王榮軍，周超群，崔杰，謝明星，秦壯杰

(五礦邯邢礦業(yè)有限公司 北洺河鐵礦，河北 武安 056303)

0 引言

礦井瞬變電磁具備施工方便、體積效應(yīng)小、對(duì)低阻含水體反映靈敏以及縱向分辨率高的優(yōu)勢(shì)，在煤礦工作面頂?shù)装搴蕴綔y(cè)、巷道迎頭超前探測(cè)等方面得到了廣泛應(yīng)用，取得了良好的探測(cè)效果[1-4]。但是在鐵礦防治水工作中，尤其是在鐵礦井下探測(cè)工作中，礦井瞬變電磁探測(cè)技術(shù)應(yīng)用較少，主要原因是鐵礦井下環(huán)境干擾因素較多，同時(shí)缺乏有效的數(shù)據(jù)處理手段。賈三石等[5]利用礦井瞬變電磁對(duì)遼寧某鐵礦井下采空區(qū)進(jìn)行了有效探測(cè)；李靜等[6]采用礦井瞬變電磁對(duì)山東大牛鐵礦迎頭前方富水情況開展了超前探測(cè)工作，并得到了鉆孔驗(yàn)證；劉殿軍等[7]利用礦井瞬變電磁成功發(fā)現(xiàn)井下鐵礦掘進(jìn)巷道掌子面前方的含水破碎帶和老窯采空區(qū)；平守國(guó)等[8]利用地面瞬變電磁法對(duì)齊大山鐵礦含水構(gòu)造帶探測(cè)進(jìn)行了研究。上述研究取得了一定的成果，但并沒有涉及到巷道內(nèi)金屬干擾校正方面的工作，而這部分工作將直接影響探測(cè)結(jié)果的精度和分辨率。除此之外，目前在實(shí)際勘探過程中，礦井瞬變電磁處理和解釋手段通常采用“煙圈”理論進(jìn)行反演[9-10]?！盁熑Α崩碚摲囱菔且环N定性的近似反演方法，其實(shí)質(zhì)是時(shí)深轉(zhuǎn)換，即將視電阻率隨時(shí)間的變化曲線轉(zhuǎn)換為視電阻率隨深度的變化曲線[11]，解釋結(jié)果不是地層的真電阻率，難以滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。所以，采用有效的反演方法在數(shù)據(jù)處理中顯得尤為重要[12-13]。

本文在鐵礦導(dǎo)水通道探測(cè)中，利用系數(shù)校正法對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行金屬干擾校正，并通過理論模型驗(yàn)證了該方法的有效性；隨后提出采用人工蜂群算法對(duì)全空間瞬變電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性反演的精細(xì)處理和解釋方法，最后以北洺河鐵礦涌水異常探測(cè)為例，準(zhǔn)確圈定了導(dǎo)水通道和富水區(qū)域，為該鐵礦安全生產(chǎn)和防治水工作提供了可靠的技術(shù)保障。

1 礦井瞬變電磁基本原理

瞬變電磁法或稱時(shí)間域電磁法(time domain electromagnetic methods，TEM)，是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場(chǎng)，在一次脈沖磁場(chǎng)間歇期間，利用線圈或接地電極觀測(cè)二次渦流場(chǎng)的方法[14]。通過測(cè)量斷電后各個(gè)時(shí)間段的二次場(chǎng)隨時(shí)間變化規(guī)律，可得到不同深度的地電特征。

礦井瞬變電磁法基本原理與地面瞬變電磁法一致，但是受巷道內(nèi)勘探環(huán)境的限制，測(cè)量線圈尺寸有限，一般為2 m×2 m的多匝回線，其勘探深度也較淺。與地面瞬變電磁法不同的是，礦井瞬變電磁法為全空間瞬變響應(yīng)(圖1)，這種瞬變響應(yīng)是來自于回線平面上下(或兩側(cè))地層。除此之外，礦井瞬變電磁法可以將線圈平面以任意角度放置于巷道中，探測(cè)線圈平面法線方向一定深度內(nèi)含水異常體的垂向和橫向發(fā)育規(guī)律。因此，通過對(duì)發(fā)射線圈方位的調(diào)整可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)工作面內(nèi)頂板和底板一定范圍內(nèi)含水低阻異常體分布規(guī)律的探測(cè)。

圖1 礦井瞬變電磁“煙圈效應(yīng)”示意

2 金屬干擾下的礦井瞬變電磁響應(yīng)特征

巷道內(nèi)有用于支護(hù)頂?shù)装搴蛡?cè)幫的錨桿、錨網(wǎng)以及工作面內(nèi)的防水閘門，這些無疑會(huì)對(duì)瞬變電磁探測(cè)信號(hào)造成干擾，給后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和資料解釋帶來很大的困難，所以需要研究其響應(yīng)特征和影響規(guī)律。

采用三維時(shí)域有限差分法開展金屬錨網(wǎng)影響下的全空間瞬變電磁數(shù)值模擬[15]。全空間模型如圖2所示，地下介質(zhì)電阻率為100 Ω·m，巷道高度5 m，發(fā)射線圈(Tx)和接收線圈(Rx)邊長(zhǎng)為2 m，放置于巷道底板，發(fā)射電流為1 A，在巷道頂板設(shè)置厚度為0.5 m的金屬支護(hù)，電阻率為0.1 Ω·m。

圖2 礦井瞬變電磁探測(cè)模型示意

圖3所示為有、無金屬支護(hù)下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)衰減曲線。從圖中可以看出，頂板存在金屬支護(hù)時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)明顯高于無金屬支護(hù)時(shí)，說明金屬支護(hù)的存在直接影響了礦井瞬變電磁響應(yīng)信號(hào)，影響結(jié)果是其幅值增大，偏離地下介質(zhì)的真實(shí)數(shù)值，若將其直接用于反演，可能會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)論，所以需要在前期對(duì)其進(jìn)行處理。

圖3 金屬干擾下的衰減曲線

3 地質(zhì)概況及地球物理特征

北洺河鐵礦地處河北省武安市，研究區(qū)內(nèi)地表被第四系黃土及河床卵石層所覆蓋，主要地層(由新至老)依次為第四系黃土礫石層、石炭系—二疊系含煤巖系以及中奧陶系灰?guī)r層，其中燕山期閃長(zhǎng)巖呈復(fù)雜的似層狀侵入到奧陶系中統(tǒng)及其他地層中。在垂向上，礦區(qū)灰?guī)r上覆有第四系砂礫卵石層、砂質(zhì)黏土礫石層和底部黏土層，下為燕山期火成巖托底。區(qū)內(nèi)的控礦構(gòu)造為次級(jí)背斜，主要發(fā)育在奧陶系中統(tǒng)馬家溝石灰?guī)r中部層位中[16]。研究區(qū)內(nèi)共有8個(gè)礦層，產(chǎn)于燕山期閃長(zhǎng)巖與奧陶系石灰?guī)r接觸帶，為接觸交代型磁鐵礦床。區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)資料顯示，開采過程中受頂板奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r含水層影響較大。

當(dāng)?shù)叵聨r層賦存良導(dǎo)體或者含水時(shí)，該區(qū)域與圍巖介質(zhì)存在明顯的電性差異，會(huì)形成低阻異常，且低阻異常的特征會(huì)隨著含水程度和巖性變化而變化，這是礦井瞬變電磁探測(cè)含水異常區(qū)的地球物理基礎(chǔ)。對(duì)于鐵礦而言，磁鐵礦床作為一種金屬良導(dǎo)體，在探測(cè)結(jié)果中也呈現(xiàn)出低阻異常，這對(duì)于巖層的富水性探測(cè)是一種干擾。但是，從本區(qū)成礦條件和類型可知，區(qū)內(nèi)磁鐵礦石呈“雞窩”簇狀分布，可以視為孤立的低阻體，在資料解釋過程中結(jié)合工作面內(nèi)具體的地質(zhì)及開采資料，可以排除某異常是否為鐵礦體引起，所以能夠確定頂?shù)装宓母凰闆r。

4 數(shù)據(jù)采集及處理

4.1 工程布置和數(shù)據(jù)采集

為了查明該鐵礦-110 m水平11#穿脈不明涌水部位頂板導(dǎo)水通道及其富水性，鑒于11#穿脈由于出水不能進(jìn)入的情況，在該鐵礦工作面-110 m下盤運(yùn)輸巷布置瞬變電磁探測(cè)測(cè)線1條，長(zhǎng)度158 m，點(diǎn)距1 m，測(cè)線布置見圖4。此次測(cè)量選用IGGETEM-30B瞬變電磁儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，根據(jù)工作面實(shí)際情況和探測(cè)目的，采用多匝小回線裝置，線圈尺寸為2 m，發(fā)射和接收線圈匝數(shù)均為20匝，裝置類型為重疊回線，供電電流>3.0 A，觀測(cè)時(shí)間為1.4×10-5～3.396×10-2s，疊加次數(shù)為128次。

圖4 礦井瞬變電磁測(cè)線布置

4.2 數(shù)據(jù)處理

4.2.1 金屬干擾校正

工作中，瞬變電磁接收到的信號(hào)是富水異常的有效信號(hào)和金屬干擾信號(hào)的混合，所以采用常規(guī)的濾波、平滑等手段無法有效壓制干擾，反而可能會(huì)造成有效信號(hào)的丟失，因此本文采用系數(shù)校正法對(duì)其進(jìn)行處理[17-19]。礦井瞬變電磁視電阻率公式為[9]：

ρτ=6.32×10-12β(STNT)2/3(SRNR)2/3·(V/I)-2/3t-5/3

，

(1)

式中：β為比例系數(shù)；ST、SR是發(fā)射和接收線框面積；NT、NR為發(fā)射和接收線框匝數(shù)；V和I為激勵(lì)電壓和電流；t為衰減時(shí)間。

(2)

求出最小二乘擬合多項(xiàng)式：

，

(3)

。

(4)

針對(duì)不同的金屬干擾(錨桿、錨網(wǎng)和防水閘門)，可以根據(jù)以上公式對(duì)含有金屬干擾的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。

針對(duì)圖3所示的有、無金屬支護(hù)下礦井瞬變電磁衰減曲線，采用上述方法進(jìn)行金屬干擾校正，得到校正結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?，通過金屬干擾校正后的衰減曲線與無金屬干擾曲線基本吻合，說明該方法可以有效消除巷道內(nèi)金屬干擾對(duì)礦井瞬變電磁探測(cè)信號(hào)的影響。

圖5 金屬干擾校正前后衰減曲線對(duì)比

4.2.2 蜂群算法反演

人工蜂群算法是Karaboga在解決多個(gè)變量的函數(shù)優(yōu)化問題時(shí)提出的迭代算法[21-22]。在解決優(yōu)化問題時(shí)，首先要對(duì)食物源的位置進(jìn)行初始化，隨機(jī)生成SN個(gè)D維向量，作為可能解的初始種群，并按照式(5)評(píng)價(jià)其適應(yīng)度值，記錄此時(shí)的食物源的最優(yōu)值后，蜜蜂開始對(duì)所有食物源進(jìn)行循環(huán)迭代搜索：

(5)

式中：fiti表示食物源的適應(yīng)度值；fi表示對(duì)應(yīng)優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)值。在解決實(shí)際問題中，由于目標(biāo)函數(shù)值不存在小于0的情況，所以將式(5)修改為fiti=1/(1+fi)。

其次，引領(lǐng)蜂對(duì)所有食物源進(jìn)行鄰域搜索，利用式(6)產(chǎn)生新的食物源vij并評(píng)估其適應(yīng)度值(蜜源質(zhì)量)，將其與舊食物源xij進(jìn)行比較，若它優(yōu)于舊食物源，則用新食物源替換舊食物源，否則保留舊食物源。

vij=xij+φij(xij-xkj)

，

(6)

式中：j∈{1,2,…,D}；k∈{1,2,…,SN}，k為隨機(jī)生成且k≠i；φij是[-1,1]之間的隨機(jī)數(shù)，控制xij的生成。

當(dāng)引領(lǐng)蜂對(duì)所有食物源搜索完成后，返回舞蹈區(qū)將記錄的食物源的適應(yīng)度和位置信息分享給跟隨蜂。此時(shí)，跟隨蜂根據(jù)引領(lǐng)蜂提供的食物源信息，按照式(7)所示概率Pi進(jìn)行選擇：

。

(7)

當(dāng)跟隨蜂選中食物源后，會(huì)同引領(lǐng)蜂一樣進(jìn)行一次鄰域搜索，若搜索結(jié)果優(yōu)于引領(lǐng)蜂給出的食物源，則會(huì)儲(chǔ)存新的食物源的信息，反之保持不變。

在人工蜂群算法中，若某個(gè)食物源經(jīng)過limit次循環(huán)之后，其適應(yīng)度值仍沒有改善，則表示該食物源已經(jīng)陷入局部最優(yōu)，應(yīng)該將其放棄。而該食物源所對(duì)應(yīng)的引領(lǐng)蜂將重新轉(zhuǎn)變成偵察蜂，其通過式(8)隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)新的食物源來代替放棄的食物源：

，

(8)

5 資料解釋與成果分析

5.1 成果分析

5.1.1 金屬干擾校正結(jié)果

圖6為防水閘門附近的150號(hào)測(cè)點(diǎn)金屬干擾校正前后的歸一化感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)衰減曲線對(duì)比，可以看到，經(jīng)過校正后感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)整體幅值減小，說明金屬干擾的存在會(huì)導(dǎo)致瞬變電磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值變大，與數(shù)值模型顯示的金屬干擾對(duì)礦井瞬變響應(yīng)特征影響結(jié)果一致。

圖6 150測(cè)點(diǎn)金屬干擾校正前后衰減曲線對(duì)比

圖7所示為經(jīng)過金屬干擾校正前后視電阻率擬斷剖面對(duì)比結(jié)果。對(duì)比兩圖可以看到，校正后的視電阻率擬斷面在中深部位置處發(fā)生了明顯的變化，尤其是在測(cè)線距離130 m附近由防水閘門引起的低阻異常經(jīng)過校正后基本消失，說明金屬干擾經(jīng)過校正后得到了較好的壓制，巖層電性特征得到了有效還原。

圖7 金屬干擾校正前(a)校正后(b)視電阻率擬斷面

5.1.2 反演結(jié)果

圖8所示為經(jīng)過金屬校正后，利用蜂群算法反演得到的電阻率斷面。從圖中可以看出，工作面頂板整體電阻率相對(duì)較低，測(cè)線范圍內(nèi)縱向電阻率隨探測(cè)深度增加呈現(xiàn)近似“高—低—高”的特征；電阻率橫向變化較大，局部電阻率呈現(xiàn)低阻特征，說明頂板巖層富水性不均。根據(jù)電阻率剖面特征，圈定了3處低阻異常。①號(hào)異常在測(cè)線6～26 m，探測(cè)距離10～35 m位置，頂板巖層電阻率呈現(xiàn)中低阻特征，由于該測(cè)段范圍內(nèi)巷道邊幫有灰?guī)r裂隙水滲流，推斷該位置范圍頂板巖層為相對(duì)弱富水的裂隙。②號(hào)異常在測(cè)線49～96 m，探測(cè)距離10～38 m位置，頂板巖層電阻率呈現(xiàn)低阻特征，且異常形態(tài)較為規(guī)則，封閉性較好，推斷該異常可能為導(dǎo)水通道所在位置；同時(shí)考慮到異常形態(tài)，結(jié)合地質(zhì)資料該異常也有可能為鐵礦體。③號(hào)異常在測(cè)線110～158 m，探測(cè)距離20～35 m位置，經(jīng)過金屬校正后，該位置頂板巖層仍然呈現(xiàn)中低阻特征，推斷為弱富水的破碎帶或裂隙。

圖8 蜂群算法反演電阻率斷面

由于礦井瞬變電磁屬于全空間探測(cè)，探測(cè)成果中顯示出的低阻異?？赡苁怯傻装搴斐?，因此需要對(duì)探測(cè)成果進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證。

5.2 成果驗(yàn)證

5.2.1 鉆孔驗(yàn)證

為了驗(yàn)證探測(cè)成果的準(zhǔn)確性并排除底板含水情況的存在，根據(jù)上述探測(cè)和解釋結(jié)果，分別在測(cè)線18 m、88 m和150 m位置處，對(duì)頂板進(jìn)行鉆孔施工，編號(hào)為1#、2#和3#，鉆孔具體位置及角度見圖8所示。具體鉆孔情況見表1。

從表1可以看出，經(jīng)過金屬干擾校正和蜂群算法反演圈定的低阻異常均得到了鉆孔證實(shí)，尤其是②號(hào)異常，通過鉆孔揭露結(jié)果可知，在該鉆孔淺部發(fā)現(xiàn)鐵礦的存在，同時(shí)在鉆孔深部確定了采空區(qū)的位置。這與物探解釋推斷的該異?？赡転殍F礦體的結(jié)論一致，雖然在瞬變電磁反演成果中并沒有清晰反映出采空區(qū)的存在，但這是由于鐵礦體的低阻異常特征導(dǎo)致。

表1 鉆孔實(shí)際揭露情況

5.2.2 鉆孔窺視驗(yàn)證

為了能夠明確采空區(qū)的邊界以及富水情況，進(jìn)一步查明頂板采空范圍，利用2#鉆孔開展了鉆孔窺視工作，即通過鉆孔向頂板采空區(qū)域放置高清影像裝備，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)的實(shí)時(shí)立體成像。

圖9所示為窺視結(jié)果，從圖中可以清晰看到-110 m水平下盤運(yùn)輸巷頂板采空區(qū)以及空區(qū)內(nèi)鐵礦體的存在，從窺視結(jié)果中還可以看到有疑似采掘巷道的存在。根據(jù)已有的開采資料，綜合物探與鉆探結(jié)果，可知該采空區(qū)為盜采所致，且采空面積較大，所以最終推斷11#穿脈涌水異常是由②號(hào)異常頂板采空形成的導(dǎo)水通道所引起。

圖9 鉆孔窺視結(jié)果

6 結(jié)論

在常規(guī)礦井瞬變電磁法的基礎(chǔ)上，提出了金屬干擾校正和蜂群算法反演的精細(xì)探測(cè)和解釋技術(shù)，結(jié)合北洺河鐵礦探測(cè)實(shí)例，得到以下結(jié)論：

1)巷道內(nèi)金屬錨桿、錨網(wǎng)的存在給礦井瞬變電磁數(shù)據(jù)質(zhì)量帶來了一定的影響，通過對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行金屬干擾校正，能夠較為真實(shí)地反映實(shí)際地層電性特征，為提高反演精度奠定了前期基礎(chǔ)。

2)通過本次礦井瞬變電磁探測(cè)，準(zhǔn)確圈定出北洺河鐵礦-110 m水平11#穿脈涌水異常的導(dǎo)水通道位置以及運(yùn)輸巷頂板的富水情況；通過鉆孔不僅驗(yàn)證了探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，還排除了底板含水異常的存在，說明通過采用精細(xì)的探查技術(shù)和有效的數(shù)據(jù)處理手段，礦井瞬變電磁能夠應(yīng)用于鐵礦防治水的工作中。