾害水源的探测预警，为保障生产安全提供有效的技术支撑，是本文论述的重点.

2 地下磁共振探测急需解决的难题

地下水MRS探测方法与医学核磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）相比，探测原理相同.医学核磁共振成像使用人工磁场，激发频率30～300MHz，当前临床所用的磁场强度有0.2～7.0T（特斯拉），常见的为1.5T和3.0T，现正在向7.0T的技术转移；地下水磁共振探测是在天然地磁场中激发的，激发频率1～3kHz，磁场强度大约是500～600mGs（毫高斯），也就是（5～6）×10－5T.换言之，地磁场的强度只是医学核磁共振成像用的磁场强度的四万分之一.显然，地磁场中的MRS方法使用的是低频弱磁场，其激发难度远高于医学核磁共振成像MRI的射频强磁场.另外，本文重点讨论地下磁共振探测UMRS与地面磁共振探测SMRS方法相比，虽然两者均是在天然地磁场中进行探测，但UMRS是在地下空间工作，而SMRS是在地面工作，工作空间不同，导致UMRS更难实现.

自1960年Varant申请了地面磁共振地下水探测方法的专利后，很多学者试图研制地磁场环境下的磁共振探测仪器，均未成功［13］.20世纪80年代后期，前苏联研制出地面磁共振找水仪样机并在世界上多个国家进行了实验测试［14］.直至90年代中期，法国购买了俄罗斯专利，才率先生产出商品化的地面磁共振找水仪.随后，美国、德国和中国也生产出地面磁共振找水仪［15］.近两年来，相关学者曾努力将地面的SMRS仪器移至地下，实现隧道或矿井的灾害水源探测，但没有获取到磁共振信号［16］.

表1列出了地下磁共振与地面磁共振探测条件的比较.地下磁共振探测（UMRS）主要难点如下：

（1）地下工程的空间狭窄，UMRS仪器的探测天线很难在狭窄空间工作.SMRS在地面工作，探测天线的边长通常为50～100m，探测深度为探测天线的边长.而UMRS工作的地下空间只有米级（公路隧道可达4m×8m，矿井空间通常高和宽均小于2m），在这样的狭窄空间里目前世界上还没有能获得地下水UMRS信号的仪器.如何设计在狭窄空间工作并能实现较大探测深度的UMRS天线是地下工程灾害水源探测需要解决的难题之一.

（2）地下工程被探测的隧道掌子面或煤矿开采工作面的地磁场强度和方向变化大，导致UMRS仪器系统的直立旋转天线工作必须考虑空间地磁场的变化，而SMRS工作在变化很小的均匀地磁场环境下.在非均匀磁场下进行激发与接收是地下地磁场磁共振探测需要解决的难题.

表1 地下磁共振探测（UMRS）与地面磁共振探测（SMRS）的对比Table 1 Comparison of UMRS detection system and SMRS detection system

（3）SMRS工作在地面，正演和处理解释是半空间问题，而UMRS工作在地下，正演和处理解释是全空间问题.地下工程建设挖空的隧道或矿井巷道的空间又导致UMRS工作在地下准全空间，即在正演和处理解释时需要考虑地下工程建设挖空的隧道或矿井巷道空间对MRS信号的影响，很难对UMRS测量的结果推断解释.

（4）UMRS工作在地下空间，因存在瓦斯等灾害源的危险，对地下工程超前探测预测的仪器装备安全性能要求苛刻，必须解决安全防爆问题，而UMRS要激发数百安培的大电流才能实现较大的探测深度，其安全防爆难.地下工程施工设备多，再加上地下工程的支护装置均会产生强大的干扰，而UMRS在强电磁干扰环境下，如何能检测到极微弱的地下水磁共振信号，是地磁场环境下灾害水源磁共振探测难以解决的另一个难题！

解决上述难题是地下工程灾害水源磁共振探测的研究重点和关键技术.

3 地下磁共振超前探测理论

如图1所示，在隧道或矿井巷道狭窄空间进行UMRS探测时，探测的线圈需要直立对准探测面（隧道掌子面或矿井巷道的掘进工作面），与地面MRS相比，线圈的法线方向与地磁场的夹角发生了变化.有时为了获得最大的UMRS信号，线圈需要在垂向方面进行多角度旋转探测，其法线方向随着探测线圈旋转而变化.因此，需要计算任意线圈方向下，发射磁场垂直于地磁场分量的变化.

将频率等于拉莫尔（Larmor）频率的交变电流通入天线，产生激发磁场BT.而只有垂直于地磁场B0方向的激发场分量影响磁共振响应的大小.如图2a所示，首先假设地磁场方向指向正北，经过地磁偏角D和地磁倾角I两次旋转后，得到.

图1 隧道前方（掌子面）超前探测线圈直立示意图Fig.1 Upright schematic diagram of advanced detection coil in front of the tunnel（working face）

激发场BT经过两次旋转后变化成B′T，可用旋转矩阵RD和RI表示两者关系：同理，地下磁共振线圈的方向也可以用两个角度α和β来表示，如图2b所示.线圈的法向方向经过坐标系旋转后，激发场BT变化成B″T，B″T与BT的关系可用下式表示：

图2 初始模型、最简模型及坐标旋转.（a）地磁场方向；（b）天线方向Fig.2 Initial model，simple model and coordinate rotation.（a）Earth magnetic field direction；（b）Antenna direction

此时，为了获得旋转前的激发场BT，需要对旋转矩阵取逆，即因此，最终的激发场在地磁场影响下表示为

激发场垂直于地磁场B0的分量B⊥T只包含B′T的y和z分量，即B⊥T＝B′yey＋B′zez.经过理论推导和仿真计算，能够得到结论，当地磁场方向确定时，改变线圈法线方向能够改变UMRS的信号幅度，因此可以通过多角度旋转探测获得最大的UMRS信号幅度.

4 地下磁共振探测准全空间处理解释技术

如图3a所示，地磁场环境下的MRS探测，探测仪器在地面工作，正反演采用半空间模型.当探测仪器在地下工作，瞬变电磁等其他地球物理方法均采用全空间模型，如图3b所示.对于地下工程进行UMRS探测时，探测位置后方存在一个巷道开挖空间，构成准全空间，如图3c所示.在进行UMRS正反演时，须考虑巷道对全空间模型的影响.

准全空间UMRS的灵敏度核函数计算公式：

其中K为全空间灵敏度核函数；q是激发电流和激发时间的乘积，称为激发脉冲矩；在对y轴和z轴两个方向进行积分后得到准全空间灵敏度核函数KQW，x是隧道或巷道的掘进方向，L代表隧道掌子面或巷道宽度.假设地下空间中分布100%的含水体，用准全空间理论计算，如图4所示，对比半空间、全空间响应可知，在激发脉冲矩q值较小时，准全空间响应近似于半空间响应；随着q值增大，准全空间响应逐渐接近全空间响应；当q＞1A·s时，与全空间响应一致.

5 地下磁共振探测小线圈技术

线圈技术是磁共振探测的核心技术，在医学核磁共振成像（MRI）中，从早期鞍状线圈发展到包绕式线圈，显著地提高了线圈的灵敏度；从线性极化线圈到圆形极化或正交线圈，再发展到相控阵线圈，为大范围扫描探测成像提供了解决方案.然而，在地磁场环境下进行地面SMRS探测，只采用单匝边长为150m或100m正方形，或直径为50m的“8”字型线圈，尚未见到结构更为复杂的线圈用于SMRS探测的报导.

在地下巷道内，UMRS探测天线的尺寸将受到严格限制，利用常规的天线很难满足地下工程灾害水源探测的要求，必须突破现有的SMRS探测线圈方式，设计结构新颖的小型多匝线圈对灾害水体进行直立旋转探测，以解决地下狭窄空间中对UMRS仪器的限制.根据电磁场叠加原理，可将N匝线圈等效看成为N个同尺寸的单匝线圈的叠加［17］.在进行N匝线圈数值计算时，N匝线圈可以等效为N个参数相同的单匝线圈，各个单匝线圈产生的磁场强度和方向均相同，从而，各个线圈磁场矢量叠加可转换为标量相加的方式.计算分析表明，从线圈激发场角度分析，多匝线圈的激发场影响空间范围更大，对应地下同一点，磁场越强，越有利于增强MRS找水探测的响应信号强度.本文对线圈匝数变化及优化策略、旋转小线圈探测技术进行了初步研究.

图3 MRS探测空间示意图.（a）半空间探测核函数分布图；（b）地下全空间探测核函数分布图；（c）隧道或矿井巷道的准全空间探测核函数分布图Fig.3 MRS detection space diagram.（a）Half space detection kernel function distribution；（b）All underground space detection kernel function distribution；（c）Tunnel or mine roadway of quasi－whole space detection kernel function distribution

图4 随脉冲矩变化的半空间、全空间、准全空间的MRS响应图Fig.4 MRS responses of half space，whole space，and quasi－whole space with pulse moment

5.1 旋转天线结构设计

地下工程灾害水源探测仪在狭窄空间内进行超前探测，需要针对掌子面前方不同空间位置的水体旋转天线，实现定位激发和接收.如图5所示，天线由一个小型发射线圈、多个接收线圈和相应的调理电路组成［18］，固定在一个曲面骨架上，通过旋转多点激发和接收，实现定位探测.

5.2 线圈匝数变化UMRS响应计算

图5 旋转天线设计示意图.（a）横截面图；（b）旋转定位图Fig.5 Schematic diagrams of rotating antenna design.（a）Cross－section view；（b）Rotary positioning

核函数可以反应磁共振在探测水体时，接收线圈对地下空间各位置处含水体的灵敏度大小.为了直观分析核函数随线圈匝数变化规律，结合矿井探测尺寸，基于UMRS超前探测理论，本文假设如下含水模型：线圈半径为2m，线圈匝数分别为50匝、100匝、250匝，取大地均匀半空间电阻率为500Ωm，地磁倾角为60°，地磁偏角为3°，α和β均为0°，拉莫尔频率为2230Hz，核函数随激发脉冲矩q变化的关系如图6所示.由图可知，假设仪器的灵敏度为5nV，则50匝、100匝、250匝分别能够探测前方13、18m及25m处的水体.随着线圈匝数逐渐增大，探测灵敏度也逐渐增加，因此，适当增加线圈匝数是地下工程中磁共振方法进行远距离超前探测的可行方案.

5.3 天线匝数优化

上述天线匝数讨论为同一线圈收发模式，根据Weichman提出的发射、接收线圈分离时的磁共振信号计算方法［19－22］，建立如下模型：假设前方30m处有1层1m厚的含水层，含水量100%，最大激发脉冲矩4A·s.如图7所示，图中冷色到暖色代表磁共振响应由小到大变化.分别以隧道（6m）、矿井（2m）尺寸、不同发射、接收线圈匝数组合进行计算.如图7a所示，当发射线圈匝数达到15匝而接收线圈达到40匝，探测前方水体时的磁共振响应即为15nV，而继续增大发射线圈匝数，磁共振响应变化较小.由此可见，发射线圈匝数存在最优值，可以最大程度减小发射线圈匝数增多引起的互感现象，保证UMRS信号获取.

综上，研制探测天线，需要对多匝发射线圈、聚焦接收线圈和线圈的旋转特性分别进行理论计算、仿真分析和实际测试，以得出最佳的线圈制作方案，才能为井下超前探测提供有效的探测技术.多匝小线圈与单匝相比，多匝线圈间存在匝间互感［23－24］，其大小随匝间距离以及匝间的介质而变.如何减少多匝小线圈匝间互感影响是多匝小线圈仍有待解决的问题.

6 地下磁共振探测自适应参考消噪技术

地下工程建设中的挖掘设备、供电设备和支护架等产生的强电磁干扰［25］，会严重影响UMRS的探测效果.采用与地面相类似的多通道全波采集，增加参考消噪通道，利用自适应算法［26－27］实现在强干扰噪声背景下的微弱MRS信号获取.参考通道数一般取1～3个.图8为地面和隧道探测线圈与参考线圈布设方式，注意到地下MRS的探测线圈与参考线圈均与地面垂直，与地磁场的夹角随线圈旋转方向变化.图9是采用自适应参考对消实现噪声压制的时域波形效果对比及其频谱图.显然，通过自适应参考对消可以取得明显的噪声压制效果.

7 地下磁共振探测波场联合探测技术

按超前探测以及准全空间探测理论，通过优化发射接收线圈匝数能够在一定程度上提高UMRS的探测距离.然而，在地下狭窄空间的限制条件下实现更大的探测深度，向UMRS仪器设计提出了新的挑战.山东大学的李术才团队采用地球物理波场联合探测技术，用复合激发极化（IP）法实现隧道工程40m范围近距离超前探测，用瞬变电磁实现隧道工程80m范围中距离超前探测［28］，用陆地声纳法实现隧道工程的120m范围远距离超前探测［29］.吉林大学磁共振地下水探测团队设计实现了一体化的MRS－TEM联用仪，可以在同一个测点获取 MRS和TEM两种仪器参数，进行联合反演与解释，在SMRS中取得了良好的应用效果［30－32］.可见，在地下工程灾害水源探测中，只要研制出适用于地下狭窄空间的MRS－TEM联用仪天线，并减小地面 MRSTEM联用仪的体积和重量，即可实现地下工程灾害水源地磁场磁共振探测与瞬变电磁波场联合探测（图10），不同方法取长补短，从而提高地下地质灾害水源的探测深度和探测准确性.

8 地下磁共振探测前沿技术

8.1 超导磁探测技术

图10 用地下MRS－TEM联用仪实现地下工程灾害水体探测Fig.10 Diagram showing realization of detection of disastrous water in subsurface projects by joint using underground MRS－TEM instruments

针对地下工程灾害水源地磁场磁共振探测应用中，因探测线圈尺寸限制而导致探测灵敏度低的问题，可以将目前磁测灵敏度最高的超导量子干涉器（Superconducting Quantum Interference Device，SQUID）［33－34］引入到磁共振探测技术中.与传统探测线圈不同，SQUID能够直接探测磁通变化，而并非磁通变化率.因此，对于给定的激发脉冲矩，其探测灵敏度与被测磁场源强度无关.另外，SQUID在低频范围内有着其他探测器无法比拟的灵敏度优势：如工作在液氦温区的低温SQUID器件灵敏度可达1fT／Hz1／2量级，工作在液氮温区的高温SQUID器件灵敏度最高也可达30fT／Hz1／2量级.

SQUID技术已有多年的发展历史，曾被用于高精度的地磁场测量和瞬变电磁测量.近年来，中国科学院谢晓明等人采用高温超导射频量子干涉器（HTS rf－SQUID）作为信号探测器件，在屏蔽室内，采用高温rf SQUID器件在地球磁场下测量到了高信噪比的磁共振信号［35］.成功测得磁共振信号，预示着将超导探测器用于地磁场环境下的地下工程超前探测，有可能解决地下工程狭窄空间所带来的无法铺设大尺寸天线问题，这将为地下工程灾害水源磁共振探测提供一种极有发展前景的解决方案.

8.2 盾构掘进实时探测技术

为实时了解隧道开挖前方的工程地质、水文地质详情，优化隧道工程施工，德国GET公司研制了盾构机掘进过程实时预报系统 （Bore Tunneling Electrical Ahead Monitoring，BEAM）［36］.该系统可直接安装在盾构机上工作，能够提前预报掌子面前方3倍隧道直径距离的地质情况，自动进行数据采集和地质评估，并实时显示前方岩体的完整性和含水情况.目前该系统已经在我国的隧道TBM施工中有较成功的应用例子.实时预报系统是地下工程安全建设的重要发展方向，如将地下磁共振UMRS与盾构掘进系统相结合，将磁共振探测线圈固定在掘进机操作台上，将采集到的信号进行叠加处理，最终实现掘进过程中的实时实现突水探测，可有效地减少地下工程建设的重大地质灾害损失.

9 结 论

本文将地面磁共振探测方法创新性地引入地下工程，并展望了在地下磁共振探测中能有效应用的数据预处理技术、正反演方法以及仪器设计策略.本文所提出的方法综合考虑了地下探测的技术难点以及地下水反演的精度与深度，将为煤矿安全开采提供有效的技术支撑.

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