劉大金 ，胡體才，溫來(lái)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(duì)于強(qiáng)透水性地層的金屬礦山來(lái)說(shuō)，突水是礦井掘進(jìn)過(guò)程中最常見(jiàn)的一種地質(zhì)災(zāi)害[1]。由于礦山突水具有強(qiáng)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(jìn)前方巖層的富水情況，對(duì)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(cè)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(duì)低阻體反映敏感、探測(cè)距離大以及施工方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用到礦井掘進(jìn)前方含水體的探測(cè)中[4]。于景邨等對(duì)于礦井瞬變電磁超前探測(cè)的測(cè)點(diǎn)布設(shè)以及探測(cè)方案進(jìn)行了研究，并將該方法應(yīng)用到了工作面掘進(jìn)前方構(gòu)造的探測(cè)中[5]；王東偉等利用礦井瞬變電磁法對(duì)山西某礦井迎頭前方巖層的含水構(gòu)造和含水性進(jìn)行探測(cè)[6]；張平松等通過(guò)淮南及新集煤礦區(qū)的礦井瞬變電磁探測(cè)實(shí)例表明，該方法對(duì)巷道掘進(jìn)前方的含水異常體探測(cè)效果較好[7]；梁慶華對(duì)比分析了礦井瞬變電磁不同探測(cè)方案的適用范圍，并通過(guò)實(shí)例分析了礦井瞬變電磁對(duì)于不同導(dǎo)水通道的探測(cè)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(jìn)前方的含水構(gòu)造探測(cè)中[9]；牟義等分析了礦井瞬變電磁不同參數(shù)對(duì)于探測(cè)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(cè)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(cè)效果[11]。以上研究對(duì)于礦井巷道超前探測(cè)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(jìn)過(guò)程中巖層富水性探測(cè)。除此之外，由于瞬變電磁反演是復(fù)雜的非線性問(wèn)題，所以傳統(tǒng)的線性或者線性化的反演方法越來(lái)越難以滿(mǎn)足解釋精度的需求，因此近些年越來(lái)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(yú)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(shí)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(jiàn)相關(guān)報(bào)道。

本文以強(qiáng)透水性地層條件下的金屬礦山巷道超前探測(cè)為例，開(kāi)展礦井瞬變電磁應(yīng)用試驗(yàn)研究，并將人工魚(yú)群算法引入到數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，通過(guò)對(duì)理論模型和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理，探討該方法在金屬礦山掘進(jìn)前方的巖層富水性探測(cè)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(chǎng)，在供電間歇，利用不接地回線或者接地電極測(cè)量二次感應(yīng)電流場(chǎng)隨時(shí)間的變化情況，以此達(dá)到探測(cè)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(cè)，且受施工環(huán)境限制，通常采用邊長(zhǎng)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(shí)間增大擴(kuò)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(duì)于全空間層狀介質(zhì)來(lái)說(shuō)，對(duì)于第i層，深度為z的P(i,z)點(diǎn)處的電場(chǎng)分量E(i,z)和磁場(chǎng)分量H(i,z)可以表示為[19]：

3.2 人工魚(yú)群算法

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

3.2.1 魚(yú)群的初始化

假設(shè)人工魚(yú)群的數(shù)量為NP，n為需要反演的模型參數(shù)個(gè)數(shù)，在算法開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，首先要在模型空間內(nèi)隨機(jī)生成人工魚(yú)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(chǎng)的垂直分量的相對(duì)誤差作為目標(biāo)函數(shù)：

(7)

式中，n為參與反演的觀測(cè)時(shí)間道數(shù)，Hobs(i)和Hcal(i)分別為磁場(chǎng)的實(shí)測(cè)值和反演模型的計(jì)算值。

4 理論模型試算

為了檢驗(yàn)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(qiáng)透水性地層，且含水性較強(qiáng)，各層厚度及電阻率參數(shù)如圖2所示。在反演計(jì)算過(guò)程中，以理論值的±50 %作為搜索空間范圍。

理論模型的人工魚(yú)群反演結(jié)果及相對(duì)誤差見(jiàn)表1，磁場(chǎng)強(qiáng)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(duì)誤差均較小，反演電阻率最大相對(duì)誤差僅為6.58 %，反演厚度最大相對(duì)誤差僅為5.54 %。從圖3中可以看到，通過(guò)反演計(jì)算得到的磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線與理論正演曲線擬合較好，經(jīng)過(guò)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(shuō)明采用人工魚(yú)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(duì)誤差

圖3 理論模型正反演對(duì)比Fig.3 The comparison of forward and inversion of theoretical model

5 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)礦井瞬變電磁法以及人工魚(yú)群反演方法在金屬礦山超前探測(cè)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(jìn)迎頭礦井瞬變電磁超前探測(cè)開(kāi)展試驗(yàn)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(tái)自3#豎井穿越震旦系地層進(jìn)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(qiáng)，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(jìn)過(guò)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(jìn)行礦井瞬變電磁探測(cè)。現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集沿巷道掘進(jìn)正前方兩側(cè)每隔15°布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，從左側(cè)幫到右側(cè)幫共布置13個(gè)測(cè)點(diǎn)，依次命名為S1～S13，最終形成扇形探測(cè)系統(tǒng)，如圖4所示。

5.2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理及解釋

在進(jìn)行反演之前，首先對(duì)采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)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(guò)預(yù)處理之后，晚期數(shù)據(jù)質(zhì)量有明顯提高。對(duì)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(yú)群反演的參數(shù)根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)及研究來(lái)確定[21]，最終選取人工魚(yú)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(duì)應(yīng)的是巷道迎頭的中心位置，縱坐標(biāo)為超前探測(cè)距離。從圖中可以看出，在巷道掘進(jìn)迎頭正前方平面內(nèi)，從左側(cè)幫45°～右側(cè)幫35°方向，探測(cè)距離在18～70 m范圍內(nèi)，存在一個(gè)明顯的低阻異常，推斷該范圍內(nèi)巖層含水性較強(qiáng)。

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

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

6 結(jié) 論

本文通過(guò)理論模型和實(shí)測(cè)資料的處理與解釋?zhuān)芯苛说V井瞬變電磁法在強(qiáng)透水性地層條件下的金屬礦山超前探測(cè)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(yú)群反演技術(shù)，準(zhǔn)確圈定了云南某金屬礦山掘進(jìn)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(cè)出金屬礦山掘進(jìn)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(cè)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。