基于礦井瞬變電磁的金屬礦山超前探測研究

劉大金 ，胡體才，溫來福，任周洪

(1.云南馳宏鋅鍺股份有限公司,云南 曲靖 654212;2.華北有色工程勘察院有限公司,河北 石家莊 050021;3.河北省礦山地下水安全技術(shù)創(chuàng)新中心, 河北 石家莊 050021;4.河北工程大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院, 河北 邯鄲 056038)

1 引 言

對于強透水性地層的金屬礦山來說，突水是礦井掘進過程中最常見的一種地質(zhì)災(zāi)害[1]。由于礦山突水具有強烈的突發(fā)性以及不確定性，嚴(yán)重威脅了礦山的安全生產(chǎn)工作，因此采用有效的物探手段，查明掘進前方巖層的富水情況，對于金屬礦山的防治水工作尤為重要[2]。

目前，礦井物探方法中用于巖層富水性超前探測的主要有礦井瞬變電磁法、礦井直流電法、磁共振等[3]。其中，礦井瞬變電磁法具有對低阻體反映敏感、探測距離大以及施工方便等優(yōu)點，被廣泛地應(yīng)用到礦井掘進前方含水體的探測中[4]。于景邨等對于礦井瞬變電磁超前探測的測點布設(shè)以及探測方案進行了研究，并將該方法應(yīng)用到了工作面掘進前方構(gòu)造的探測中[5]；王東偉等利用礦井瞬變電磁法對山西某礦井迎頭前方巖層的含水構(gòu)造和含水性進行探測[6]；張平松等通過淮南及新集煤礦區(qū)的礦井瞬變電磁探測實例表明，該方法對巷道掘進前方的含水異常體探測效果較好[7]；梁慶華對比分析了礦井瞬變電磁不同探測方案的適用范圍，并通過實例分析了礦井瞬變電磁對于不同導(dǎo)水通道的探測效果[8]；Tang Hongzhi等將多匝小回線的全區(qū)視電阻率解釋技術(shù)應(yīng)用到礦井掘進前方的含水構(gòu)造探測中[9]；牟義等分析了礦井瞬變電磁不同參數(shù)對于探測結(jié)果的影響，并將優(yōu)化后的參數(shù)應(yīng)用到井下采空區(qū)超前探測中[10]；史存煥等研究了基于共軸偶極裝置的礦井瞬變電磁探測效果[11]。以上研究對于礦井巷道超前探測工作提供了有力的技術(shù)保障，但是該方法大多用于煤礦井下巷道，在金屬礦山中涉及較少，尤其是金屬礦山井下掘進過程中巖層富水性探測。除此之外，由于瞬變電磁反演是復(fù)雜的非線性問題，所以傳統(tǒng)的線性或者線性化的反演方法越來越難以滿足解釋精度的需求，因此近些年越來越多的智能仿生算法被應(yīng)用到地球物理反演解釋中[12-14]。人工魚群算法作為其中一種，已經(jīng)成功應(yīng)用到大地電磁數(shù)據(jù)反演、電磁與重力數(shù)據(jù)聯(lián)合反演以及時頻電磁數(shù)據(jù)的聯(lián)合反演中[15-17]，但是在礦井瞬變電磁數(shù)據(jù)反演的研究還未見相關(guān)報道。

本文以強透水性地層條件下的金屬礦山巷道超前探測為例，開展礦井瞬變電磁應(yīng)用試驗研究，并將人工魚群算法引入到數(shù)據(jù)處理過程中，通過對理論模型和實測數(shù)據(jù)的處理，探討該方法在金屬礦山掘進前方的巖層富水性探測中的應(yīng)用效果。

2 礦井瞬變電磁基本原理

瞬變電磁方法(Transient Electromagnetic Method，TEM)是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次場，在供電間歇，利用不接地回線或者接地電極測量二次感應(yīng)電流場隨時間的變化情況，以此達到探測地下異常體位置的目的。礦井瞬變電磁與地面瞬變電磁基本原理一致，區(qū)別主要是礦井瞬變電磁為全空間探測，且受施工環(huán)境限制，通常采用邊長為1.5～2.0 m的多匝小回線作為收發(fā)裝置。礦井瞬變電磁“煙圈效應(yīng)”如圖1所示，從圖1中可以看到，感應(yīng)渦流隨著時間增大擴散到巷道頂?shù)装宓娜臻g[18]。

圖1 礦井瞬變電磁“煙圈效應(yīng)”示意圖Fig.1 Schematic diagram of “smoke ring effect” of mine transient electromagnetic

3 礦井瞬變電磁正反演理論

3.1 正演算法

對于全空間層狀介質(zhì)來說，對于第i層，深度為z的P(i,z)點處的電場分量E(i,z)和磁場分量H(i,z)可以表示為[19]：

3.2 人工魚群算法

人工魚群算法是李曉磊等(2002)提出的一種基于動物行為自治體的優(yōu)化算法[20]。其基本思想是魚群生存數(shù)目最多的地方是水域中營養(yǎng)物質(zhì)最多的地方，因此該算法是模擬魚群的覓食行為最終達到尋優(yōu)的目的。該算法的具體流程如下：

3.2.1 魚群的初始化

假設(shè)人工魚群的數(shù)量為NP，n為需要反演的模型參數(shù)個數(shù)，在算法開始運行時，首先要在模型空間內(nèi)隨機生成人工魚群：

(2)

3.2.2 覓食行為

(3)

3.2.3 聚群行為

3.2.4 追尾行為

(6)

3.3 目標(biāo)函數(shù)

選取磁場的垂直分量的相對誤差作為目標(biāo)函數(shù)：

(7)

式中，n為參與反演的觀測時間道數(shù)，Hobs(i)和Hcal(i)分別為磁場的實測值和反演模型的計算值。

4 理論模型試算

為了檢驗上述方法在礦井瞬變電磁數(shù)據(jù)處理方法的有效性，建立了全空間5層地電模型，將第三層設(shè)置為巷道所在地層，巷道及頂板為強透水性地層，且含水性較強，各層厚度及電阻率參數(shù)如圖2所示。在反演計算過程中，以理論值的±50 %作為搜索空間范圍。

理論模型的人工魚群反演結(jié)果及相對誤差見表1，磁場強度的擬合曲線以及目標(biāo)函數(shù)的收斂曲線如圖3所示。從表1中可以看到，反演結(jié)果很好地反映了地層的電性特征，反演得到的各層的電阻率值和厚度相對誤差均較小，反演電阻率最大相對誤差僅為6.58 %，反演厚度最大相對誤差僅為5.54 %。從圖3中可以看到，通過反演計算得到的磁場強度曲線與理論正演曲線擬合較好，經(jīng)過30次迭代，目標(biāo)函數(shù)值僅為5.59×10-5，以上反演結(jié)果說明采用人工魚群優(yōu)化算法能夠有效地處理礦井瞬變電磁數(shù)據(jù)。

表1 理論模型反演結(jié)果及相對誤差

圖3 理論模型正反演對比Fig.3 The comparison of forward and inversion of theoretical model

5 實測數(shù)據(jù)試驗

為了檢驗礦井瞬變電磁法以及人工魚群反演方法在金屬礦山超前探測資料處理中的反演效果，結(jié)合云南某鉛鋅礦924 m中段主脈掘進迎頭礦井瞬變電磁超前探測開展試驗研究。

5.1 地質(zhì)概況與數(shù)據(jù)采集

云南某鉛鋅礦924 m中段找礦平臺自3#豎井穿越震旦系地層進入石炭-泥盆系地層，924～936 m豎井聯(lián)巷工程穿越二疊系棲霞茅口灰?guī)r地層以及F5斷層。其中，上覆的棲霞茅口灰?guī)r層含水性較強，為頂板的直接含水層；石炭-泥盆系地層為該礦的直接充水含水層；下伏的震旦系地層巖溶裂隙發(fā)育，含水性中等，是直接底板含水層。

在924 m中段主脈掘進過程中，迎頭頂板淋水嚴(yán)重，為查明該位置前方巖層的富水情況，進行礦井瞬變電磁探測?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)采集沿巷道掘進正前方兩側(cè)每隔15°布置一個測點，從左側(cè)幫到右側(cè)幫共布置13個測點，依次命名為S1～S13，最終形成扇形探測系統(tǒng)，如圖4所示。

5.2 實測數(shù)據(jù)處理及解釋

在進行反演之前，首先對采集到的原始數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，處理結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看到，經(jīng)過預(yù)處理之后，晚期數(shù)據(jù)質(zhì)量有明顯提高。對預(yù)處理之后的數(shù)據(jù)添加±50 %的變化范圍作為初始模型空間。人工魚群反演的參數(shù)根據(jù)相關(guān)文獻及研究來確定[21]，最終選取人工魚群數(shù)量為15條，覓食的最大試探次數(shù)為15次，感知距離設(shè)置為0.7，擁擠度因子為0.1，最大的迭代次數(shù)為50。

圖5 數(shù)據(jù)預(yù)處理Fig.5 Data preprocessing

反演得到的電阻率剖面結(jié)果如圖6所示，圖中橫坐標(biāo)0對應(yīng)的是巷道迎頭的中心位置，縱坐標(biāo)為超前探測距離。從圖中可以看出，在巷道掘進迎頭正前方平面內(nèi)，從左側(cè)幫45°～右側(cè)幫35°方向，探測距離在18～70 m范圍內(nèi)，存在一個明顯的低阻異常，推斷該范圍內(nèi)巖層含水性較強。

根據(jù)以上探測成果，在迎頭中心位置向掘進正前方布設(shè)探水鉆孔進行驗證，在鉆孔施工到38 m深度時，由于鉆孔內(nèi)涌水量較大而停止施工。此時，鉆孔涌水量達到46.5 m3/h，這與礦井瞬變電磁超前探測結(jié)果一致，驗證了該方法和處理技術(shù)在強透水性地層條件下的金屬礦山超前探測中的有效性。

圖6 人工魚群反演斷面Fig.6 The inversion results of artificial fish swarm

6 結(jié) 論

本文通過理論模型和實測資料的處理與解釋，研究了礦井瞬變電磁法在強透水性地層條件下的金屬礦山超前探測中的應(yīng)用效果，得到以下結(jié)論：

1)利用礦井瞬變電磁以及人工魚群反演技術(shù)，準(zhǔn)確圈定了云南某金屬礦山掘進前方100 m范圍內(nèi)巖層的富水情況。

2)在地質(zhì)條件具備的前提下，結(jié)合有效的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，礦井瞬變電磁法能夠準(zhǔn)確地探測出金屬礦山掘進前方的巖層富水性情況，可以作為金屬礦山水害防治工作中一種重要的探測和預(yù)警手段，為礦山的安全生產(chǎn)工作提供了有力的技術(shù)保障。