基于矿井瞬变电磁的金属矿山超前探测研究

刘大金 ，胡体才，温来福，任周洪

(1.云南驰宏锌锗股份有限公司,云南 曲靖 654212;2.华北有色工程勘察院有限公司,河北 石家庄 050021;3.河北省矿山地下水安全技术创新中心, 河北 石家庄 050021;4.河北工程大学 地球科学与工程学院, 河北 邯郸 056038)

1 引 言

对于强透水性地层的金属矿山来说，突水是矿井掘进过程中最常见的一种地质灾害[1]。由于矿山突水具有强烈的突发性以及不确定性，严重威胁了矿山的安全生产工作，因此采用有效的物探手段，查明掘进前方岩层的富水情况，对于金属矿山的防治水工作尤为重要[2]。

目前，矿井物探方法中用于岩层富水性超前探测的主要有矿井瞬变电磁法、矿井直流电法、磁共振等[3]。其中，矿井瞬变电磁法具有对低阻体反映敏感、探测距离大以及施工方便等优点，被广泛地应用到矿井掘进前方含水体的探测中[4]。于景邨等对于矿井瞬变电磁超前探测的测点布设以及探测方案进行了研究，并将该方法应用到了工作面掘进前方构造的探测中[5]；王东伟等利用矿井瞬变电磁法对山西某矿井迎头前方岩层的含水构造和含水性进行探测[6]；张平松等通过淮南及新集煤矿区的矿井瞬变电磁探测实例表明，该方法对巷道掘进前方的含水异常体探测效果较好[7]；梁庆华对比分析了矿井瞬变电磁不同探测方案的适用范围，并通过实例分析了矿井瞬变电磁对于不同导水通道的探测效果[8]；Tang Hongzhi等将多匝小回线的全区视电阻率解释技术应用到矿井掘进前方的含水构造探测中[9]；牟义等分析了矿井瞬变电磁不同参数对于探测结果的影响，并将优化后的参数应用到井下采空区超前探测中[10]；史存焕等研究了基于共轴偶极装置的矿井瞬变电磁探测效果[11]。以上研究对于矿井巷道超前探测工作提供了有力的技术保障，但是该方法大多用于煤矿井下巷道，在金属矿山中涉及较少，尤其是金属矿山井下掘进过程中岩层富水性探测。除此之外，由于瞬变电磁反演是复杂的非线性问题，所以传统的线性或者线性化的反演方法越来越难以满足解释精度的需求，因此近些年越来越多的智能仿生算法被应用到地球物理反演解释中[12-14]。人工鱼群算法作为其中一种，已经成功应用到大地电磁数据反演、电磁与重力数据联合反演以及时频电磁数据的联合反演中[15-17]，但是在矿井瞬变电磁数据反演的研究还未见相关报道。

本文以强透水性地层条件下的金属矿山巷道超前探测为例，开展矿井瞬变电磁应用试验研究，并将人工鱼群算法引入到数据处理过程中，通过对理论模型和实测数据的处理，探讨该方法在金属矿山掘进前方的岩层富水性探测中的应用效果。

2 矿井瞬变电磁基本原理

瞬变电磁方法(Transient Electromagnetic Method，TEM)是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次场，在供电间歇，利用不接地回线或者接地电极测量二次感应电流场随时间的变化情况，以此达到探测地下异常体位置的目的。矿井瞬变电磁与地面瞬变电磁基本原理一致，区别主要是矿井瞬变电磁为全空间探测，且受施工环境限制，通常采用边长为1.5～2.0 m的多匝小回线作为收发装置。矿井瞬变电磁“烟圈效应”如图1所示，从图1中可以看到，感应涡流随着时间增大扩散到巷道顶底板的全空间[18]。

图1 矿井瞬变电磁“烟圈效应”示意图Fig.1 Schematic diagram of “smoke ring effect” of mine transient electromagnetic

3 矿井瞬变电磁正反演理论

3.1 正演算法

对于全空间层状介质来说，对于第i层，深度为z的P(i,z)点处的电场分量E(i,z)和磁场分量H(i,z)可以表示为[19]：

3.2 人工鱼群算法

人工鱼群算法是李晓磊等(2002)提出的一种基于动物行为自治体的优化算法[20]。其基本思想是鱼群生存数目最多的地方是水域中营养物质最多的地方，因此该算法是模拟鱼群的觅食行为最终达到寻优的目的。该算法的具体流程如下：

3.2.1 鱼群的初始化

假设人工鱼群的数量为NP，n为需要反演的模型参数个数，在算法开始运行时，首先要在模型空间内随机生成人工鱼群：

(2)

3.2.2 觅食行为

(3)

3.2.3 聚群行为

3.2.4 追尾行为

(6)

3.3 目标函数

选取磁场的垂直分量的相对误差作为目标函数：

(7)

式中，n为参与反演的观测时间道数，Hobs(i)和Hcal(i)分别为磁场的实测值和反演模型的计算值。

4 理论模型试算

为了检验上述方法在矿井瞬变电磁数据处理方法的有效性，建立了全空间5层地电模型，将第三层设置为巷道所在地层，巷道及顶板为强透水性地层，且含水性较强，各层厚度及电阻率参数如图2所示。在反演计算过程中，以理论值的±50 %作为搜索空间范围。

理论模型的人工鱼群反演结果及相对误差见表1，磁场强度的拟合曲线以及目标函数的收敛曲线如图3所示。从表1中可以看到，反演结果很好地反映了地层的电性特征，反演得到的各层的电阻率值和厚度相对误差均较小，反演电阻率最大相对误差仅为6.58 %，反演厚度最大相对误差仅为5.54 %。从图3中可以看到，通过反演计算得到的磁场强度曲线与理论正演曲线拟合较好，经过30次迭代，目标函数值仅为5.59×10-5，以上反演结果说明采用人工鱼群优化算法能够有效地处理矿井瞬变电磁数据。

表1 理论模型反演结果及相对误差

图3 理论模型正反演对比Fig.3 The comparison of forward and inversion of theoretical model

5 实测数据试验

为了检验矿井瞬变电磁法以及人工鱼群反演方法在金属矿山超前探测资料处理中的反演效果，结合云南某铅锌矿924 m中段主脉掘进迎头矿井瞬变电磁超前探测开展试验研究。

5.1 地质概况与数据采集

云南某铅锌矿924 m中段找矿平台自3#竖井穿越震旦系地层进入石炭-泥盆系地层，924～936 m竖井联巷工程穿越二叠系栖霞茅口灰岩地层以及F5断层。其中，上覆的栖霞茅口灰岩层含水性较强，为顶板的直接含水层；石炭-泥盆系地层为该矿的直接充水含水层；下伏的震旦系地层岩溶裂隙发育，含水性中等，是直接底板含水层。

在924 m中段主脉掘进过程中，迎头顶板淋水严重，为查明该位置前方岩层的富水情况，进行矿井瞬变电磁探测。现场数据采集沿巷道掘进正前方两侧每隔15°布置一个测点，从左侧帮到右侧帮共布置13个测点，依次命名为S1～S13，最终形成扇形探测系统，如图4所示。

5.2 实测数据处理及解释

在进行反演之前，首先对采集到的原始数据进行预处理，处理结果如图5所示。从图中可以看到，经过预处理之后，晚期数据质量有明显提高。对预处理之后的数据添加±50 %的变化范围作为初始模型空间。人工鱼群反演的参数根据相关文献及研究来确定[21]，最终选取人工鱼群数量为15条，觅食的最大试探次数为15次，感知距离设置为0.7，拥挤度因子为0.1，最大的迭代次数为50。

图5 数据预处理Fig.5 Data preprocessing

反演得到的电阻率剖面结果如图6所示，图中横坐标0对应的是巷道迎头的中心位置，纵坐标为超前探测距离。从图中可以看出，在巷道掘进迎头正前方平面内，从左侧帮45°～右侧帮35°方向，探测距离在18～70 m范围内，存在一个明显的低阻异常，推断该范围内岩层含水性较强。

根据以上探测成果，在迎头中心位置向掘进正前方布设探水钻孔进行验证，在钻孔施工到38 m深度时，由于钻孔内涌水量较大而停止施工。此时，钻孔涌水量达到46.5 m3/h，这与矿井瞬变电磁超前探测结果一致，验证了该方法和处理技术在强透水性地层条件下的金属矿山超前探测中的有效性。

图6 人工鱼群反演断面Fig.6 The inversion results of artificial fish swarm

6 结 论

本文通过理论模型和实测资料的处理与解释，研究了矿井瞬变电磁法在强透水性地层条件下的金属矿山超前探测中的应用效果，得到以下结论：

1)利用矿井瞬变电磁以及人工鱼群反演技术，准确圈定了云南某金属矿山掘进前方100 m范围内岩层的富水情况。

2)在地质条件具备的前提下，结合有效的数据处理技术，矿井瞬变电磁法能够准确地探测出金属矿山掘进前方的岩层富水性情况，可以作为金属矿山水害防治工作中一种重要的探测和预警手段，为矿山的安全生产工作提供了有力的技术保障。