康 东，张雨潇，刘 伟

(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)

0 引 言

在井工采空区中，由于不同的岩石以及矿石存在的磁性不同，会令地球的局部地区出现磁场的变化，进而导致地磁异常[1]。不同矿山的采空区对于区域磁场信号的影响也是不同的[2]。本文利用磁梯度张量探测原理针对不同介质的采空区对区域磁场信号的影响进行了研究。

1 基本原理

同一磁性体、在同一位置、同一测量高度，其周围介质不同及介质的运动状态改变，会引起磁性体场源磁场分布出现差异，这一现象称为“介质效应”[3]。同理，当采空区的介质属性发生变化时，其区域磁场信号也会随之发生变化。如：矿山中为无磁矿产时，采空区不存在矿产周围岩石被磁化或剩余矿产产生较强磁场的情况，矿山的地磁场相对于采空区磁场来说是强磁场；而矿山中为磁铁矿或其他铁磁性矿物时，采空区周围的岩石被原有矿物磁化或有微量剩余矿产，都会使得采空区磁场相较于地磁场为强磁场。

在三维空间中，地磁场可以用9 个(3×3 的矩阵)空间梯度组成张量来表示，这9 个元素分别代表了地磁场的3 个分量在相互正交的3 个方向上的变化率[4-7]。直接测量磁场矢量分量的梯度不受总场测量的限制，所测量的结果能够直接反应目标体的矢量磁矩信息，并且经过数据处理能够很好地描述磁异常源的几何形态[8]。利用超高灵敏度的超导量子干涉器(SQUID)对磁梯度张量的变化进行探测，通过后期数据处理即可获得更多磁异常信息[9-10]。

2 模型仿真

文章以COMSOL Multiphysics 为平台，设定采空区的磁异常与矿山背景磁场之间的不同关系，来分析地下采空区介质属性对区域磁场信号的影响。

2.1 模型建立

模型中构建一座东西长5 000 m(x 轴)，南北长4 000 m(y 轴)，上下为1 000 m(z 轴)的矿山；其中的采空区为东西长 2 000 m、南北 400 m、垂直厚度100 m 的均匀扁平椭球，该采空区最高处距预设地表为350 m，具体如图1 所示。

图1 模型几何图Fig.1 Model Geometry

2.2 介质属性设置

为了验证不同介质的采空区对区域磁场信号的影响，设计了以下3 种情况[11-12]。

①矿山的地磁场为均匀磁场，采空区内有少量剩磁Mr= 10 A/m 的矿石，导致采空区内磁场强度高于地磁场，呈现出地磁场较弱、采空区磁场较强的情况。将矿山的地磁场作为背景磁场，圈定磁性更强的采空区，具体参数设置如表1。

表1 采空区中有剩磁Mr＝10 A/m的矿石Tab.1 Showing ore with remanence Mr＝10 A/m in the goaf

②矿山的地磁场为均匀磁场，采空区内有少量剩磁为Mr= 60 A/m 的矿石，其余参数与表1 相同。此时，地磁场也是较采空区的磁场弱，则将地磁场作为背景磁场来圈定采空区。

③矿山内原有矿物是无磁矿物，则采空区内为空气或者无磁物质。此时，会呈现出矿山的磁场较强、采空区部分磁场较弱的磁场分布。这里将地磁场看作较强磁场来圈定非磁性的采空区域，具体参数设置如表2。

表2 采空区中为空气Tab.2 Showing air in the goaf

3 结果与分析

利用COMSOL 软件仿真以上3 种不同情况的区域磁场，在预设地表z＝1 000 m 处，各模型在z 方向上的分量和z 分量上的变化率如图2 所示。

图2 3种情况的Bz以及BzzFig.2 Three cases of Bzand Bzz

由图2 可看出，当采空区内含有磁性矿产时，通过z 分量可以探测出采空区的所在；但当采空区内只有空气、没有任何其他磁性物质时，在地磁场背景下，无法依靠z 分量进行对采空区是否存在及位置等问题的判定，而磁梯度张量信号Bzz在3 种情况下都对采空区的形状及位置有着较好的呈现效果。

如图3 所示，加测剩磁为30 A/m 和40 A/m 的模拟采空区探测，可以根据模拟的3 种情况下Bz分量变化判断出来在x 轴1 500～3 500 m 之间有磁异常，并且当采空区内有磁性物质时，磁异常区域的z 分量值远远高于背景磁场，磁异常值越大Bz越大；当采空区内没有磁性物质时，背景磁场的Bz值大于磁异常区域。

图3 各种情况的Bz值分布Fig.3 Distribution of Bzvalues in various cases

4 结 论

当采空区内残留矿石剩磁为10 A/m 时，Bz最大为 3.776 8×10-5T；当采空区内残留矿石剩磁为60 A/m 时，Bz最大为3.776 97×10-5T；当采空区内无磁性物质时，该区域内Bz值明显低于背景磁场，最大为3.776 44×10-5T。

综上所述，当采空区内介质属性不同时，其对区域磁场信号的影响也不同。当采空区内有磁性物质时，该磁性物质磁性越强，Bz值越大对区域磁场信号影响越大；当采空区内没有磁性物质时，该区域的Bz值无法提取采空区的信息，需要灵敏度和精度更高的磁梯度张量探测，对弱磁场变化进行进一步的分析。下一步，可以通过对磁梯度张量信号的具体分析来获得采空区对区域磁场信号影响的详细信息。