林 君，蔣川東，林婷婷，段清明，王應(yīng)吉，尚新磊，范鐵虎，孫淑琴，田寶鳳，趙 靜，秦勝伍

吉林大學(xué)地球信息探測(cè)儀器教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室／儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130021

1 引 言

由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，我國(guó)煤礦開(kāi)采和地下工程建設(shè)過(guò)程中的突水、地表沉陷等地質(zhì)與工程重大災(zāi)害事故頻發(fā)，造成人員傷亡、設(shè)備損失、工期延誤和工程失效等，給施工安全帶來(lái)了重大災(zāi)難和無(wú)法估計(jì)的經(jīng)濟(jì)損失.為了保證在復(fù)雜地質(zhì)條件下進(jìn)行煤礦開(kāi)采和地下工程施工的安全，減輕突水突泥、塌方冒頂?shù)戎卮鬄?zāi)害損失，對(duì)煤礦開(kāi)采和地下工程地質(zhì)災(zāi)害水源的探測(cè)預(yù)警進(jìn)行深入研究，有效地遏制地下突水事故的發(fā)生，是我國(guó)煤炭工業(yè)和地下工程建設(shè)迫切需要解決的重大問(wèn)題，已引起國(guó)內(nèi)外專家關(guān)注［1－2］.

目前，隧道挖掘和煤礦開(kāi)采等地下工程安全探測(cè)預(yù)測(cè)多采用常規(guī)的地球物理方法，如電磁法（雷達(dá)、瞬變電磁等）和地震波方法（TSP，陸地聲納等）［3－6］.這些方法都是間接的災(zāi)害水源探測(cè)方法，存在著多解性，難以預(yù)測(cè)災(zāi)害水源的水量，不具備直接和定量分析預(yù)報(bào)的能力.地面磁共振地下水探測(cè)技術(shù) （Subsurface Magnetic Resonance Sounding，SMRS）是一種直接探測(cè)地下水中氫核豐度的地球物理新方法技術(shù)，近年來(lái)得到快速發(fā)展［7－11］.如何將這種新方法技術(shù)引入到地鐵、隧道工程和煤礦開(kāi)采等地下狹窄空間進(jìn)行地下磁共振探測(cè)（Underground Magnetic Resonance Sounding，UMRS）［12］，以實(shí)現(xiàn)煤礦開(kāi)采和地下工程安全建設(shè)重大災(zāi)害水源的探測(cè)預(yù)警，為保障生產(chǎn)安全提供有效的技術(shù)支撐，是本文論述的重點(diǎn).

2 地下磁共振探測(cè)急需解決的難題

地下水MRS探測(cè)方法與醫(yī)學(xué)核磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）相比，探測(cè)原理相同.醫(yī)學(xué)核磁共振成像使用人工磁場(chǎng)，激發(fā)頻率30～300MHz，當(dāng)前臨床所用的磁場(chǎng)強(qiáng)度有0.2～7.0T（特斯拉），常見(jiàn)的為1.5T和3.0T，現(xiàn)正在向7.0T的技術(shù)轉(zhuǎn)移；地下水磁共振探測(cè)是在天然地磁場(chǎng)中激發(fā)的，激發(fā)頻率1～3kHz，磁場(chǎng)強(qiáng)度大約是500～600mGs（毫高斯），也就是（5～6）×10－5T.換言之，地磁場(chǎng)的強(qiáng)度只是醫(yī)學(xué)核磁共振成像用的磁場(chǎng)強(qiáng)度的四萬(wàn)分之一.顯然，地磁場(chǎng)中的MRS方法使用的是低頻弱磁場(chǎng)，其激發(fā)難度遠(yuǎn)高于醫(yī)學(xué)核磁共振成像MRI的射頻強(qiáng)磁場(chǎng).另外，本文重點(diǎn)討論地下磁共振探測(cè)UMRS與地面磁共振探測(cè)SMRS方法相比，雖然兩者均是在天然地磁場(chǎng)中進(jìn)行探測(cè)，但UMRS是在地下空間工作，而SMRS是在地面工作，工作空間不同，導(dǎo)致UMRS更難實(shí)現(xiàn).

自1960年Varant申請(qǐng)了地面磁共振地下水探測(cè)方法的專利后，很多學(xué)者試圖研制地磁場(chǎng)環(huán)境下的磁共振探測(cè)儀器，均未成功［13］.20世紀(jì)80年代后期，前蘇聯(lián)研制出地面磁共振找水儀樣機(jī)并在世界上多個(gè)國(guó)家進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試［14］.直至90年代中期，法國(guó)購(gòu)買(mǎi)了俄羅斯專利，才率先生產(chǎn)出商品化的地面磁共振找水儀.隨后，美國(guó)、德國(guó)和中國(guó)也生產(chǎn)出地面磁共振找水儀［15］.近兩年來(lái)，相關(guān)學(xué)者曾努力將地面的SMRS儀器移至地下，實(shí)現(xiàn)隧道或礦井的災(zāi)害水源探測(cè)，但沒(méi)有獲取到磁共振信號(hào)［16］.

表1列出了地下磁共振與地面磁共振探測(cè)條件的比較.地下磁共振探測(cè)（UMRS）主要難點(diǎn)如下：

（1）地下工程的空間狹窄，UMRS儀器的探測(cè)天線很難在狹窄空間工作.SMRS在地面工作，探測(cè)天線的邊長(zhǎng)通常為50～100m，探測(cè)深度為探測(cè)天線的邊長(zhǎng).而UMRS工作的地下空間只有米級(jí)（公路隧道可達(dá)4m×8m，礦井空間通常高和寬均小于2m），在這樣的狹窄空間里目前世界上還沒(méi)有能獲得地下水UMRS信號(hào)的儀器.如何設(shè)計(jì)在狹窄空間工作并能實(shí)現(xiàn)較大探測(cè)深度的UMRS天線是地下工程災(zāi)害水源探測(cè)需要解決的難題之一.

（2）地下工程被探測(cè)的隧道掌子面或煤礦開(kāi)采工作面的地磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向變化大，導(dǎo)致UMRS儀器系統(tǒng)的直立旋轉(zhuǎn)天線工作必須考慮空間地磁場(chǎng)的變化，而SMRS工作在變化很小的均勻地磁場(chǎng)環(huán)境下.在非均勻磁場(chǎng)下進(jìn)行激發(fā)與接收是地下地磁場(chǎng)磁共振探測(cè)需要解決的難題.

表1 地下磁共振探測(cè)（UMRS）與地面磁共振探測(cè)（SMRS）的對(duì)比Table 1 Comparison of UMRS detection system and SMRS detection system

（3）SMRS工作在地面，正演和處理解釋是半空間問(wèn)題，而UMRS工作在地下，正演和處理解釋是全空間問(wèn)題.地下工程建設(shè)挖空的隧道或礦井巷道的空間又導(dǎo)致UMRS工作在地下準(zhǔn)全空間，即在正演和處理解釋時(shí)需要考慮地下工程建設(shè)挖空的隧道或礦井巷道空間對(duì)MRS信號(hào)的影響，很難對(duì)UMRS測(cè)量的結(jié)果推斷解釋.

（4）UMRS工作在地下空間，因存在瓦斯等災(zāi)害源的危險(xiǎn)，對(duì)地下工程超前探測(cè)預(yù)測(cè)的儀器裝備安全性能要求苛刻，必須解決安全防爆問(wèn)題，而UMRS要激發(fā)數(shù)百安培的大電流才能實(shí)現(xiàn)較大的探測(cè)深度，其安全防爆難.地下工程施工設(shè)備多，再加上地下工程的支護(hù)裝置均會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的干擾，而UMRS在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下，如何能檢測(cè)到極微弱的地下水磁共振信號(hào)，是地磁場(chǎng)環(huán)境下災(zāi)害水源磁共振探測(cè)難以解決的另一個(gè)難題！

解決上述難題是地下工程災(zāi)害水源磁共振探測(cè)的研究重點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù).

3 地下磁共振超前探測(cè)理論

如圖1所示，在隧道或礦井巷道狹窄空間進(jìn)行UMRS探測(cè)時(shí)，探測(cè)的線圈需要直立對(duì)準(zhǔn)探測(cè)面（隧道掌子面或礦井巷道的掘進(jìn)工作面），與地面MRS相比，線圈的法線方向與地磁場(chǎng)的夾角發(fā)生了變化.有時(shí)為了獲得最大的UMRS信號(hào)，線圈需要在垂向方面進(jìn)行多角度旋轉(zhuǎn)探測(cè)，其法線方向隨著探測(cè)線圈旋轉(zhuǎn)而變化.因此，需要計(jì)算任意線圈方向下，發(fā)射磁場(chǎng)垂直于地磁場(chǎng)分量的變化.

將頻率等于拉莫爾（Larmor）頻率的交變電流通入天線，產(chǎn)生激發(fā)磁場(chǎng)BT.而只有垂直于地磁場(chǎng)B0方向的激發(fā)場(chǎng)分量影響磁共振響應(yīng)的大小.如圖2a所示，首先假設(shè)地磁場(chǎng)方向指向正北，經(jīng)過(guò)地磁偏角D和地磁傾角I兩次旋轉(zhuǎn)后，得到.

圖1 隧道前方（掌子面）超前探測(cè)線圈直立示意圖Fig.1 Upright schematic diagram of advanced detection coil in front of the tunnel（working face）

激發(fā)場(chǎng)BT經(jīng)過(guò)兩次旋轉(zhuǎn)后變化成B′T，可用旋轉(zhuǎn)矩陣RD和RI表示兩者關(guān)系：同理，地下磁共振線圈的方向也可以用兩個(gè)角度α和β來(lái)表示，如圖2b所示.線圈的法向方向經(jīng)過(guò)坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)后，激發(fā)場(chǎng)BT變化成B″T，B″T與BT的關(guān)系可用下式表示：

圖2 初始模型、最簡(jiǎn)模型及坐標(biāo)旋轉(zhuǎn).（a）地磁場(chǎng)方向；（b）天線方向Fig.2 Initial model，simple model and coordinate rotation.（a）Earth magnetic field direction；（b）Antenna direction

此時(shí)，為了獲得旋轉(zhuǎn)前的激發(fā)場(chǎng)BT，需要對(duì)旋轉(zhuǎn)矩陣取逆，即因此，最終的激發(fā)場(chǎng)在地磁場(chǎng)影響下表示為

激發(fā)場(chǎng)垂直于地磁場(chǎng)B0的分量B⊥T只包含B′T的y和z分量，即B⊥T＝B′yey＋B′zez.經(jīng)過(guò)理論推導(dǎo)和仿真計(jì)算，能夠得到結(jié)論，當(dāng)?shù)卮艌?chǎng)方向確定時(shí)，改變線圈法線方向能夠改變UMRS的信號(hào)幅度，因此可以通過(guò)多角度旋轉(zhuǎn)探測(cè)獲得最大的UMRS信號(hào)幅度.

4 地下磁共振探測(cè)準(zhǔn)全空間處理解釋技術(shù)

如圖3a所示，地磁場(chǎng)環(huán)境下的MRS探測(cè)，探測(cè)儀器在地面工作，正反演采用半空間模型.當(dāng)探測(cè)儀器在地下工作，瞬變電磁等其他地球物理方法均采用全空間模型，如圖3b所示.對(duì)于地下工程進(jìn)行UMRS探測(cè)時(shí)，探測(cè)位置后方存在一個(gè)巷道開(kāi)挖空間，構(gòu)成準(zhǔn)全空間，如圖3c所示.在進(jìn)行UMRS正反演時(shí)，須考慮巷道對(duì)全空間模型的影響.

準(zhǔn)全空間UMRS的靈敏度核函數(shù)計(jì)算公式：

其中K為全空間靈敏度核函數(shù)；q是激發(fā)電流和激發(fā)時(shí)間的乘積，稱為激發(fā)脈沖矩；在對(duì)y軸和z軸兩個(gè)方向進(jìn)行積分后得到準(zhǔn)全空間靈敏度核函數(shù)KQW，x是隧道或巷道的掘進(jìn)方向，L代表隧道掌子面或巷道寬度.假設(shè)地下空間中分布100%的含水體，用準(zhǔn)全空間理論計(jì)算，如圖4所示，對(duì)比半空間、全空間響應(yīng)可知，在激發(fā)脈沖矩q值較小時(shí)，準(zhǔn)全空間響應(yīng)近似于半空間響應(yīng)；隨著q值增大，準(zhǔn)全空間響應(yīng)逐漸接近全空間響應(yīng)；當(dāng)q＞1A·s時(shí)，與全空間響應(yīng)一致.

5 地下磁共振探測(cè)小線圈技術(shù)

線圈技術(shù)是磁共振探測(cè)的核心技術(shù)，在醫(yī)學(xué)核磁共振成像（MRI）中，從早期鞍狀線圈發(fā)展到包繞式線圈，顯著地提高了線圈的靈敏度；從線性極化線圈到圓形極化或正交線圈，再發(fā)展到相控陣線圈，為大范圍掃描探測(cè)成像提供了解決方案.然而，在地磁場(chǎng)環(huán)境下進(jìn)行地面SMRS探測(cè)，只采用單匝邊長(zhǎng)為150m或100m正方形，或直徑為50m的“8”字型線圈，尚未見(jiàn)到結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的線圈用于SMRS探測(cè)的報(bào)導(dǎo).

在地下巷道內(nèi)，UMRS探測(cè)天線的尺寸將受到嚴(yán)格限制，利用常規(guī)的天線很難滿足地下工程災(zāi)害水源探測(cè)的要求，必須突破現(xiàn)有的SMRS探測(cè)線圈方式，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)新穎的小型多匝線圈對(duì)災(zāi)害水體進(jìn)行直立旋轉(zhuǎn)探測(cè)，以解決地下狹窄空間中對(duì)UMRS儀器的限制.根據(jù)電磁場(chǎng)疊加原理，可將N匝線圈等效看成為N個(gè)同尺寸的單匝線圈的疊加［17］.在進(jìn)行N匝線圈數(shù)值計(jì)算時(shí)，N匝線圈可以等效為N個(gè)參數(shù)相同的單匝線圈，各個(gè)單匝線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向均相同，從而，各個(gè)線圈磁場(chǎng)矢量疊加可轉(zhuǎn)換為標(biāo)量相加的方式.計(jì)算分析表明，從線圈激發(fā)場(chǎng)角度分析，多匝線圈的激發(fā)場(chǎng)影響空間范圍更大，對(duì)應(yīng)地下同一點(diǎn)，磁場(chǎng)越強(qiáng)，越有利于增強(qiáng)MRS找水探測(cè)的響應(yīng)信號(hào)強(qiáng)度.本文對(duì)線圈匝數(shù)變化及優(yōu)化策略、旋轉(zhuǎn)小線圈探測(cè)技術(shù)進(jìn)行了初步研究.

圖3 MRS探測(cè)空間示意圖.（a）半空間探測(cè)核函數(shù)分布圖；（b）地下全空間探測(cè)核函數(shù)分布圖；（c）隧道或礦井巷道的準(zhǔn)全空間探測(cè)核函數(shù)分布圖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

圖4 隨脈沖矩變化的半空間、全空間、準(zhǔn)全空間的MRS響應(yīng)圖Fig.4 MRS responses of half space，whole space，and quasi－whole space with pulse moment

5.1 旋轉(zhuǎn)天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

地下工程災(zāi)害水源探測(cè)儀在狹窄空間內(nèi)進(jìn)行超前探測(cè)，需要針對(duì)掌子面前方不同空間位置的水體旋轉(zhuǎn)天線，實(shí)現(xiàn)定位激發(fā)和接收.如圖5所示，天線由一個(gè)小型發(fā)射線圈、多個(gè)接收線圈和相應(yīng)的調(diào)理電路組成［18］，固定在一個(gè)曲面骨架上，通過(guò)旋轉(zhuǎn)多點(diǎn)激發(fā)和接收，實(shí)現(xiàn)定位探測(cè).

5.2 線圈匝數(shù)變化UMRS響應(yīng)計(jì)算

圖5 旋轉(zhuǎn)天線設(shè)計(jì)示意圖.（a）橫截面圖；（b）旋轉(zhuǎn)定位圖Fig.5 Schematic diagrams of rotating antenna design.（a）Cross－section view；（b）Rotary positioning

核函數(shù)可以反應(yīng)磁共振在探測(cè)水體時(shí)，接收線圈對(duì)地下空間各位置處含水體的靈敏度大小.為了直觀分析核函數(shù)隨線圈匝數(shù)變化規(guī)律，結(jié)合礦井探測(cè)尺寸，基于UMRS超前探測(cè)理論，本文假設(shè)如下含水模型：線圈半徑為2m，線圈匝數(shù)分別為50匝、100匝、250匝，取大地均勻半空間電阻率為500Ωm，地磁傾角為60°，地磁偏角為3°，α和β均為0°，拉莫爾頻率為2230Hz，核函數(shù)隨激發(fā)脈沖矩q變化的關(guān)系如圖6所示.由圖可知，假設(shè)儀器的靈敏度為5nV，則50匝、100匝、250匝分別能夠探測(cè)前方13、18m及25m處的水體.隨著線圈匝數(shù)逐漸增大，探測(cè)靈敏度也逐漸增加，因此，適當(dāng)增加線圈匝數(shù)是地下工程中磁共振方法進(jìn)行遠(yuǎn)距離超前探測(cè)的可行方案.

5.3 天線匝數(shù)優(yōu)化

上述天線匝數(shù)討論為同一線圈收發(fā)模式，根據(jù)Weichman提出的發(fā)射、接收線圈分離時(shí)的磁共振信號(hào)計(jì)算方法［19－22］，建立如下模型：假設(shè)前方30m處有1層1m厚的含水層，含水量100%，最大激發(fā)脈沖矩4A·s.如圖7所示，圖中冷色到暖色代表磁共振響應(yīng)由小到大變化.分別以隧道（6m）、礦井（2m）尺寸、不同發(fā)射、接收線圈匝數(shù)組合進(jìn)行計(jì)算.如圖7a所示，當(dāng)發(fā)射線圈匝數(shù)達(dá)到15匝而接收線圈達(dá)到40匝，探測(cè)前方水體時(shí)的磁共振響應(yīng)即為15nV，而繼續(xù)增大發(fā)射線圈匝數(shù)，磁共振響應(yīng)變化較小.由此可見(jiàn)，發(fā)射線圈匝數(shù)存在最優(yōu)值，可以最大程度減小發(fā)射線圈匝數(shù)增多引起的互感現(xiàn)象，保證UMRS信號(hào)獲取.

綜上，研制探測(cè)天線，需要對(duì)多匝發(fā)射線圈、聚焦接收線圈和線圈的旋轉(zhuǎn)特性分別進(jìn)行理論計(jì)算、仿真分析和實(shí)際測(cè)試，以得出最佳的線圈制作方案，才能為井下超前探測(cè)提供有效的探測(cè)技術(shù).多匝小線圈與單匝相比，多匝線圈間存在匝間互感［23－24］，其大小隨匝間距離以及匝間的介質(zhì)而變.如何減少多匝小線圈匝間互感影響是多匝小線圈仍有待解決的問(wèn)題.

6 地下磁共振探測(cè)自適應(yīng)參考消噪技術(shù)

地下工程建設(shè)中的挖掘設(shè)備、供電設(shè)備和支護(hù)架等產(chǎn)生的強(qiáng)電磁干擾［25］，會(huì)嚴(yán)重影響UMRS的探測(cè)效果.采用與地面相類似的多通道全波采集，增加參考消噪通道，利用自適應(yīng)算法［26－27］實(shí)現(xiàn)在強(qiáng)干擾噪聲背景下的微弱MRS信號(hào)獲取.參考通道數(shù)一般取1～3個(gè).圖8為地面和隧道探測(cè)線圈與參考線圈布設(shè)方式，注意到地下MRS的探測(cè)線圈與參考線圈均與地面垂直，與地磁場(chǎng)的夾角隨線圈旋轉(zhuǎn)方向變化.圖9是采用自適應(yīng)參考對(duì)消實(shí)現(xiàn)噪聲壓制的時(shí)域波形效果對(duì)比及其頻譜圖.顯然，通過(guò)自適應(yīng)參考對(duì)消可以取得明顯的噪聲壓制效果.

7 地下磁共振探測(cè)波場(chǎng)聯(lián)合探測(cè)技術(shù)

按超前探測(cè)以及準(zhǔn)全空間探測(cè)理論，通過(guò)優(yōu)化發(fā)射接收線圈匝數(shù)能夠在一定程度上提高UMRS的探測(cè)距離.然而，在地下狹窄空間的限制條件下實(shí)現(xiàn)更大的探測(cè)深度，向UMRS儀器設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn).山東大學(xué)的李術(shù)才團(tuán)隊(duì)采用地球物理波場(chǎng)聯(lián)合探測(cè)技術(shù)，用復(fù)合激發(fā)極化（IP）法實(shí)現(xiàn)隧道工程40m范圍近距離超前探測(cè)，用瞬變電磁實(shí)現(xiàn)隧道工程80m范圍中距離超前探測(cè)［28］，用陸地聲納法實(shí)現(xiàn)隧道工程的120m范圍遠(yuǎn)距離超前探測(cè)［29］.吉林大學(xué)磁共振地下水探測(cè)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一體化的MRS－TEM聯(lián)用儀，可以在同一個(gè)測(cè)點(diǎn)獲取 MRS和TEM兩種儀器參數(shù)，進(jìn)行聯(lián)合反演與解釋，在SMRS中取得了良好的應(yīng)用效果［30－32］.可見(jiàn)，在地下工程災(zāi)害水源探測(cè)中，只要研制出適用于地下狹窄空間的MRS－TEM聯(lián)用儀天線，并減小地面 MRSTEM聯(lián)用儀的體積和重量，即可實(shí)現(xiàn)地下工程災(zāi)害水源地磁場(chǎng)磁共振探測(cè)與瞬變電磁波場(chǎng)聯(lián)合探測(cè)（圖10），不同方法取長(zhǎng)補(bǔ)短，從而提高地下地質(zhì)災(zāi)害水源的探測(cè)深度和探測(cè)準(zhǔn)確性.

8 地下磁共振探測(cè)前沿技術(shù)

8.1 超導(dǎo)磁探測(cè)技術(shù)

圖10 用地下MRS－TEM聯(lián)用儀實(shí)現(xiàn)地下工程災(zāi)害水體探測(cè)Fig.10 Diagram showing realization of detection of disastrous water in subsurface projects by joint using underground MRS－TEM instruments

針對(duì)地下工程災(zāi)害水源地磁場(chǎng)磁共振探測(cè)應(yīng)用中，因探測(cè)線圈尺寸限制而導(dǎo)致探測(cè)靈敏度低的問(wèn)題，可以將目前磁測(cè)靈敏度最高的超導(dǎo)量子干涉器（Superconducting Quantum Interference Device，SQUID）［33－34］引入到磁共振探測(cè)技術(shù)中.與傳統(tǒng)探測(cè)線圈不同，SQUID能夠直接探測(cè)磁通變化，而并非磁通變化率.因此，對(duì)于給定的激發(fā)脈沖矩，其探測(cè)靈敏度與被測(cè)磁場(chǎng)源強(qiáng)度無(wú)關(guān).另外，SQUID在低頻范圍內(nèi)有著其他探測(cè)器無(wú)法比擬的靈敏度優(yōu)勢(shì)：如工作在液氦溫區(qū)的低溫SQUID器件靈敏度可達(dá)1fT／Hz1／2量級(jí)，工作在液氮溫區(qū)的高溫SQUID器件靈敏度最高也可達(dá)30fT／Hz1／2量級(jí).

SQUID技術(shù)已有多年的發(fā)展歷史，曾被用于高精度的地磁場(chǎng)測(cè)量和瞬變電磁測(cè)量.近年來(lái)，中國(guó)科學(xué)院謝曉明等人采用高溫超導(dǎo)射頻量子干涉器（HTS rf－SQUID）作為信號(hào)探測(cè)器件，在屏蔽室內(nèi)，采用高溫rf SQUID器件在地球磁場(chǎng)下測(cè)量到了高信噪比的磁共振信號(hào)［35］.成功測(cè)得磁共振信號(hào)，預(yù)示著將超導(dǎo)探測(cè)器用于地磁場(chǎng)環(huán)境下的地下工程超前探測(cè)，有可能解決地下工程狹窄空間所帶來(lái)的無(wú)法鋪設(shè)大尺寸天線問(wèn)題，這將為地下工程災(zāi)害水源磁共振探測(cè)提供一種極有發(fā)展前景的解決方案.

8.2 盾構(gòu)掘進(jìn)實(shí)時(shí)探測(cè)技術(shù)

為實(shí)時(shí)了解隧道開(kāi)挖前方的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)詳情，優(yōu)化隧道工程施工，德國(guó)GET公司研制了盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)系統(tǒng) （Bore Tunneling Electrical Ahead Monitoring，BEAM）［36］.該系統(tǒng)可直接安裝在盾構(gòu)機(jī)上工作，能夠提前預(yù)報(bào)掌子面前方3倍隧道直徑距離的地質(zhì)情況，自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和地質(zhì)評(píng)估，并實(shí)時(shí)顯示前方巖體的完整性和含水情況.目前該系統(tǒng)已經(jīng)在我國(guó)的隧道TBM施工中有較成功的應(yīng)用例子.實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)是地下工程安全建設(shè)的重要發(fā)展方向，如將地下磁共振UMRS與盾構(gòu)掘進(jìn)系統(tǒng)相結(jié)合，將磁共振探測(cè)線圈固定在掘進(jìn)機(jī)操作臺(tái)上，將采集到的信號(hào)進(jìn)行疊加處理，最終實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)過(guò)程中的實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)突水探測(cè)，可有效地減少地下工程建設(shè)的重大地質(zhì)災(zāi)害損失.

9 結(jié) 論

本文將地面磁共振探測(cè)方法創(chuàng)新性地引入地下工程，并展望了在地下磁共振探測(cè)中能有效應(yīng)用的數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)、正反演方法以及儀器設(shè)計(jì)策略.本文所提出的方法綜合考慮了地下探測(cè)的技術(shù)難點(diǎn)以及地下水反演的精度與深度，將為煤礦安全開(kāi)采提供有效的技術(shù)支撐.

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