目前煤矿巷道的超前探测工作越来越受到各界专家、技术人员的重视。发展一套安全可靠的煤矿超前探水方法对于保护人民的生命、财产安全具有十分重要的意义。

地球物理方法是利用含水构造与正常地层的导电性、密度、磁性、弹性、导热性等物性参数的差异，通过专用仪器观测由此引起的地球物理场的变化，并对得到的数据进行处理、解释来达到探查含水结构的目的，在煤矿突水监测预警中取得了丰硕的成果[1-3]。现在煤矿常用的超前探测方法主要有地震超前预报(TSP)[4]、瞬变电磁法(TEM)[5-6]、地质雷达(GPR)[7-8]、直流电阻率法[9]和红外测温技术[10]等。但是这些方法都不是直接找水的地球物理方法。它们是通过观测地下某个结构含水后引起的某个地球物理参数的改变来推断这个结构是否含水，而不能直接对水进行探测。

与传统的物探方法不同，核磁共振方法具有直接探测地下水的功能。在特定频率的电磁场激发下，只有地下水分子中的氢核会产生核磁共振响应，从而被仪器探测出来。由于其特有的直接探测地下水的特点，目前该方法已经在水文地质[11-12]，工程地质[13]，滑坡监测[14]，考古[15]等领域得到了应用。因此，一些专家学者提出将核磁共振技术在找水方面的优势应用于巷道超前探水工作，并为此已经开展了许多重要的基础研究工作。例如孙怀凤等[16]对核磁共振超前探测技术的可行性进行了讨论，并认可了这种可能性;王应吉等[17]及方秀成等[18]对核磁共振超前探测的激发场进行了计算;林婷婷等[19]对核磁共振的全空间正反演进行了一些研究等。

将核磁共振方法应用于煤矿巷道的超前探测将会与传统的地面核磁共振方法的施工环境相差很大。例如，其研究的范围从地面核磁共振方法的半空间问题转变为核磁共振超前探测的全空间问题。其工作方式和施工时使用的线圈装置也与传统的地面核磁共振方法有所差异。因为这些差异的存在，使得核磁共振超前探测的距离与地面核磁共振方法的探测深度存在着很大的差别。巷道核磁共振超前探测的距离为多大也成为研究人员比较关心的一个问题。

本文根据核磁共振超前探测方法的特点，就地磁场强度、地磁倾角、地层电阻率、激发和接收线圈参数、巷道方向变化等因素对核磁共振超前探测距离的影响规律进行分析。首先，创新性地将地磁场强度与地磁倾角归纳为地理位置对超前探测距离的影响，使模拟过程更加符合实际。同时，通过引入线圈的有效面积概念，使线圈大小和匝数对探测距离的影响简化为有效面积对探测距离的影响。计算了各种条件下核磁共振方法的探测距离并从中总结出这几个因素对核磁共振超前探测距离的影响规律。希望能对以后的实际施工过程提供一定的指导。

1　核磁共振超前探测方法的基础理论

核磁共振超前探测方法所利用的物理原理是核磁共振技术。假设某煤矿所在区域的地磁场强度为B0，由该磁场强度可以计算得到当地的拉莫尔频率f，两者之间的换算关系[20]为

(1)

其中，γ为磁旋比。在自然状态下，由于水分子中氢核的自旋而产生的磁矩是朝向地磁场方向的。这时，如果在该处的煤矿巷道中布设激发线圈，向线圈中通入具有拉莫尔频率的交变电流脉冲i(t)=Icos(ω0t),ω0=2πf。在交变电流脉冲的激励下会产生向前传播的交变电磁场，在这个交变磁场的作用下原来的氢核的磁矩会偏离地磁场方向一个角度θ，这个角度也被称作扳倒角[21]。

(2)

式中，q称为激发脉冲矩，q=Iτ,τ为供电持续时间;I为激发电流的幅值;B1为激发场中垂直于地磁场的分量。

如果在激发的过程中使用的是圆形线圈，其激发线圈的半径为a，在忽略掉挖空的巷道对全空间的电磁场的影响下，根据麦克斯韦方程组可以得到在柱坐标系下均匀地下空间中任意点(r,z)线圈产生的磁场表达式为

(3)

(4)

式中,为激发电流强度；J0和J1分别为零阶和一阶贝塞尔函数；λ为贝塞尔函数积分计算过程中的中间变量；ε1为地层的介电系数；σ1为地层的导电率；μ0为真空磁导率[22]。

而对于煤矿中危害较大的含水断层、采空区积水等模型，考虑到水体对于周围岩体电阻率的影响，我们将掌子面前方岩体的电阻率近似的看作垂向的一维层状分布。对于n层层状介质中的磁场，可以利用如下公式进行计算[23-24]:

(5)

其中，i的取值范围为为各层介质中的波数。而各层介质中磁场分量的系数ai,bi的递推关系如下：

(6)

式中，fi，gi，Zi，Ki均为计算过程中的中间叠代变量；Hi和hi分为各导电层的厚度和该层底界面到掌子面的距离；th为双曲正切函数。

对于核磁共振方法而言，激发线圈产生的磁场并不是所有的分量都可以用于激发核磁共振信号，其中只有与地磁场相垂直的磁场部分才能有效地激发地下水中的氢原子。假设当地磁倾角为α，该煤矿巷道的走向为β方向，这时如果线圈产生的磁场的两个分量为和时，垂直磁场的表达式[17]为

(7)

在脉冲矩的持续供电时间τ结束之后，突然截断激发线圈中的电流。这时氢核的磁矩会慢慢地恢复到原来的地磁场方向，并在这个过程中产生自由感应衰减信号，即地下水中氢核产生的核磁共振响应信号。通过在掌子面前方布设的接收线圈对这个响应信号进行拾取，从而达到探测地下水的目的。

在接收线圈中产生的响应信号随着时间呈指数规律衰减[25]。

(8)

其中，φ0为NMR响应信号的初始相位为NMR横向弛豫时间;E0为NMR信号的初始振幅。由于在煤矿巷道中我们通常要用到分离线圈装置[26]，同时考虑到磁场传播过程中的椭圆极化现象[27]，核磁共振响应信号的初始振幅[28]可表示为

(9)

其中,和分别为磁场的正旋分量和逆旋分量;M0=3.287×10-3|B0|为水体的磁化强度;ξT和ξR为线圈产生磁场椭圆极化的相位和为各自方向的方向向量;n(p)为含水体的含水量。式(9)也可以写为

(10)

称为核函数。

2　巷道核磁共振方法超前探测距离

根据电磁场传播的特性及核磁共振响应信号的式(9)可以看出，许多因素，例如地磁场强度、地磁倾角、地层电阻率、激发脉冲矩强度、激发线圈与接收线圈装置、巷道方向、含水层厚度、含水量等因素都会影响到核磁共振的响应信号强度[29]。本文以NMR响应信号强度为媒介，借鉴地面核磁共振方法的极限探测深度的定义[30-31]，将核磁共振超前探测的距离定义为:在有环境电磁噪声的情况下，如果仪器所能分辨出的极限信号强度为10 nV，仪器的最大的输出脉冲为10 000 A·ms时，一个1 m厚，含水量为100%的含水层置于掌子面前方时能被检测到的最远距离。

下面，依据含水层的NMR响应信号的理论计算公式，进行正演计算，通过实例阐述地层NMR信号与探测距离的关系。

例如，假设某煤矿位于武汉地区，测得当地的拉莫尔频率为2 119 Hz，地磁倾角为47.3°，巷道方向朝向磁北方向。将4 m直径(5匝)的激发线圈和2 m直径(500匝)的接收线圈布设在掌子面上对地层进行激发和接收，地层电阻率为200 Ω·m。这时，一个1 m厚的1D含水层(图1(a))随着到掌子面的距离越来越远，受含水层的影响，含水层所在位置的电阻率为3 Ω·m，各个距离得到的NMR响应信号如图1(b)所示。由图1(b)可以看到，当含水层中心位于5.5 m时，响应信号最大值出现在脉冲矩为393 A·ms时，响应信号的幅值为166.7 nV，而当含水层中心位于10.5 m的距离时，响应信号的最大值明显减小，只有90.2 nV;而当水层距离达到20.5 m时，响应信号的最大值出现在10 000 A·ms的位置，最大的响应信号为37.8 nV。将各个距离的含水层得到的响应信号最大值E0max提取出来就得到了如图1(c)所示的E0max-Z曲线。上已述及，在定义超前探测距离时所设定的仪器能分辨的最小信号为10 nV，所以，当某个深度的NMR响应信号的最大值E0max都小于10 nV时，笔者认为该深度的含水层不能被仪器所探测到。根据这个定义，我们可以看到在这种激发与接收条件下，该巷道的最大超前探测距离为29.5 m。

依据前述探测距离的定义和正演理论，能影响核磁共振超前探测距离的因素就还应考虑自然类的因素:地磁场强度、地磁倾角、地电阻率、巷道方向和人为探制因素:激发与接收线圈装置、脉冲矩强度。

当然，激发脉冲矩的大小直接决定了激发线圈中产生的能量大小。脉冲矩越大，其激发的磁场传播得越远，自然探测距离也越远。因此，为了达到更大的探测距离，使用的脉冲矩应该是越大越好。但是，由于现在的仪器发展水平的限制，仪器所能达到的最大脉冲矩有限。现有的一些核磁共振仪器(例如NUMIS系统)，为了保障仪器的安全，最大的脉冲矩在设置时一般不超过10 000 A·ms，所以，在本文讨论时，也将仪器能输出的最大脉冲设置为10 000 A·ms，在后续论述中将不再对脉冲矩大小对探测距离的影响进行讨论了。

3　自然因素对核磁共振超前探测距离的影响

3.1　地理位置

从前面的讨论已经看到，地磁场强度与地磁倾角都会对核磁共振超前探测的距离造成影响。但是，地磁场强度与地磁倾角这两个因素却是彼此相关联的，它们值的大小取决于所处的地理位置。而核磁共振超前探测工作可能在地球上的任何地区进行工作，在不同的地区，地磁场强度与地磁倾角的大小都可能会有所不同。所以，本文把两个因素联合起来，通过讨论地理位置对探测距离的影响来代替分别对这两个因素的单独讨论。这样使模拟过程与真实情况更加接近。

图2为基于国际地磁参考场模型(IGRF)而得到的地磁场强度和地磁倾角分布。由图2(a)可以看到，地磁场在南美洲中部最弱，而在大洋洲南部，靠近南极洲附近最强。在北半球，特别是亚洲地区，地磁场基本表现出先随着纬度的增加而增大。当纬度超过60°后直至北极地区，地磁场强度又呈现出逐渐减小的状态。由图2(b)可看出，在北半球，地磁倾角基本是随着纬度的增加在不断增大。而从式(1)和式(7)可以看到，地磁场强度会对核磁共振方法的激发频率造成影响;地磁倾角会对核磁共振激发场的垂直磁场分布造成影响[32-33]。因此，在不同的地理位置进行核磁共振超前探测施工时，其探测距离也必然会有所不同。

在北半球，由于地磁场强度与地磁倾角都是在垂直纬度线方向变化最快，而在同一纬度线上的变化则比较小。因此，为了讨论地理位置对探测距离的影响，笔者选择了穿过中国中部的1条经线——110°经线并计算了该经线上不同纬度位置的地磁场强度、地磁倾角及相应的超前探测距离来说明地理位置对超前探测距离的影响。计算时仍然使用的是国际地磁参考场(IGRF)，得到的各纬度的地磁场强度与地磁倾角结果见表1中第3和第5列所示。这时如果使用直径为4 m(5匝)的线圈对探测目标进行激发，使用直径为2 m(500匝)的线圈对信号进行接收，地层电阻率为200 Ω·m，含水层所在位置的电阻率为3 Ω·m。计算得到的探测距离结果见表1最后一列。

由表1可以看到，地理位置对核磁共振超前探测距离的影响比较大。在同一经度，同样的工作条件下，探测距离从赤道位置的25.5 m增加到最大值时的33.5 m。而且探测距离随纬度位置的变化表现出三角函数的增长趋势。纬度位置在0°～20°内探测距离增加地非常缓慢，一般在25.5～26.5 m。但是当纬度超过25°后，探测距离随纬度变化增加的速率明显加快，当纬度达到45°时探测距离已经达到了32.5 m。而之后随着纬度的继续升高，其探测距离的增长速度又开始放缓。基本保持在32.5～33.5 m之间。其实，地理位置对核磁共振超前探测距离的影响可以从反应地下氢核被激发程度的扳倒角中得到体现。图3为当经度为110°，巷道方向朝向磁北方向，在不同纬度位置得到的扳倒角在铅垂面内的分布(图中蓝色曲线是氢核被激发，搬倒角能达到30°的最远位置)。使用的脉冲矩为10 000 A·ms。

表1　地理位置对核磁共振超前探测距离的影响
Table 1　Influence of geographical location on exploration distance of NMR advanced detection

由图3可以看到，随着地理位置的变化，扳倒角的变化主要表现在两个方面:① 扳倒角的形态发生了变化。当纬度位置为10°时扳倒角基本还呈现出对称的两翼分布。而当纬度增加到30°时，扳倒角开始出现3个部分，但上下两部分还未达到对称。纬度位置继续增加，当纬度达到70°时，扳倒角的上下两部分已经接近对称分布。② 扳倒角随纬度的另一变化体现在扳倒角值的分布。由图3可以看到无论纬度值为多少，当距离非常接近线圈中心时，扳倒角值的变化都非常剧烈。而当距离较大时，因为纬度位置的不同，扳倒角衰减快慢的区别就体现了出来。选取如图中蓝色曲线所示的30°值为标准。当纬度位置为10°时，30°扳倒角能达到的最大深度约为25 m;当纬度位置为30°时，30°扳倒角能达到的最大深度约为29.5 m;而当纬度位置为50°和70°时，30°扳倒角能达到的最大深度基本相同，都在31 m左右。因为扳倒角的值体现了水体被激发的程度，所以从上面结果中可以看出在不同地理位置施工时，同样的装置对含水体的激发程度会有所不同，从而引起核磁共振超前探测距离的差别。

3.2　地层电阻率

与各种电磁类方法相似，电阻率对核磁共振激发线圈产生的电磁场衰减过程也会造成影响。当探测区域内的煤层和围岩的电阻率较低时，由于电磁场的能量会很快被吸收，传播的距离非常有限，所以，超前探测的距离也会变小。而在地层电阻率较高的区域，探测距离则相对更大。见表2，假设某煤矿还是位于武汉地区，其拉莫尔频率和地磁倾角分别为2 119 Hz和47.3°，考虑到水体对电阻率的影响，含水层所在位置的电阻率统一设为3 Ω·m。为了便于突出极低电阻率值对于超前探测距离的影响，我们还设置了当地层为1,2 Ω·m的均匀空间时的极端情况。巷道方向还是朝向磁北方向，可以看到当电阻率不同时，超前探测的距离会有很大的差异。但是，这些距离的变化基本集中在电阻率值极低的范围内。当电阻率值为1 Ω·m时，探测距离只有14.5 m，而当电阻率值为2 Ω·m时，探测距离增加到19.5 m。当电阻率达到10 Ω·m后，探测距离已经达到27.5 m，之后探测距离随着电阻率值的增长会非常地缓慢。电阻率值在100～5 000 Ω·m时由于探测距离增长非常缓慢，在笔者设定的1 m的采样间隔下，已经体现不出探测距离的变化，所以其探测距离都为29.5 m。

表2　探测距离随地层电阻率值的变化
Table 2　Exploration distances when the stratum resistivity is different

注:NT,DT分别表示激发线圈匝数、直径;NR,DR分别表示接收线圈匝数、直径。

电阻率对核磁共振超前探测距离的影响可以从核函数值随深度的衰减(图4)中得到更直观的体现。在图4中红色曲线是10 nV/m的核函数值所能到达的最远距离，也就是在定义探测距离时设定的信号能被识别的极限值。由图4可以看到，当脉冲矩都达到最大的10 000 A·ms时(纵坐标最大值)，当电阻率值为1 Ω·m时，核函数的值超过10 nV/m的距离只能达到15 m。随着电阻率值的增加，核函数值随深度的衰减越来越慢。当电阻率值为10 Ω·m时，10 000 A·ms的脉冲矩产生的核函数值能达到10 nV/m的距离为28 m左右，所以，探测的范围增大了很多。在图4的前4个图中就表现为暖色调的区域面积增大了许多。而在后4个图中，随着电阻率值的增加，暖色调的区域面积已经基本没有变化，核函数的值随着脉冲矩和深度的分布基本相同。这也就是表2中为什么当电阻率达到一定的值后，探测距离的值基本没有变化的原因。

3.3　巷道方向

除上述因素外，巷道方向对探测距离的影响是核磁共振超前探测与地面核磁共振方法的一个不同之处。对于地面核磁共振方法而言，影响垂直磁场分布的只有地磁倾角一个因素，而对于核磁共振超前探测而言，其巷道的方向可能是朝向任意方向的，巷道的方向同样会对垂直磁场的分布造成影响(此处，关于方向的描述都是指的地磁方向，而不是地理方向)。图5为在同一地点施工，在不同朝向的巷道中得到的垂直磁场分布情况(激发线圈直径为4 m，频率为2 119 Hz，地磁倾角为47.3°。地电阻率为200 Ω·m)。由图5中可以看出不同朝向巷道的垂直磁场分布明显不同。当巷道朝向磁正北(0°)和正南(180°)方向时，垂直磁场的分布不具有明显的对称性，而当巷道朝向正东(90°)和正西(270°)方向时垂直磁场在巷道所在的铅垂面内则表现出上下对称的性质。

尽管垂直磁场的分布由于巷道的朝向不同而出现不对称的性质。但是在讨论探测深度时笔者考虑的是1D的情况，所得到的信号是在该距离平面上所有单元含水体的信号的总和，使得某个距离平面Z上含水层得到的信号又并无太大的差异。例如在图6所示的Z=30 m 的距离位置，由于巷道走向的不同使垂直磁场分布不同，最终使该距离平面内的核函数分布也不同。0°走向的巷道，核函数在巷道上方取得最大值，而180°走向的巷道的核函数的分布刚好与之相反。尽管有这样的分布差异，在该平面各个位置的核函数的总和却并无太大的分别。图中当巷道为0°，90°，180°，270°时核函数的和分别为9.54,11.11，9.54，11.11 nV/m。所以，在核函数随着探测距离迅速衰减的情况下，不同朝向巷道的探测距离无太大差别，见表3。

4　激发和接收线圈参数对核磁共振超前探测距离的影响

与地面核磁共振方法相比，核磁共振超前探测施工的环境发生了巨大的改变。由于超前探测工作是在非常狭小的巷道中进行的，所以能布设线圈的空间也非常有限。在这种环境条件之下，只能使用小线圈来进行核磁共振超前探测工作。根据核磁共振方法的特点，对于激发过程，激发线圈中要求所载电流较大。所以，激发线圈一般使用的都是较粗的、匝数较少的电缆。如果这时还是使用地面核磁共振方法中常用的收发共圈装置，利用同一个线圈对信号进行接收，核磁共振超前探测的距离就会非常有限。为了保证一定的探测距离，这就要求接收线圈使用的匝数较多。因此，在核磁共振超前探测工作中，笔者通常需要将激发线圈与接收线圈分离开来，使用分离线圈装置。由于巷道掌子面的范围非常有限，激发线圈与接收线圈的摆放位置不可能偏离太远，所以，本文所讨论的结果都是分离线圈装置中激发线圈与接收线圈中心重合时的情况。

同样以上述的武汉地区煤矿为例，如果接收线圈直径为2 m(500匝)，改变激发线圈的大小和匝数得到的超前探测距离见表4，5。由表4可以看到，如果固定激发线圈的匝数，而将激发线圈的直径从1 m增加到大型隧道可能使用的5 m时，其探测距离可以从14.5 m增加到32.5 m。而由表5的结果可以看出，如果固定激发线圈的直径，单纯增加其匝数，同样可以使探测距离得到有效地增加。

表4　不同激发线圈直径对核磁共振超前探测距离的影响
Table 4　Exploration distances when the diameters of transmitter loop are different

表5　不同激发线圈匝数对核磁共振超前探测距离的影响
Table 5　Exploration distances when the turns of transmitter loop are different

核函数的分布随激发线圈参数的变化如图7所示(左列为固定激发线圈的大小而改变激发线圈的匝数时得到的核函数的分布，右列为固定激发线圈的匝数而改变线圈的大小时核函数的分布)。由图7可以直观地看到增大激发线圈的尺寸和增加激发线圈的匝数时线圈装置探测能力的变化。所以，在图7中左列中，当激发线圈的大小固定，而匝数增加的时候，在10 000 A·ms 的脉冲激发下，代表分辨极限的红色曲线所能到达的距离是越来越远的，也就是核磁共振超前探测的距离也越来越远。超前探测距离从1匝时的19.5 m增加到了5匝时的29.5 m。同理，在图7右列之中，当激发线圈的匝数固定时，随着激发线圈直径的增加，核函数所能到达的区域同样增大了很多，核磁共振超前探测的距离也得到了有效地增大。

从上述结果来看，为了达到更大的探测距离，本应该是使用的激发线圈匝数越多，线圈尺寸越大，效果越好。但是在实际工作中，由于煤矿的巷道掌子面大小非常有限，所以激发线圈最大也就只能将该平面填满。考虑到实际煤矿巷道掌子面的大小，在本文进行的数值模拟时一般使用的都是4 m直径的线圈。而且由于激发线圈在供电时，线圈中的电流会非常大，线圈彼此之间会存在非常强烈的电磁感应相互作用力，所以激发线圈的匝数也不宜过多。本文一般采用5匝的激发线圈。

除了增加激发线圈的匝数和大小可以有效的增加探测距离外，增加接收线圈的匝数和大小同样可以使式(9)中的磁场的幅值得到增加，同样可以起到增大探测距离的效果。由于其规律与增加激发线圈的参数相似，在此不再赘述。当然，接收线圈的大小和匝数也并非越大越好。当接收线圈的匝数和大小都很大的时候，接收到的信号虽然会变大，但是进入线圈的电磁噪声的幅值也同样会增加很多。这就为后续反演解释数据的去噪过程增加了很大的困难。所以考虑到既能接收到信号，又不至于有太大的噪声，接收线圈的大小和匝数也不宜过大。同时让接收线圈的尺寸比激发线圈小一些也更有利于将来多通道观测装置的布设。如果在一个巷道掌子面上能同时布设下多个小线圈，对NMR响应信号同时进行接收，那么就为二维或三维水体的探测提供了基础。

通过上述分析，由图7、表4～5中的结果可以看到，不同的线圈参数(线圈的大小、匝数)对应着不同的探测距离。探测距离会随着激发线圈(或者接收线圈)的大小和匝数的增加而增加。通过进一步的分析可以看到，核磁共振超前探测的探测距离其实与工作时所使用的线圈的有效面积S有关。在本文中，笔者定义线圈的有效面积为S=Nπr2，其中N为线圈的匝数，r为线圈的半径。

表6罗列了不同的激发线圈有效面积所对应的超前探测距离。当激发线圈的有效面积为62.83 m2时，不论其激发线圈的匝数和半径是多少，其探测距离都是29.5 m。而当激发线圈的有效面积增大之后，其探测距离也会更大。同理，由表7可以看出，当激发线圈的有效面积固定，接收线圈的有效面积增加时，其探测距离也得到了有效地增加。如果接收线圈的有效接收面积保持不变(表7中的第2行到第5行)，则其探测距离也不会改变。因此，在实际工作中，可以根据煤矿巷道的实际情况，对激发线圈的参数进行调整，例如当巷道掘进时开采出的掌子面较小时，如果使用的线圈较小，就可以通过适当的增加线圈的匝数来保证线圈的有效面积没有减小，只要保证了线圈的有效面积相等，其探测距离就不会发生变化。

5　结论与建议

(1)创新性地将地磁场强度与地磁倾角结合起来，归纳为地理位置对超前探测距离的影响。利用国际地磁参考场，计算同一经线上各纬度位置的地磁场强度与地磁倾角，再代入到核磁共振超前探测公式中可以看到，探测距离会因为地理位置的不同而出现较大的变化。

表6　不同的激发线圈有效面积对应的最远探测距离
Table 6　Exploration distances when the effective area of the transmitter loop is different

表7　不同的接收线圈有效面积对应的最远探测距离
Table 7　Exploration distances when the effective area of the receiver loop is different

(2)电阻率对探测距离的影响主要集中在极低阻区域，而当煤矿地层的电阻率值大于100 Ω·m后，地层电阻率的变化对探测距离基本没有影响。

(3)巷道朝向的不同虽然会影响到核磁共振激发场的垂直磁场分布形态，但是讨论探测距离时是按照1D模型的情况来讨论的，由于得到的NMR响应信号是各个距离平面上的总和，而不同巷道朝向时核函数分布的总和相差不大，所以，不同的巷道方向对于探测距离的影响也不大。

(4)工作时所使用的线圈的大小和匝数都会对探测距离造成较大影响。通过引入线圈的有效面积S=Nπr2，使线圈大小和匝数对探测距离的影响规律得到简化。模拟结果表明，线圈的有效面积越大，其探测距离越大。而只要保持激发和接收线圈的有效面积相等，超前探测距离就不会发生改变。

核磁共振超前探测技术的研究还处在起步阶段，关于其探测距离的研究还有大量的问题急需进一步的解决。例如巷道内有大量的金属机械和金属支护的存在，这些金属体都会对核磁共振信号造成严重影响，那么它们又会怎样影响探测的距离？又如，现在讨论的探测距离都是按一维水体来处理，而地下的水体实际都是呈三维的分布，那么不同的水体存在形态又会对探测距离造成何种影响？这些问题都有待进一步的研究。

参考文献(References):

[1]　程建远,石显新.中国煤炭物探技术的现状与发展[J].地球物理学进展,2013,28(4):2024-2032.

CHENG Jianyuan,SHI Xianxin.Current status and development of coal geophysical technology in China[J].Journal of Progress in Geophysics,2013,28(4):2024-2032.

[2]　刘盛东,刘静,岳建华.中国矿井物探技术发展现状和关键问题[J].煤炭学报,2014,39(1):19-25.

LIU Shengdong,LIU Jing,YUE Jianhua.Development status and key problems of Chinese mining geophysical technology[J].Journal of China Coal Society,2014,39(1):19-25.

[3]　DU Wenfeng,PENG Suping,ZHU Guowei,et al.Time-lapse geophysical technology-based study on overburden strata changes induced by modern coal mining[J].International Journal of Coal Science & Technology,2014,1(2):184-191.

[4]　程建远,李淅龙,张广忠,等.煤矿井下地震勘探技术应用现状与发展展望[J].勘探地球物理进展,2009,32(2):96-111.

CHENG Jianyuan,LI Xilong,ZHANG Guangzhong,et al.Current status and outlook of seismic exploration applied underground in coal mine[J].Progress in Exploration Geophysics,2009,32(2):96-111.

[5]　程久龙,邱浩,叶云涛,等.矿井瞬变电磁法波场变换与数据处理方法研究[J].煤炭学报,2013,38(9):1646-1650.

CHENG Jiulong,QIU Hao,YE Yuntao,et al.Research on wave-field transformation and data processing of the mine transient electromagnetic method[J].Journal of China Coal Society,2013,38(9):1646-1650.

[6]　陈丁,程久龙,黄琪嵩,等.矿井瞬变电磁矩形回线源瞬变电磁响应[J].煤炭学报,2015,40(12):2865-2873.

CHEN Ding,CHENG Jiulong,HUANG Qisong,et al.Time domain transient electromagnetic responses from a rectangular loop in homogeneous whole-space[J].Journal of China Coal Society,2015,40(12):2865-2873.

[7]　LI S C,ZHOU Z Q,YE Z H,et al.Comprehensive geophysical prediction and treatment measures of karst caves in deep buried tunnel[J].Journal of Applied Geophysics,2015,116:247-257.

[8]　宋劲,王磊.探地雷达探测采煤工作面隐伏钻杆研究[J].煤炭学报,2014,39(3):537-542.

SONG Jin,WANG Lei.Study on the high precision detection of buried drill pipe by ground penetrating radar in the coal face[J].Journal of China Coal Society,2014,39(3):537-542.

[9]　石学锋,韩德品.直流电阻率法在煤矿巷道超前探测中的应用[J].煤矿安全,2012,43(5):104-107.

SHI Xuefeng,HAN Depin.The application of DC resistivity method in coal mine tunnel advanced exploration[J].Safety of Coal Mines,2012,43(5):104-107.

[10]　韩德品.“地质-电法-测温” 多参数综合超前探测技术及应用[J].煤炭学报,2009,34(11):1499-1506.

HAN Depin.“Geology-electricity-temperature” multi-parameter synthesized leading detection technology and applications[J].Journal of China Coal Society,2009,34(11):1499-1506.

[11]　李振宇,高秀花,潘玉玲.核磁共振测深新方法的新进展[J].CT理论与应用研究，2004,13(2):6-10.

LI Zhenyu,GAO Xiuhua,PAN Yuling.New progress of Magnetic Resonance Sounding(MRS) Method[J].CT Theory and Application,2004,13(2):6-10.

[12]　SHUSHAKOV O A.Groundwater NMR in conductive water[J].Geophysics,1996,61(4):998-1006

[13]　LEGCHENKO A,EZERSKY M,CAMERLYNCK C,et al.Locating water-filled karst caverns and estimating their volume using magnetic resonance soundings[J].Geophysics,2008,73(5):51-61.

[14]　LI Z Y,LI J L,TANG H M,et al.A new method of detecting landslides:A case for SNMR[J].Computerized Tomography Theory and Applications,2005,14:57-63.

[15]　潘玉玲,李振宇,张兵,等.磁共振技术在秦皇陵考古中的应用效果[J].工程地球物理学报,2004,1(4),299-303.

PAN Yuling,LI Zhenyu,ZHANG Bing,et al.Application effectiveness of nuclear magnetic resonance technology in archeology of Qin imperator mausoleum[J].Chinese Journal of Engineering Geophysics,2004,1(4),299-303.

[16]　孙怀风,李术才,李貅,等.核磁共振测深进行隧道超前地质预报的可行性[J].山东大学学报,2013,43(1):92-97.

SUN Huaifeng,LI Shucai,LI Xiu,et al.Feasibility of using magnetic resonance sounding in prediction of water bearing structures in front of a tunnel face[J].Journal of Shandong University,2013,43(1):92-97.

[17]　王应吉,赵越,林君,等.核磁共振坑道水探测中的激发场研究[J].地球物理学进展,2013,28(1):468-473.

WANG Yingji,ZHAO Yue,LIN Jun,et al.Coil’ excited field in detection of tunnel water by NMR[J].Progress in Geophysics,2013,28(1):468-473.

[18]　方秀成,于雷,孙淑琴,等.核磁共振超前探测激发与信号捡拾线圈研究[J].实验室研究与探索,2015,34(7):58-62.

FANG Xiucheng,YU Lei,SUN Shuqin,et al.Research on signal pick-up coil and advanced detection and excitation of MRS[J].Research and Exploration in Laboratory,2015,34(7):58-62.

[19]　林婷婷,万玲,曲永星,等.隧道超前探测准全空间磁共振理论及应用[J].中国有色金属学报,2013,23(9):2413-2421.

LIN Tingting,WAN Ling,QU Yongxing,et al.Quasi-whole space magnetic resonance theory and its application in tunnel advanced detection[J].The Chinese Journal of Nonferrous Metals,2013,23(9):2413-2421.

[20]　LEVITT M H.The signs of frequencies and phases in NMR[J].Journal of Magnetic Resonance,1997,126:164-182.

[21]　BEHROOZMAND A A,KEATING K,AUKEN E.A review of the principles and applications of the NMR technique for near-surface characterization[J].Surveys in Geophysics,2015,36:27-85.

[22]　曹昌祺.地面导线环的辐射电阻[J].地球物理学报,1978,21(1):76-88.

CAO Changqi.Radiation resistance of a wire loop laid on the ground[J].Journal of Geophysics,1978,21(1):76-88.

[23]　李貅.瞬变电磁测深的理论与应用[M].西安:陕西科学技术出版社,2002.

[24]　翁爱华,李舟波,王雪秋.地表大回线源在任意层状介质中产生磁场的计算[J].物探化探计算技术,2000,22(3):245-249.

WENG Aihua,LI Zhoubo,WANG Xueqiu.The magnetic field computation for large loop source[J].Computing Techniques for Geophysical and Geochemical Exploration,2000,22(3):245-249.

[25]　SCHIROV M,LEGCHENKO A V,CREER G.A new direct non-invasive groundwater detection technology for Australia[J].Exploration Geophysics,1991,22:333-338.

[26]　HERTRICH M,BRAUN M,YARAMANCI U.High resolution 2D inversion of separated loop magnetic resonance sounding(MRS) surveys[A].11th European Meeting of Environmental and Engineering Geophysics of the Near Surface Geoscience[C].Expanded Abstracts,2005.

[27]　WEICHMAN P B,LAVELY E M,RITZWOLLER M H.Theory of surface nuclear magnetic resonance with applications to geophysical imaging problems[J].Physical Review E,2000,62(1):1290-1312.

[28]　HERTRICH M,BRAUN M,GUNTHER T,et al.Surface nuclear magnetic resonance tomography[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2007,45(11):3752-3759.

[29]　潘玉玲,张昌达.地面核磁共振找水理论与方法[M].武汉:中国地质大学出版社,2000.

[30]　LEGCHENKO A V,SHUSHAKOV O A.Inversion of surface NMR data[J].Geophysics,1998,63:75-84.

[31]　MULLER-PETKE M,YARAMANCI U.Resolution studies for magnetic resonance sounding(MRS) using the singular value decomposition[J].Journal of Applied Geophysics,2008,66:165-175.

[32]　周欣,李振宇,陈佳维,等.中国境内地磁场变化对SNMR信号的影响[J].CT理论与应用研究,2009,18(2):33-40.

ZHOU Xin,LI Zhenyu,CHEN Jiawei,et al.Influence of geomagnetic field varations on SNMR signal in China[J].CT Theory and Applications,2009,18(2):33-40.

[33]　PAN J,LI Z,LIU H.The research on influence of geomagnetic inclination to SNMR signal[A].26th Symposium on the Application of Geophysics to Engineering and Environmental Problems[C].Expand Abstract,2013.