康 東，張雨瀟，劉 偉

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0 引 言

在井工采空區(qū)中，由于不同的巖石以及礦石存在的磁性不同，會(huì)令地球的局部地區(qū)出現(xiàn)磁場(chǎng)的變化，進(jìn)而導(dǎo)致地磁異常[1]。不同礦山的采空區(qū)對(duì)于區(qū)域磁場(chǎng)信號(hào)的影響也是不同的[2]。本文利用磁梯度張量探測(cè)原理針對(duì)不同介質(zhì)的采空區(qū)對(duì)區(qū)域磁場(chǎng)信號(hào)的影響進(jìn)行了研究。

1 基本原理

同一磁性體、在同一位置、同一測(cè)量高度，其周圍介質(zhì)不同及介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變，會(huì)引起磁性體場(chǎng)源磁場(chǎng)分布出現(xiàn)差異，這一現(xiàn)象稱為“介質(zhì)效應(yīng)”[3]。同理，當(dāng)采空區(qū)的介質(zhì)屬性發(fā)生變化時(shí)，其區(qū)域磁場(chǎng)信號(hào)也會(huì)隨之發(fā)生變化。如：礦山中為無磁礦產(chǎn)時(shí)，采空區(qū)不存在礦產(chǎn)周圍巖石被磁化或剩余礦產(chǎn)產(chǎn)生較強(qiáng)磁場(chǎng)的情況，礦山的地磁場(chǎng)相對(duì)于采空區(qū)磁場(chǎng)來說是強(qiáng)磁場(chǎng)；而礦山中為磁鐵礦或其他鐵磁性礦物時(shí)，采空區(qū)周圍的巖石被原有礦物磁化或有微量剩余礦產(chǎn)，都會(huì)使得采空區(qū)磁場(chǎng)相較于地磁場(chǎng)為強(qiáng)磁場(chǎng)。

在三維空間中，地磁場(chǎng)可以用9 個(gè)(3×3 的矩陣)空間梯度組成張量來表示，這9 個(gè)元素分別代表了地磁場(chǎng)的3 個(gè)分量在相互正交的3 個(gè)方向上的變化率[4-7]。直接測(cè)量磁場(chǎng)矢量分量的梯度不受總場(chǎng)測(cè)量的限制，所測(cè)量的結(jié)果能夠直接反應(yīng)目標(biāo)體的矢量磁矩信息，并且經(jīng)過數(shù)據(jù)處理能夠很好地描述磁異常源的幾何形態(tài)[8]。利用超高靈敏度的超導(dǎo)量子干涉器(SQUID)對(duì)磁梯度張量的變化進(jìn)行探測(cè)，通過后期數(shù)據(jù)處理即可獲得更多磁異常信息[9-10]。

2 模型仿真

文章以COMSOL Multiphysics 為平臺(tái)，設(shè)定采空區(qū)的磁異常與礦山背景磁場(chǎng)之間的不同關(guān)系，來分析地下采空區(qū)介質(zhì)屬性對(duì)區(qū)域磁場(chǎng)信號(hào)的影響。

2.1 模型建立

模型中構(gòu)建一座東西長(zhǎng)5 000 m(x 軸)，南北長(zhǎng)4 000 m(y 軸)，上下為1 000 m(z 軸)的礦山；其中的采空區(qū)為東西長(zhǎng) 2 000 m、南北 400 m、垂直厚度100 m 的均勻扁平橢球，該采空區(qū)最高處距預(yù)設(shè)地表為350 m，具體如圖1 所示。

圖1 模型幾何圖Fig.1 Model Geometry

2.2 介質(zhì)屬性設(shè)置

為了驗(yàn)證不同介質(zhì)的采空區(qū)對(duì)區(qū)域磁場(chǎng)信號(hào)的影響，設(shè)計(jì)了以下3 種情況[11-12]。

①礦山的地磁場(chǎng)為均勻磁場(chǎng)，采空區(qū)內(nèi)有少量剩磁Mr= 10 A/m 的礦石，導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度高于地磁場(chǎng)，呈現(xiàn)出地磁場(chǎng)較弱、采空區(qū)磁場(chǎng)較強(qiáng)的情況。將礦山的地磁場(chǎng)作為背景磁場(chǎng)，圈定磁性更強(qiáng)的采空區(qū)，具體參數(shù)設(shè)置如表1。

表1 采空區(qū)中有剩磁Mr＝10 A/m的礦石Tab.1 Showing ore with remanence Mr＝10 A/m in the goaf

②礦山的地磁場(chǎng)為均勻磁場(chǎng)，采空區(qū)內(nèi)有少量剩磁為Mr= 60 A/m 的礦石，其余參數(shù)與表1 相同。此時(shí)，地磁場(chǎng)也是較采空區(qū)的磁場(chǎng)弱，則將地磁場(chǎng)作為背景磁場(chǎng)來圈定采空區(qū)。

③礦山內(nèi)原有礦物是無磁礦物，則采空區(qū)內(nèi)為空氣或者無磁物質(zhì)。此時(shí)，會(huì)呈現(xiàn)出礦山的磁場(chǎng)較強(qiáng)、采空區(qū)部分磁場(chǎng)較弱的磁場(chǎng)分布。這里將地磁場(chǎng)看作較強(qiáng)磁場(chǎng)來圈定非磁性的采空區(qū)域，具體參數(shù)設(shè)置如表2。

表2 采空區(qū)中為空氣Tab.2 Showing air in the goaf

3 結(jié)果與分析

利用COMSOL 軟件仿真以上3 種不同情況的區(qū)域磁場(chǎng)，在預(yù)設(shè)地表z＝1 000 m 處，各模型在z 方向上的分量和z 分量上的變化率如圖2 所示。

圖2 3種情況的Bz以及BzzFig.2 Three cases of Bzand Bzz

由圖2 可看出，當(dāng)采空區(qū)內(nèi)含有磁性礦產(chǎn)時(shí)，通過z 分量可以探測(cè)出采空區(qū)的所在；但當(dāng)采空區(qū)內(nèi)只有空氣、沒有任何其他磁性物質(zhì)時(shí)，在地磁場(chǎng)背景下，無法依靠z 分量進(jìn)行對(duì)采空區(qū)是否存在及位置等問題的判定，而磁梯度張量信號(hào)Bzz在3 種情況下都對(duì)采空區(qū)的形狀及位置有著較好的呈現(xiàn)效果。

如圖3 所示，加測(cè)剩磁為30 A/m 和40 A/m 的模擬采空區(qū)探測(cè)，可以根據(jù)模擬的3 種情況下Bz分量變化判斷出來在x 軸1 500～3 500 m 之間有磁異常，并且當(dāng)采空區(qū)內(nèi)有磁性物質(zhì)時(shí)，磁異常區(qū)域的z 分量值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于背景磁場(chǎng)，磁異常值越大Bz越大；當(dāng)采空區(qū)內(nèi)沒有磁性物質(zhì)時(shí)，背景磁場(chǎng)的Bz值大于磁異常區(qū)域。

圖3 各種情況的Bz值分布Fig.3 Distribution of Bzvalues in various cases

4 結(jié) 論

當(dāng)采空區(qū)內(nèi)殘留礦石剩磁為10 A/m 時(shí)，Bz最大為 3.776 8×10-5T；當(dāng)采空區(qū)內(nèi)殘留礦石剩磁為60 A/m 時(shí)，Bz最大為3.776 97×10-5T；當(dāng)采空區(qū)內(nèi)無磁性物質(zhì)時(shí)，該區(qū)域內(nèi)Bz值明顯低于背景磁場(chǎng)，最大為3.776 44×10-5T。

綜上所述，當(dāng)采空區(qū)內(nèi)介質(zhì)屬性不同時(shí)，其對(duì)區(qū)域磁場(chǎng)信號(hào)的影響也不同。當(dāng)采空區(qū)內(nèi)有磁性物質(zhì)時(shí)，該磁性物質(zhì)磁性越強(qiáng)，Bz值越大對(duì)區(qū)域磁場(chǎng)信號(hào)影響越大；當(dāng)采空區(qū)內(nèi)沒有磁性物質(zhì)時(shí)，該區(qū)域的Bz值無法提取采空區(qū)的信息，需要靈敏度和精度更高的磁梯度張量探測(cè)，對(duì)弱磁場(chǎng)變化進(jìn)行進(jìn)一步的分析。下一步，可以通過對(duì)磁梯度張量信號(hào)的具體分析來獲得采空區(qū)對(duì)區(qū)域磁場(chǎng)信號(hào)影響的詳細(xì)信息。