CN109597136B - 一种矿井全空间瞬变电磁数据处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种瞬变电磁数据处理方法，属于地球物理勘探技术领域，具体是涉及一种矿井全空间瞬变电磁数据处理方法。本发明将反演处理技术引入矿井瞬变电磁数据处理中，提高数据处理质量，本发明采用组合反演方法，既解决了阻尼最小二乘法需要人为提供初始模型的问题，又充分利用了粒子群能进行全局寻优的优势，本发明将组合算法依靠粒子群算法为阻尼最小二乘提供初始模型，兼顾了粒子群算法能进行非线性反演的特点和阻尼最小二乘寻优效率高的优点。

Description

一种矿井全空间瞬变电磁数据处理方法

技术领域

本发明涉及一种瞬变电磁数据处理方法，属于地球物理勘探技术领域，具体是涉及一种矿井全空间瞬变电磁数据处理方法。

背景技术

地球物理勘探技术作为利用物理方法解决地质问题的技术手段，在地质勘探领域得到了广泛应用。瞬变电磁法是地球物理勘探方法的一种，它以电磁感应定律为探测原理，通过接收地质异常体产生的感应二次场，来探测并推断其电性特征。

瞬变电磁法工作装置众多，根据其工作空间不同可分为航空瞬变电磁、地面瞬变电磁、地井瞬变电磁和矿井瞬变电磁法等。所谓矿井瞬变电磁法就是其工作空间位于地下矿井中。因地下矿井空间所限，其工作装置不能太大，比如发射线圈一般为边长2m的方形多匝回线，接收线圈为多匝回线或磁探头。当在巷道进行顶底板探测时，由于矿井瞬变电磁法探测数据既包含有顶板地层信息又包含底板地层信息，而常规处理方法多是来源于地面半空间瞬变电磁理论，仅是对数据进行初步处理，计算视电阻率并绘制视电阻率断面图，且无法区分顶板和底板信息。

从反演角度考虑，就阻尼最小二乘法反演而言，需要给定初始模型，而且初始模型对反演结果影响很大，初始模型越靠近目标模型，寻优速度越快，反演结果越精确，但是准确给定初始模型往往是非常困难的，人为给定又存在很大的盲目性。粒子群算法的优点是不需要给定初始模型，但其寻优速度较最小二乘法慢，因此若将两种方法进行组合，首先利用粒子群算法不需要初始模型的优点，进行初步反演，获得满足一定误差要求的初始结果后作为初始模型输入阻尼最小二乘算法进行精细反演，这样能在不需要人为指定初始模型的情况下，获得较高的寻优速度和较好的反演效果。

公开号为CN104992440A的中国发明专利公开了一种矿井瞬变电磁探测图形处理方法及装置，该发明通过获取运顺巷道的探测点及轨顺巷道的探测点的探测点的坐标值和瞬变电磁探测数据；对探测点的探测数值进行预处理；根据预处理结果，将运顺巷道探测点及轨顺巷道探测点的探测数值进行融合，从而使得生成的图形线条清晰连贯，准确显示探测结果。该发明仅是对不同巷道原始探测数据进行融合，未涉及数据处理及反演过程。

公开号为CN107765319A的中国发明专利，公开了一种矿井瞬变电磁法电阻率校正方法，通过利用两次不同收发距观测数据进行电阻率校正，消除互感信号，提取出有效大地二次场信号，很好地解决矿井瞬变电磁法电阻率值偏低失真的问题；因为探测深度与电阻率成正比，提高了矿井瞬变电磁法的探测深度。该发明仅是消除互感影响，进行电阻率校正，未涉及反演问题。

公开号为CN103267985A的中国发明专利公开了一种利用发射电流校正矿井瞬变电磁电感效应的方法。该方法校正矿井瞬变电磁使用的多匝小线框对采集数据带来的电感效应，消除现有矿井瞬变电磁处理过程中电感效应带来的影响，该发明同样未涉及反演问题。

以上三个与矿井瞬变电磁法有关的专利均未涉及数据反演问题，对于地面瞬变电磁法而言，有部分学者对数据反演问题开展了相关研究，叙述如下：

公开号为CN104537714A的中国专利公开了一种高精度的磁共振与瞬变电磁空间约束联合反演方法，将地磁场方向参数引入磁共振反演，采用三维大地模型中磁共振与瞬变电磁空间约束联合反演方案，构建组合反演目标函数与迭代方程和三维大地模型，同时反演测区全部测线测点的磁共振与瞬变电磁数据，实现组合反演空间约束。该发明未涉及矿井瞬变电磁勘探内容，也未涉及粒子群和阻尼最小二乘反演方法。

公开号为CN107305257A的中国发明专利公开了一种高密度电阻率法与瞬变电磁法组合反演技术。该发明采用高密度电法在火烧区及采空区采集浅部电阻率数值，采用矩形回线源瞬变电磁法从火烧区及采空区采集深部电阻率数值，对结合范围内的浅部电阻率数值及深部电阻率数值进行近似三维反演解释，继而获得高精度地下断面电性解释结果。该发明不涉及矿井瞬变电磁勘探问题，不能应用于矿井瞬变电磁反演。

公开号为CN6405665A的中国发明专利公开了一种基于DBIM的瞬变电磁电导率反演方法，该发明提供了一种在瞬变电磁系统中能准确反演地层电导率，并在频率域中直接进行反演的方法，不需要进行频时转换，在数据处理过程比较简单，只需要准确提取相应频率的频谱即可。但该发明适用于半航空瞬变电磁系统或全航空瞬变电磁系统，不适用与矿井瞬变电磁法。

公开号为CN105589108A的中国发明专利公开了一种基于不同约束条件的瞬变电磁快速三维反演方法，采用了基于瞬变电磁矩变换的数据处理及三维正演方法，解决了当前三维反演面临的数据量大、正演复杂的难题；构建了反演中时间常数向量的约束条件，采用最优化算法对反演问题进行迭代，使得反演过程向贴近于实际地下结构的方向优化。该发明应用于地面大回线瞬变电磁反演，不能应用于矿井小回线瞬变电磁探测。

以上所述方法分别论述了矿井瞬变电磁图形处理、电阻率校正、电感校正以及地面、航空瞬变电磁反演问题，但均未涉及矿井瞬变电磁反演内容。

因此，对现有技术中的矿井瞬变电磁数据处理技术进行改进，以满足不同应用场景的需求，是当前迫切需要解决的技术问题。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

现有技术主要针对地面瞬变电磁数据进行反演解释，尚无针对矿井瞬变电磁的非线性反演处理方法，反演效率低，应用场景受限，解释精确度低。本发明主要的目的是解决现有技术中所存在以上技术问题，提供了一种矿井全空间瞬变电磁数据处理方法。该方法基于粒子群和阻尼最小二乘组合反演方法实现矿井瞬变电磁数据反演计算。组合算法基于粒子群算法作为全局寻优算法对非线性问题适应性强的优点，兼顾了阻尼最小二乘法寻优效率高的特点，提高了反演效率且规避了人为给定初始模型的弊端。本发明能够对矿井瞬变电磁资料进行反演处理，将顶底板异常分离，便于进行更精确的解释。

为解决上述问题，本发明的方案是：

一种矿井全空间瞬变电磁数据处理方法，包括：

针对矿井全空间瞬变电磁数据与实际地质模型之间是复杂非线性关系的实际，首先利用粒子群算法对矿井全空间瞬变电磁进行初步反演；

所述粒子群算法为非线性寻优算法，结合矿井瞬变电磁数据组合反演特点，提出针对矿井瞬变电磁数据反演的特定反演迭代公式如下：

其中：i代表矿井全空间瞬变电磁反演模型标号，j为反演模型的具体参数标号，k为模型反演迭代次数，

为矿井全空间瞬变电磁模型反演迭代步长，

为矿井瞬变电磁反演模型，

为单个模型反演过程中的最优模型，

为所有模型反演过程中的最优模型，ω为模型反演惯性因子，c₁，c₂定义为模型反演学习因子，取c₁＝c₂＝2，r₁，r₂为(0,1)之间均匀分布的两个随机数。

其中，针对矿井全空间瞬变电磁组合反演提出的惯性因子表达式如下：

ω＝0.5/(1+e^(k-10))+r×0.9^k/2

其中参数取值为：k与上式一致，为模型反演迭代次数，r为随机数，取值范围为(0,1)，α为大于等于零的小正数，一般情况可取为[0,0.5]。

通过粒子群反演得到矿井全空间瞬变电磁反演中间模型；

将中间模型作为初始模型输入阻尼最小二乘算法；

阻尼最小二乘算法反演基于以下约束：

式中，M为矿井全空间瞬变电磁反演模型，M_i 、

分别为矿井瞬变电磁反演模型的下限和上限。

其中目标函数为：

上式中，n为模型参数个数，d_k为矿井全空间瞬变电磁观测数据，f_k(M)代表对M模型进行正演计算。

根据马奎特提出的阻尼最小二乘法，其基本表达式如下：

(A^TA+αI)·ΔM＝A^TB，其中，A为矿井全空间瞬变电磁反演迭代方程系数，B为方程的常量，的α是阻尼因子，△M为每次迭代对模型参数的修正量，反演迭代终止条件一般选择拟合精度达到一定要求，也可以限定总的迭代次数。

经过反演得到最终模型，即为矿井全空间瞬变电磁反演结果；

利用sufer等作图软件对模型进行可视化成图，并进行地质解释。

通过以上描述可知，本发明具备以下优点：

(1)将反演处理技术引入矿井瞬变电磁数据处理中，提高数据处理质量。

(2)采用组合反演方法，既解决了阻尼最小二次法需要人工指定初始模型的问题，又充分利用了粒子群能进行全局寻优的优势。

(3)组合算法依靠粒子群算法为阻尼最小二乘提供初始模型，兼顾了阻尼最小二乘寻优效率高的优点。

附图说明

并入本文并形成说明书的一部分的附图例示了本发明的实施例，并且附图与说明书一起进一步用于解释本发明的原理以及使得所属领域技术人员能够制作和使用本公开。

图1a-1g例示了本发明实施例中的部分实测数据成图，纵坐标为衰减电压，单位为V，横坐标为时间，单位为s，图中74-80#代表测点编号，仅为区分不同测点之用；

图2a-2b例示了本发明实施例中的反演成果图与测井电阻率资料对比和巷道实际揭露情况对比图；

将参照附图描述本发明的实施例。

具体实施方式

实施例

本实施例，首先提供了一种矿井全空间瞬变电磁数据解释方法。下面结合附图对该方法进行详细描述。

该一种矿井全空间瞬变电磁数据解释方法包括以下步骤：

(1)数据预处理；

矿井瞬变电磁探测记录的数据中往往包含一些干扰，需要对原始数据进行技术处理，包括删除坏道以及滤波去燥等手段，剔除或降低干扰因素的影响。

(2)设定粒子群算法反演参数；

根据所述粒子群算法要求，设定粒子个数，最大允许反演迭代次数，反演误差大小，惯性因子构建等，使其满足数据反演要求。其中粒子群算法速度和位置更新公式如下：

其中：i代表矿井全空间瞬变电磁反演模型标号，j为反演模型的具体参数标号，k为模型反演迭代次数，

为矿井全空间瞬变电磁模型反演迭代步长，

为矿井瞬变电磁反演模型，

为单个模型反演过程中的最优模型，

为所有模型反演过程中的最优模型，ω为模型反演惯性因子，c₁，c₂定义为模型反演学习因子，取c₁＝c₂＝2，r₁，r₂为(0,1)之间均匀分布的两个随机数。

其中，针对矿井全空间瞬变电磁组合反演提出的惯性因子表达式如下：

ω＝0.5/(1+e^(k-10))+r×0.9^k/2

其中参数取值为：k与上式一致，为模型反演迭代次数，r为随机数，取值范围为(0,1)，α为大于等于零的小正数，一般情况可取为[0,0.5]。

(3)进行粒子群算法反演得到中间模型；

针对实际探测数据进行反演时，在每一次迭代中，正演计算模型为包含巷道顶板和底板的全空间层状模型，第i层介质中磁场垂向分量频率域计算表达式为：

上式中，

定义为阻抗率，输入函数

输入函数中

和

为谱幅度。

当反演达到设定的误差或迭代次数要求后，粒子群算法反演停止，输出反演结果，此反演结果为中间模型而非最终结果。

(4)设定阻尼最小二乘算法反演参数

阻尼最小二乘算法反演基于以下约束：

式中，M为矿井全空间瞬变电磁反演模型，M_i 、

分别为矿井瞬变电磁反演模型的下限和上限。

其中目标函数为：

上式中，n为模型参数个数，d_k为矿井全空间瞬变电磁观测数据，f_k(M)代表对M模型进行正演计算。

根据马奎特提出的阻尼最小二乘法，其基本表达式如下：

(A^TA+αI)×ΔM＝A^TB，其中，A为矿井全空间瞬变电磁反演迭代方程系数，B为方程的常量，的α是阻尼因子，△M为每次迭代对模型参数的修正量。

(5)将中间模型作为阻尼最小二乘法的初始模型进一步反演；

将粒子群算法反演结果作为阻尼最小二乘法反演的初始模型进行反演计算，每次反演迭代阻尼最小二乘法对模型参数进行修正。

(6)根据误差判断条件适时输出反演结果。

根据误差判断条件适时输出反演结果具体为：反演迭代对模型参数不断进行修正，直到反演拟合误差或迭代次数达到设定要求，反演结束并输出反演结果。

(7)结合地层岩性及测井等信息进行精细解释

结合地层岩性及测井等信息进行精细解释具体为：利用已知地质地层岩性及测井资料，定性判断反演结果，正确甄别顶底板方向，对反演电阻率断面图进行精细解释。

图2a-b是根据本发明实施中的一种矿井全空间瞬变电磁数据解释方法的实际实施效果对比图。

采用发明的矿井全空间瞬变电磁数据处理方法对实测资料进行处理解释，实测原始数据曲线如图1a-1g所示，图中，纵坐标为衰减电压，单位为V，横坐标为时间，单位为s，曲线代表不同时刻瞬变电磁场衰减电压值，从图中看出，晚期曲线光滑，无干扰抖动情况，说明原始采集数据质量较好。

利用发明的处理方法对原始数据进行处理后得到成果图如图2a-b所示。

图2a-b中横坐标方向为沿巷道距离，纵坐标方向为顶底板方向的探测距离，正数代表顶板方向，负数代表底板方向，其中探测距离为0m为巷道位置。电阻率剖面中，深色代表低电阻率，浅色代表高电阻率。

从图2a-b中看出，反演实现了顶底板异常的分离显示，顶板方向探测高度0-70m范围内为中-高阻电阻率区域，在巷道距离850m和950m附近高阻层不连续，其中950m附近高阻层被上方的低阻区切断。顶板探测距离70m及以上区域存在一低阻条带。底板方向探测深度0到-70m范围整体呈现中-低阻电阻率分布，其中在巷道距离970-1100m之间电阻率值较低，分析该低阻区形态及分布，发现其与顶板方向切断高阻层的低阻区可能具有一定的水力联系，探测深度-70m以下范围整体为一高阻区。

反演电阻率断面与测井电阻率总体分层规律基本一致，中间0m位置附近为高阻，为煤层和巷道的反映，从0m往正方向电阻率总体变化趋势为低阻-高阻-低阻，从0m往负方向电阻率总体变化趋势为低阻-高阻，两图中高阻和低阻层位对应较好。

根据地质资料在该区域内有构造发育，其中探测区域内有F144断层通过。巷道实际揭露970m位置附近顶板及底板破碎，顶板有淋水情况。

从图2a-b中可以看出，巷道距离950m位置附近，顶板及底板与巷道走向近似平行方向的高阻及低阻区域均有明显错断，顶板上低阻区下侵并将高阻层切断，底板低阻及高阻区域也有明显的错动迹象，且底板断层下盘附近有较强低阻反应，推断可能是断层形成导水通道，将顶板含水层中的水导入底板岩层裂隙汇集所致，电阻率界面错断特征与断层吻合。

从以上描述可知，本实施例利用矿井瞬变电磁仪在井下采集试验数据，利用发明的组合反演方法对资料进行处理成图，实现了顶底板异常的分离。通过与收集的地质资料及巷道实际揭露情况对比，反演结果电性分层基本正确，反演结果与实际地质情况相符，反演所得电阻率剖面图中电阻率曲线变化位置与水文地质异常吻合较好，证明反演结果可靠。

本实施例中，尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。

注意到，说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”、“一些实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但是每个实施例可以不必包括所述特定特征、结构或特性。而且，这样的短语不必指代同一实施例。此外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，无论是否明确描述，结合其他实施例来实现这样的特征、结构或特性将在所属领域的技术人员的知识范围内。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (5)

1.一种矿井全空间瞬变电磁数据解释方法，其特征在于，包括：

针对矿井全空间瞬变电磁数据与实际地质模型之间是复杂非线性关系的实际，首先利用粒子群算法对矿井全空间瞬变电磁进行初步反演；

通过粒子群反演得到矿井全空间瞬变电磁反演中间模型；

将中间模型作为阻尼最小二乘法的初始模型进一步反演至满足迭代终止条件；

输出满足阻尼最小二乘法迭代终止条件的反演模型，并进行地质解释；

其中，针对实际探测数据进行反演时，在每一次迭代中，正演计算模型为包含巷道顶板和底板的全空间层状模型，第i层介质中磁场垂向分量频率域计算表达式为：

上式中，

定义为阻抗率，输入函数

输入函数中

和

为谱幅度；

式中，ω为模型反演惯性因子；r为随机数，取值范围为(0,1)。

2.根据权利要求1所述的一种矿井全空间瞬变电磁数据解释方法，其特征在于，

矿井全空间瞬变电磁粒子群算法速度和位置更新基于以下公式：

其中：i代表矿井全空间瞬变电磁反演模型标号，j为反演模型的具体参数标号，k为模型反演迭代次数，

为矿井全空间瞬变电磁模型反演迭代步长，

为矿井瞬变电磁反演模型，

为单个模型反演过程中的最优模型，

为所有模型反演过程中的最优模型，ω为模型反演惯性因子，c₁，c₂定义为模型反演学习因子，取c₁＝c₂＝2，r₁，r₂为(0,1)之间均匀分布的两个随机数；

其中，针对矿井全空间瞬变电磁组合反演提出的惯性因子表达式如下：

ω＝0.5/(1+e^(k-10))+r×0.9^k/2

其中r为随机数，取值范围为(0,1)。

3.根据权利要求1所述的一种矿井全空间瞬变电磁数据解释方法，其特征在于，

阻尼最小二乘算法反演基于以下约束条件：

式中，M为矿井全空间瞬变电磁反演模型，M_i 、

分别为矿井瞬变电磁反演模型的下限和上限；

其中目标函数为：

上式中，n为模型参数个数，d_k为矿井全空间瞬变电磁观测数据，f_k(M)代表对M模型进行正演计算。

4.根据权利要求3所述的一种矿井全空间瞬变电磁数据解释方法，其特征在于，基于马奎特阻尼最小二乘法求解最优模型解，在所述约束条件下进行循环迭代，最终得到最优模型解；

其中，马奎特阻尼最小二乘法公式如下：

(A^TA+αI)·ΔM＝A^TB，式，A为矿井全空间瞬变电磁反演迭代方程系数，B为方程的常量，的α是阻尼因子，△M为每次迭代对模型参数的修正量。

5.根据权利要求1所述的一种矿井全空间瞬变电磁数据解释方法，其特征在于，利用sufer作图软件对模型进行可视化成图得到电阻率断面，并进行地质解释。

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