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第4 6 卷第2 期 2 0 2 1 年2 月 煤炭学报 J O U R N A L0 FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 6N o ．2 F e b ．2 0 2 l 基于钻孑LT E M 智能立体成像的快速掘进超前探测方法 范涛1 ’2 ⋯，张幼振1 ，赵睿1 ，刘磊1 ，李博凡1 ，郭建磊1 ，李宇腾1 ，田小超1 ，蒋必辞1 1 ．中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安7 1 0 0 7 7 ；2 ．陕西省重点科技创新团队 地球物理探测技术与装备创新团队 ，陕西西安 7 1 0 0 7 7 ；3 ．煤炭行业工程研究中心 物探技术与装备 ，陕西西安7 1 0 0 7 7 摘要采掘失调是煤矿安全生产的重大隐患之一，巷道快速掘进是保障采掘平衡的重要手段，矿 井地球物理超前探测有效距离短，探测精度受井下复杂环境影响严重，制约巷道掘进速度，为解决 探掘接续紧张矛盾，提出一种利用掘进工作面前方5 0 0m 长度定向钻孔开展探测工作的钻孔瞬变 电磁探测方法，该方法可实现超长距离水害超前探测。在以钻孔钻进方向为z 轴正方向，以孔口 所在平面右向为x 轴正方向，下向为y 轴正方向的坐标系下，钻孔瞬变电磁水平分量异常响应形 态均为“正弦曲线”或“反向正弦曲线”形态，通过形态组合判定出孔旁异常体所在象限，结合由水 平分量异常场矢量合成得到的异常体中心偏转角度计算了异常体中心x D l ，平面旋转角。在此基 础上，视每一个由垂直分量反演得到的电阻率为独立异常体，基于深度计算系数与电阻率的关系曲 线推导出深度一电阻率与采样时间的映射关系，实现了电阻率与测点测道的一一对应，进一步采用 K m e a n s 聚类算法智能定位其分布象限，计算了其x o y 平面旋转角，再以定向钻孔轨迹为旋转轴， 以测点所在孔位的倾角和方位角为旋转角进行坐标空间旋转，实现了非直钻孔径向的电阻率立体 成像。计算了三维数值模拟和水槽物理模拟结果，对钻孔径向的异常体均取得了良好的立体成像 效果。结合山西某煤矿井下的工程实践，对该方法远距离超前探测能力和精细立体解释掘进工作 面前方地质异常体的性质、形态和规模的实用性和有效性进行了检验。研究表明基于聚类的钻孔 瞬变电磁立体成像方法是地球物理与机器学习的有机结合，该方法能够为井下掘进工作面隐伏水 害超前探测精细解释提供技术支撑，此外，在掘进前开展定向钻孔中的长距离瞬变电磁水害立体超 前探测，可有效保障巷道高效快速掘进。 关键词快速掘进；钻孔瞬变电磁法；立体成像；K m e a n s 聚类；水平分量；反演；超前探测 中图分类号P 6 3 1 ．3文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 1 0 2 一0 5 7 8 一1 3 A d v a n c ed e t e c t i o nm e t h o do fr a p i de x c a v a t i o nb a s e do nb o r e h o l eT E T Ⅵ i n t e U i g e n ts t e r e oi m a g i n g F A NT a 0 1 ，2 广，Z H A N GY o u z h e n l ，Z H A OR u i l ，L I UL e i l ，L IB o f a n l ，G U 0J i a n l e i l ， UY u t e n 9 1 ，T I A NX i a o c h a 0 1 ，J I A N GB i c i 1 1 ．崩’口nR ∞e D r c k 胁u f P ，∞i 凡oc 0 Ⅱf ％c 加f 嗍，＆￡增i 删r i 凡gG r o 印c o 甲．，崩’Ⅱn 7 1 0 0 7 7 ，C i n o ；2 ．K 可＆i 肌￡矿泌。村％c n o Z 喵i c ⅡZ 胁，跏倒i o n ％Ⅱm 矿s n n 似iP ，o Ⅳi w e G e o p 咖如n f 脚如m 砌凡7 ，e c n o 如g yo n d 勖“咖删眦，n n 删n 砌n ％n m ，崩’帆 7 1 0 0 7 7 ，吼访n ；3 ．c o n z ，凡d 邯吖踟g i n e e “增如一 s ∞砌c e n ￡e r 肌“ 髓o f | D 唧e 以i 憎7 T e c 加妇yn 蒯E q “咖舢m ，尉’Ⅱn7 1 0 0 7 7 ，吼i n Ⅱ 收稿日期2 0 2 0 l O 一2 6修回日期2 0 2 0 1 2 一0 4责任编辑韩晋平D O I l O ．1 3 2 2 5 ／jc nk i j c c s ．x R 2 0 ．1 6 7 6 基金项目天地科技股份有限公司科技创新创业资金专项项目顶层设计重点资助项目 2 0 2 0 T D z D 0 0 3 ；国家自然 科学基金资助项目 5 1 7 7 4 3 2 0 ；陕西省自然科学基础研究计划资助项目 2 0 2 0 J Q 一9 9 4 作者简介范涛 1 9 8 3 一 ，男，陕西安康人，副研究员。T e l 0 2 9 8 1 7 7 8 0 6 3 ，E m a i l f a n I a 0 4 4 4 4 1 6 3 ．c o m 引用格式范涛，张幼振，赵睿，等．基于钻孔T E M 智能立体成像的快速掘进超前探测方法[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 l ，4 6 2 5 7 8 5 9 0 ． F A NT a o ，Z H A N GY o u z h e n ，Z H A 0R u i ，e ta 1 ．A d v a n c ed e l e c t i o nm e t h o do fr a p i de x c a v a t i o nb a s e do nb o r e h o l 。 T E Mi n t e l l i g e n ts t e r e oi m a g i “g [ J ] ．J o u m { l lo fc h i n ac o a ls o c i e ‘y ，2 0 2 l ，4 6 2 5 7 8 5 9 0 ． 移动阅读 万方数据 第2 期范涛等基于钻孑LT E M 智能立体成像的快速掘进超前探测方法 5 7 9 A b s t r a c t M i n i n gm i s a l i g n m e n ti so n eo ft h em a j o rh i d d e nr i s k so fc o a lm i n es a f ep r o d u c t i o n ．R a p i dr o a d w a ye x c a V a - t i o ni sa ni m p o r t a n tm e a n st oe n s u r et h eb a l a n c eo fm i n i n ga n de x c a v a t i o n ．H o w e v e r ，t h ee f 论c t i v ed i s t a n c eo fm i n eg e o - p h y s i c a la d v a n c ed e t e c t i o ni ss h o r t ，a n dt h ed e t e c t i o na c c u r a c yi ss e r i o u s l ya f 玷c t e db yt h ec o m p l e xu n d e l g r o u n de n V i - r o n m e n t ，w h i c hr e s t r i c t st h es p e e do fr o a d w a ye x c a v a t i o n I no r d e rt os o l V et h ec o n t m d i c t i o nb e t w e e ne x p l o r a t i o na n d e x c a v a t i o n ，al o n g - d i s t a n c ed r i U i n gt I ．a n s i e n te l e c t r o m a g n e t i cd e t e c t i o nm e t h o di sp r o p o s e dw h i c hu s e sd i I ．e c t i o n a ld r i l l - i n gi nf 而n to ft h ee x c a v a t i o nw o r kt oc a I T yo u tt h ed e t e c t i o nw o r k ．T h i sm e t h o dc a nr e a l i z es i n g l e5 0 0ma d V a n c ed e - t e c t i o no nw a t e rh a z a r d ．I nac o o r d i n a t es y s t e mw h e r et h ed r i l l i n gd i r e c t i o no ft h eb o r e h o l ei st h ep o s i t i V ed i r e c t i o no f t h eZa x i s ，t h er i g h td i r e c t i o no ft h ep l a n ew h e r et h eo r i f i c ei sl o c a t e di st h ep o s i t i v ed i r e c t i o no ft h eXa x i s ，a n dt h e d o w n w a r dd i r e e t i o ni st h ep o s i t i v ed i r e c t i o no ft h ey a x i s ，t h ea b n o n l l a lr e s p o n s ep a t t e m so ft h eh o r i z o n t a lc o m p o n e n to f t h ed r i l l i n gt r a n s i e n te l e c t m m a g n e t i ca r ea l l i nt h ef o 瑚o f “s i n ec u Ⅳe “ o r “r e v e r s es i n ec u n ，e “ f o r m ．B yt h ec o m b i n a - t i o no fs h a p e s ，t h eq u a d I ．a n to ft h ea n o m a l o u sb o d yn e a rt h eh o l ec a nb ed e t e m i n e d ，a n dt h e 叉D yp l a n er o t a t i o na n g l e o ft h ea n o m a l o u sb o d yi sc a l c u l a t e db yc o m b i n i n gt h ec e n t e rd e n e c t i o na n g l eo ft h ea n o m a l o u sb o d ys y n t h e s i z e db yt h e h o r i z o n t a lc o m p o n e n ta b n o 珊a lf i e l dv e c t o r ．O nt h i sb a s i s ，c o n s i d e r i n gt h a te a c hr e s i s t i v i t yo b t a i n e d f 而mt h eV e n i c a l c o m p o n e n ti n v e r s i o ni sa ni n d e p e n d e n ta n o m a l o u sb o d y ，t h em a p p i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e nd e p t h r e s i s t i V i t ya n ds a m - p l i n gt i m ei sd e r i v e db a s e do nt h er e l a t i o n s h i pc u n ，eb e t w e e nd e p t hc a l c u l a t i o nc o e m c i e n ta n dr e s i s t i V i t y ，w h i c hr e a l i z e st h eo n e - t o o n ec o r r e s p o n d e n c eb e t w e e nr e s i s t i v i t ya n dt h em e a s u r i n gp o i n ta n dt r a c k ．T h eK m e a n sc l u s t e r i n ga l g o - r i t h mi sf u r t h e ru s e dt oi n t e l l i g e n t l yl o c a t ei t sd i s t “b u t i o nq u a d r a n ta n dc a l c u l a t e st h eX O l ，p l a n em t a t i o na n g l e ．T h e n t h ed i r e c t i o n a ld r i l l i n gt r a j e c t o r yi su s e da st h er o t a t i o na c i s ，a n dt h ei n c l i n a t i o na n da z i m u t ha n g l eo ft h em e a s u r i n g p o i n ta r eu s e da st h er o t a t i o na n g l et or o t a t et h ec o o r d i n a t es p a c e ，w h i c hr e a l i z e st h er e s i s t i V i t ys t e r e oi m a g i n gi nt h e m d i a ld i r e c t i o no ft h en o n s t r a i g h td “U i n g ．T h et h r e e d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h ep h y s i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t so ft h ew a t e rt a n ka r ec a l c u l a t e d ，a n dt h eg o o ds t e r e oi m a g i n ge f 玷c t sa r eo b t a i n e df o rt h ea n o m a l o u sb o d yi nt h e r a d i a ld i r e c t i o no ft h eb o r e h o l e ．C o m b i n i n gw i t ht h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c eo fac o a lm i n ei nS h a a m ip r o V i n c e ，t h ep r a c t i c a b i l i t ya n de f 耗c t i v e n e s so ft h en a t u r e ，s h a p ea n ds c a l eo ft h eg e o l o g i c a la n o m a l yi nf 而n to ft h eh e a d i n gw o r kw e r e t e s t e db yt h i sm e t h o df o rl o n g d i s t a n c ea d v a n c e dd e t e c t i o na b i l i t ya n dp r e c i s et h r e e - d i m e n s i o n a li n t e r p r e t a t i o n ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec l u s t e 卜b a s e dt r a n s i e n te l e c t r o m a g n e t i cs t e r e oi m a g i n gm e t h o df o rb o r e h o l e si sa no 唱a n i cc o m b i n a - t i o n o fg e o p h y s i c sa n dm a c h i n el e a m i n g ．T h i sm e t h o dc a np r o V i d eat e c h n i c a ls u p p o nf ．o rt h ea d V a n c ed e t e c t i o na n d 6 n ei n t e 叩r e t a t i o no fh i d d e nw a t e rh a z a r d si nu n d e r g r o u n dh e a d i n gf a c e s ．I na d d i t i o n ，t h et h r e e d i m e n s i o n a la d V a n c e d e t e c t i o no fl o n g d i s t a n c et r a n s i e n te l e c t r o m a g n e t i cw a t e rh a z a r di nt h eo “e n t a t i o nb o r e h o l ei sc a r r i e do u tb e f o r eh e a d i n g ，w h i c hc a ne f k c t i v e l ye n s u r et h ee m c i e n ta n dr a p i dr o a d w a ye x c a V a t i o n ． K e yw o r d s r a p i de x c a v a t i o n ；b o r e h o l et r a n s i e n te l e c t r o m a g n e t i cm e t h o d ；s t e r e oi m a g i n g ；K - m e a n sc l u s t e r i n g ；h o r i z o n t a l c o m p o n e n t ；i n v e I ．s i o n ；a d v a n c e dd e t e c t i o n 采掘失调是煤矿安全生产的重大隐患之一，而巷 道快速掘进是保障采掘平衡的重要手段⋯。煤矿井 下巷道掘进需要超前预报前方的水害隐患和地质构 造。据统计，近年来我国煤矿重特大事故总体呈下降 趋势，但重特大水灾事故起数和死亡人数在事故占比 中逐年增加，平均占比达1 8 ．0 5 ％，掘进工作面是煤 矿重特大水灾事故最易发生的突水地点，占比达 5 1 ．1 6 ％【2 | 。 目前，巷道快速掘进日进尺可达5 0m 以上，而矿 井地球物理超前探测的有效距离仅8 0 一1 0 0m ，探测 精度受井下复杂环境影响也较低，因此探掘接续紧张 与探测精度的矛盾，利用定向钻孔进行瞬变电磁探测 工作，可以在掘进前开展远距离、高精度的隐伏水害 超前预报，该方法的优势在于①发射回线在目标体 附近激发，能在防爆限制下最大限度激发煤层附近的 目标体；②孔中接收装置则既避开了巷道中的铁磁 性干扰，还能最大限度减少目标体2 次场因距离带来 的能量损耗；③通过对三分量数据的联合处理可最 大程度利用单钻孔实现电阻率立体成像，提升瞬变电 磁方法的解释精度，超前准确预报隐伏水体的位置 规模等空间分布信息；④一次性完成大于5 0 0m 前探测，通过开钻窝接续施工可以保障快速掘进过 矛盾已成为制约巷道掘进速度的最重要影响因素。中不必停工等待短距离物探超前探测工作。 为了解决煤矿井下掘进工作面前方的探测深度早在2 0 世纪7 0 年代，国外学者就已开展了利用 和超程 万方数据 5 8 煤炭 学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 钻孔瞬变电磁三分量探测信号解释孔旁地质异常的 研究，w O D s 等“ J 进行丫比例模型实验研究，总结 } 十{ 一套解释板体模型不同参数的特征关系曲 线，M A c N A E 等| 4J 阐述了导电背景中的井中响应符 号变化现象和特征，B U s E L L I 等“ 。模拟了导电覆盖 层下多个目标体的信号响应，K 0 z H E 、／N I K O V 等f 6 。 研究了钻孑L 套管对孔中瞬变电磁响应的影响。我国 学者自2 0 世纪8 0 年代引入地一井瞬变电磁装备后也 开展了相关研究，胡平和石中英。7 开展了基于自由 宅问的球体和板体的地一井瞬变电磁响应的理论计 算，对国外已报导的结果进行了补充，张杰。推导了 矩形回线在空间任意点处产生的一次场表达式，提出 二三分量数据矢量交汇技术，杨毅等。9o 提出基于导电 薄板等效涡流的异常反演方法。孟庆鑫等o - 通过大 地介质影响下的正演模拟确定1 广围岩背景场对于总 响应的影响结果，徐正玉等。。卜。’J 采用时域有限差分 法模拟研究了接触带埋深位置不同和接触面两侧电 阻率不同对信号的影响，杨海燕等。1 4 。研究了覆盖层 影响下板状体异常响应规律，武军杰等引定义了电 性源地一J } 瞬变电磁全域视电阻率，陈卫营等。1 “对电 性源在地下激发的6 个电磁场分量的扩散、分布特性 和探测能力进行r 分析研究。在隧／巷道内工作的钻 孔瞬变电磁方法近几年才被提出，相关研究资料较 少，国外只有V E L L A “l 曾将地一井瞬变电磁发射线 圈移到金属矿巷道中来探测含金块状黄铁矿体，国内 王世睿【㈨J 研究丫隧道1 0m 以内浅孔中的瞬变电磁 响应特征，提出利用移动掘进工作面上发射线框位置 来定性判断异常体方位的施丁技术，孙怀凤等㈠引通 过物理模拟试验证明了孔中瞬变电磁信号可用于判 断隧道掘进工作面前方是否存在异常构造，陈丁 等旧。通过在全空间一维背景上增加三维异常体的积 分方程数值模拟研究了煤矿巷道垂直孔中瞬变电磁 特性，范涛P 。。二H 研究了钻孑L 瞬变电磁的叠加超前探 测方法、径向探测数据的二维拟地震反演方法和短直 钻孔旁裂缝的伪立体成像方法。 综合以上参考文献呵知，水平分量的形态组合和 幅值差异对孔旁异常体位置敏感，结合垂直分越反演 成像结果可对孔旁异常进行立体解释。但是，根据水 平分量异常形态组合确定异常体所在象限需人工进 行识别和判断，效率较低，尤其当测点较多时，人工逐 点逐测道识别异常曲线形态更足不现实的工作。因 此，钻孔瞬变电磁法当前的立体解释还处于定性水 平，有必要引入机器学习中的聚类算法实现智能识别 水平分量异常形态。 聚类算法在地震勘探领域应用较多，刁桂苓 等口4 利用系统聚类对海城地震序列中的2 4 个震源 机制解进行了聚类分析，王伟涛和，F 宝善。2 川基于层 次聚类分析有效识别了汶川余震序列中的相似地震 以及露复地震，张岩等。26 。应用结构聚类字典学习有 效压制了地震数据随机噪声；在重磁资料的处理解释 中，张新兵等旧7 。提出r 一种基于改进K _ n ，e a n s 聚类 分析的重磁局部异常自动圈定方法，李斐等“基于 聚类分析结果来优化重力数据在不同区域的观测密 度，曹书锦等1 9 。引入自适应模糊聚类算法实现了准 确确定多异常源；而在电磁数据处理解释领域，在大 地电磁方法中聚类分析应用相对较多，杨生和杨彦 峰。3 ”将其用于大地电磁曲线分类中，有效克服地质 推断的多解性，李晋等【“。提出基于递归分析和聚类 的信噪比辨识及分离算法，改善了低频段的M T 数据 质量，黄颖等坨。使用K m e a n s 聚类对M T 三维反演 结果中的地质构造进行了识别和归类。 参考以J _ 二资料，笔者通过机器学习中的聚类算法 对大数据量水平分量异常响应曲线形态进行自动分 类，完成异常窄间角度定位，并建立其与反演深度的 映射关系，最终实现钻孔瞬变电磁立体成像解释。 1 孑L 旁异常体定位基本原理 1 ．1 不同象限异常体的水平分量特征 i 殳计如图l 所／J ；模型，发射线圈中心法线方向‘j _■_ ■■_ ■1 5 1 11 2l31 4 _l O 第3 象限-_ 筇4 象限 1 6 ■■．．异常■■ __ 1 ．．．_ _ 义 9 钻孔 一 __ 第2 象限第1 象限-_ 8 2 ■■■■■■_ ■■ ■●■_ ■_ ■●一● 76 v5 4 b 7 l i _ } 异常模剂三维示意 罔l 模型示意 F 酶】S 【h f l l “ 。 №g i ‘a m ““1 Pm o 1 e 万方数据 第2 期 范涛等基丁钻孔，l 、l 一M 钾能、 ．体成像盼『火速掘进超前探测方法 5 8 l 钻孔延伸方向 z 方向 一致，接收线圈中心法线方 向与x ，y ，z 正方向一致。规定x 分量‘jy 分{ I } i F 方 | i _ l J 之间区域为第l 象限，顺时依次定义为2 ，3 ，4 象 限，在z 5 0n 处，分别放置1 6 个规模为2 0n 2 0m 6 ，的水平长方异常体，蚌。带’体巾心点身【成的 0 0 O I O O l O O O 手一懈 oO 恕I 奄一1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 ／n 1 正方形边长为3 0m ，模型中煤层、巷道和异常体的电 阻率分别为l0 0 0 ，1 00 0 0 ，1 0Q - n 1 。采用文献[ 2 3 ] 中的办法提取水平分量异常后，绘制1 6 个长方体的 水平分量异常响应多测道网如图2 所示，l 矧中横坐 标『 为钻孑L 深度。 手 毛 ； 慧I 焉 O2 0 4 0 6 08 01 0 01 2 厅／m a 第3 象限水平分量异常响J 、t Ⅳ分量 0 0 0 1 0 0 1 0 0 ， 1 0 0 j 1 0 0 } o 兰 姝j 器 O2 0 4 0 6 08 01 0 0 1 2 0O2 04 6 0 8 l O O1 2 0 h } mh m c 第2 象限水{ i 分艟异常响l 、i O 1 0 0 1 0 0 O 1 0 0 厅／n 1 b 筇4 象限水 Ⅳ分量 h f m i 分鼍异常响应 y 分量 0 O2 04 06 08 01 0 01 2 002 0 4 0 6 0 8 01 0 01 2 0 h f mh ‰ d 第1 象限水、r 分景异常响应 图2 模J 训的水i l ‘分量异常响应 g ．2H 州z ”n i l l ‘o n 耶川P 1 1 ll ‘e 剐心Po f ‰，1 1 1 1 t l e l 一一v．A。；邪 万方数据 5 8 2 煤炭 学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 由图2 可知，以水平钻孑L 为参考系，所有水平分 量异常响应形态均为“正弦曲线”或“反向正弦曲线” 形态，且当异常中心与钻孑L 的连线与坐标轴夹角为 o 。时，与该坐标轴方向对应的水平分量的响应幅值达 到最小。两组水平分量形态组合与异常体所在象限 之问的关系如图3 所示。， 第3 象限第4 象限 Ⅳ正弦曲线形态x 反向l 【弦曲线彤碴 ，J I 弦曲线形态，，J f 弦曲线形态 絷2 象限 第1 象限 Ⅳ1 I 方I r 正弦曲线形态 Ⅳ反向正弦曲线形． r 反I 向l j 弦曲线形态 ，，反向正弦曲线形； y l F 方m 图3异常化于不同象限时水、F 分量响，、证形态 l 碡3H 州z I J l l l a l ‘ J 1 1 1 I o n e n l ㈣I 删1 s P 【‘⋯’v ei f l 洲b ‘e n l ∽l I r a l l l 1 ．2 异常体x Y 平面旋转角计算方法 钻孑L 瞬变电磁径向探测时，异常体，j I 起的二次场 足矢量场，那么山水平涡流场的宅问分布特征町知， 在钻孑L 中观测到| j j ；『个水平分骷y 、，y 、的矢量和y 。， 其方向一定是山钻孔指向异常体的等效涡流巾心L ， _ J ．I B 么只需要求出y ，、的力‘向，就知道异常体中心的具 体泞位n 如图4 所示，设y 、、与x 轴夹角为p ，则 幽肛尚2 志㈩ 其中，y 。y 、均为已知值，求反弦即得到 ⋯㈦i n 患 ㈩ K D 弋l j Ⅳ圪、■ ●_ ， 劁4蚌常偏转7 n 川i 蒽 卜1 i g ．4S 。h e m a t i ‘‘ I ；a g r a n l ’fa h n r l l l a l I e f l e ‘l i t 1 1a n g l P 、、i n 1 0 w 最后根据异常体所在象限，『1 J ‘由如下公式求f j j 对应 的x y 平面旋转角d ①异常体在第1 象限d p ；② 异常体在第2 象限d 可一臼；③异常体在第3 象限 仪 百 臼；④异常体在第4 象限d 2 丌一臼。 根据以上内容，可以看出，若将钻孔旁空间中任 意一点都视为一个小的地质异常体，理论上可以对任 意一点的电阻率进行李问定位，实现孔旁电性信息立 体成像。但疆然，水平分量异常场形态的确定工作量 很大，依靠人J 完成雄以保证效率，必须引入人工智 能算法实现曲线形态自动分类。 2 孔旁异常体智能立体成像方法 2 ．1水平分量异常曲线类型自动识别方法 欲对水乎分量异常场曲线进行自动分类，应以每 一个测点为插值窗f 1 中心，采用H 州m i t 插值求得所 有窗【J 对应的水平分量异7 带’场。插值窗口大小的选 择口r 根据垂随分量I f I 的主要异常Ⅸ统计平均值确定。 之后对提取⋯的异常数据进行正规化，将曲线横坐标 范围统一，然后对区问正规化后的所有异常数据进行 特征提取，提出数据小极值对应的正规化点号，最后 以极大值点垮为x 轴，极小值点号为y 轴，形成特征 值分布图 1 到5 。 E i g e n v a l u e s1 a 数值模拟数搀特7 E i g e n v a l u e sl b 实测数据特{ l I { 图5 特征值分斫j l i g ．5 I i s l l ‘i h L l t i t ，1 1 J fe i g P l l 、。a l L l e s 刚5 为l 组数值模拟数据和l 组实测数据的水 平分鲢异常场特征值分布，可以看出均具有明显的二 分类特性，与水平分量异常场的“正弦曲线”或“反向 正弦曲线”形态存在湿著相关性。基于该特性，无需 提前进行标签样本的监督训练，可直接选用无监督机 器学习算法对数据进行分类。 无监督机器学习常常被应用在数据挖掘领域，用 于红大量无标签数据中发现规律。。岜的训练数据足 万方数据 第2 期范涛等基丁钻孔| r l 圳智能●√小成像的快速掘进超前探测办法 兀标签的，训练日标是能射观察值进行分类或Ⅸ分 等。常用的无监督学习算法主要订主成分分析力‘法、 等距映射方法、局部线性嵌入方法、拉普拉斯特征映 射方法、黑塞局部线性嵌入力‘法、局部切窄间排列方 法和最常用的聚类方法。 聚类算法是指将一堆没有标签的数据自动划分 成几类的力1 法，这个方法要保证l d 一类的数据有相似 的特征。笔者选择K _ n e a t ，s 聚类算法，该算法足使 用最大期耀算法求解的高斯混合模型在正态分前i 的 协方差为单位矩阵，且隐变量的后验分布为一组狄拉 克6 函数时所得到的特例，它假没相同类别中数据之 问的距离应该都很近，即数据之问的相似度与它们之 问的欧式距离成反比。 需要将，z 个水平分靖纯异常数据{ 札} 聚为2 类， 令经过聚类之后每个数 f | I t } 所属的类别为㈠} ，而这2 个聚类的l | 1 心为{ 肛／I ，口J - 定义如下的损火l 瘴数L ，‘ L ∑∑ ．v ．一肛∥{ ，。 “ 3 ／ 】0 l 式巾，f 为聚类数f | 。， 实际计算时先随机i 殳置2 个质心把所有数据粗 略分成2 个初始类，计算所有数据与质心的欧式距 离，再根据、F 均值驻新计算质心干类别，埘以f 过程 反复迭代，汽至达到终止条件。终I } 二条什『可没置为簇 r { ，心点变化率仉，即 ．f ／_ _ 一1，．、 7 7 “2 “j ‘姿， 1 n L ／∑ 弋。一肛， j 0 4 将分类好的数据类别与“正弦曲线”或“反向止 弦曲线”形态进行对应，根据图3 就可以准确确定钻 孑L 瞬变电磁观测数据中任意测点f t 意测道反映的电 性信息所在的象限，再按照第1 ．2 节所述的异“j ’体 爿D y 平面旋转角计算方法，将每- 测点{ 摹一测道刘 应的电性信息视为异常体代入计3 ’，即叮狱取对J 、证的 x D y 平面旋转角度。 2 ．2 垂直分量一维反演深度与x D l ，平面旋转角的 映射 得到每一测，t j 工每一测道的x y 平嘶旋转角后， 就i 苦要求取相应的反演电性信息。笔者使用的钻孔 瞬变电磁l 作方法本质I 仍属于r ∽心回线装置类，掣， 其垂直分艟实测数据曲线形态与矿井瞬变电磁探测 数据曲线形态基本相同 图6 ，仪足因为发射线幽尺 寸‘j 匝数的原因而j 导致电感影响较大，冈此数据处理 方法r 叮参考矿井瞬变电磁，采用义献[ 3 3 ] 中的预处 理技术对I U 感影响进行校J L 对校I F 后的数据则一- J ‘应 用 t ㈡a n 反演、虚拟波场反演等力‘法。’”进行深度 和电阻率反演。 图6 矿井装辑1 j 钻孔装霞实测线对比 F i g ．6C J 1 1 1 I 洲i ㈨I 】o f ⅢP a s u r e J 【I J r v e sh w r e nln i l l Pt I P v j ‘t l a 1 1 Il l l e 1 1 1 P I P v i 【- e 似因为反演得到的地层层数一般远小j 二观测时 问道数，因此“J 垂直分甚反演得到的深度 钻孔探测 半径 ‘j 采样时问之f n J 并不存在一一刈 应关系，而计 算得到的x y 平面旋转角与采样时问一一划‘应，斟 此无法直接形成反演深度与x D ，，平面旋转角的映 射，限制了反演电阻率的立体化。 为解决这问题，首先引入瞬变电磁生产中经常 使用的荩于趋肤深度原
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