基于物探磁法的礦山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測研究

（甘肅省地礦局第二地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，甘肅 蘭州 730000）

由于礦山的地質(zhì)變化情況越來越難以掌握，礦山地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的特征呈現(xiàn)出多樣性以及復(fù)雜化的趨勢[1，2]。針對礦山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測是有效預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害的重要手段，而礦山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測系統(tǒng)成為了有關(guān)部門的調(diào)研重點(diǎn)。在我國，針對礦山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測系統(tǒng)的研究中，盡管研究起步較早，在實(shí)際應(yīng)用中存在預(yù)測精度低的問題，導(dǎo)致研究普遍存在局限性，很難在真正意義上實(shí)現(xiàn)礦山地質(zhì)災(zāi)害精準(zhǔn)預(yù)測[3]。物探磁法的出現(xiàn)恰好解決了出現(xiàn)的問題，物探磁法具備一定的空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)表現(xiàn)能力，主要在計(jì)算機(jī)設(shè)備與良好運(yùn)營環(huán)境的支撐下，采集相關(guān)磁性數(shù)據(jù)，并根據(jù)磁異常的表達(dá)特征對其實(shí)施有序的數(shù)據(jù)管理、運(yùn)算、分類等功能。目前，物探磁法已經(jīng)廣泛應(yīng)用到各個領(lǐng)域中，尤其是在地質(zhì)勘探中占據(jù)首要位置。因此，本文進(jìn)行基于物探磁法的礦山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測研究，并通過分析其在實(shí)際當(dāng)中的應(yīng)用情況，證明應(yīng)用的有效性。通過將物探磁法應(yīng)用在礦山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測方法設(shè)計(jì)部分，致力于為礦山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測方法的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供更加廣闊的發(fā)展空間。

1 物探磁法

物探磁法指的是以礦石中的磁性特征為基礎(chǔ)，分析磁性特征之間的具體差異。物探磁法作為一種地球物理勘探方法，能夠通過地磁場變化特征判別礦石的特征。根據(jù)物探磁法的特性，只要是針對地下含有磁性礦物的各種巖石以及其他磁性物體，都可以通過物探磁法測量出具有不同的剩余磁性以及感應(yīng)磁性。這些剩余磁性以及感應(yīng)磁性很容易造成程度不同的磁場異常，疊加在正常的地磁場上。通過物探磁法使用儀器對剩余磁性以及感應(yīng)磁性進(jìn)行測量，能夠有效獲得地面磁異常的特征情況，從而勘查礦石地質(zhì)信息，致力于實(shí)現(xiàn)地質(zhì)勘查的目的。根據(jù)物探磁法對勘查相對均方誤差的要求，勘查相對均方誤差不能超過0.8，否則就會被視為無效勘查[2]。物探磁法主要用于對弱磁性礦物的勘查以及隱伏磁性體在地表產(chǎn)生的弱磁異常研究等工作，適用于勘查、找礦、預(yù)測等多領(lǐng)域中。

2 基于物探磁法的礦山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測方法

基于物探磁法的礦山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測方法整體流程，如圖1所示。

圖1 礦山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測方法流程圖

結(jié)合圖1所示，下文針對圖中3步主要流程進(jìn)行詳細(xì)研究。

2.1 物探磁法劃分礦山地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)分區(qū)單元網(wǎng)格

本文利用物探磁法，劃分地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)分區(qū)單元網(wǎng)格。根據(jù)物探磁法的基本應(yīng)用原理，將每個單元面積為設(shè)置為1km×2 km×3km×3km。使用儀器對網(wǎng)格中的磁性物體進(jìn)行物探，基于物探磁法查明礦山地磁場變化特征，將地磁場變化特征以矩形陣勢進(jìn)行排列。設(shè)排列后的地磁場變化特征矩形陣記為(X,Y)，則其計(jì)算公式，如公式（1）所示。

在公式（1）中，n指的是基于物探磁法測量得到的地磁場變化信息特征值；i指的是地磁場變化信息維數(shù)；h指的是預(yù)測時刻；a指的是實(shí)際地質(zhì)橫坐標(biāo)；b指的是實(shí)際地質(zhì)縱坐標(biāo)。通過公式（1）得到排列后的地磁場變化矩形陣，進(jìn)行單元格重組劃分，設(shè)置變量系數(shù)，提取礦山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測數(shù)據(jù)，地磁場變量系數(shù)越高證明礦山地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的幾率也就越高。本次劃分礦山地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)分區(qū)單元網(wǎng)格必須遵循以下三點(diǎn)原則：第一點(diǎn)是平面網(wǎng)格系統(tǒng)劃分采用國際上認(rèn)可度高的角點(diǎn)網(wǎng)格系統(tǒng)；第二點(diǎn)為平面網(wǎng)格系統(tǒng)劃方向與主模擬層斷層方向保持一致；第三點(diǎn)為表層模型中儲層平面非均值性差異，保證兩口鉆井相隔之間至少有三個空點(diǎn)網(wǎng)格[3]。以此為標(biāo)準(zhǔn)，映射礦山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測數(shù)據(jù)到礦山地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)分區(qū)單元網(wǎng)格中，為下文計(jì)算礦山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測映射誤差提供依據(jù)。

2.2 計(jì)算礦山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測映射誤差

由于礦山地質(zhì)災(zāi)害不確定因素大的特點(diǎn)，在映射礦山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測數(shù)據(jù)的過程中，必然會產(chǎn)生映射誤差[4]。為確保礦山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測映射誤差能夠通過修正系數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，且過程中不會出現(xiàn)權(quán)重比例失調(diào)的情況出現(xiàn)。將礦山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測映射誤差設(shè)為MSE，可得MSE的計(jì)算公式，如公式（2）所示。

在公式（2）中，r指的是礦山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測映射態(tài)勢值；D指的是礦山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測特征維數(shù)。剔除計(jì)算得出的映射誤差，提高礦山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測映射精度。

2.3 預(yù)測礦山地質(zhì)災(zāi)害

將剔除映射誤差后的礦山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測數(shù)據(jù)按變量權(quán)重大小與礦山地質(zhì)圖像信息進(jìn)行集合，實(shí)現(xiàn)礦山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測的數(shù)據(jù)疊加[5]。以數(shù)據(jù)為依托，構(gòu)建礦山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測方程式為，則其計(jì)算公式，如公式（3）所示。

在公式（3）中，γ指的是預(yù)測經(jīng)驗(yàn)概率系數(shù)，可依賴于地理坐標(biāo)。通過公式（3），得出礦山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測結(jié)果，實(shí)現(xiàn)礦山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測方法的預(yù)測功能。

3 實(shí)例分析

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

選取某礦山地質(zhì)作為實(shí)驗(yàn)對象，根據(jù)礦山實(shí)際地質(zhì)情況，采樣點(diǎn)數(shù)為28600，背景噪聲為30dB。設(shè)置預(yù)測的時間間隔為5min，本次實(shí)驗(yàn)在Matlab軟件平臺上進(jìn)行，針對本文提出的預(yù)測方法與傳統(tǒng)預(yù)測方法均采用相同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境以及設(shè)備參數(shù)，該實(shí)驗(yàn)平臺在系統(tǒng)內(nèi)存為IntelCore6-280 64GB，操作系統(tǒng)為Windows2020.VS2018CPU，內(nèi)置X2500中央處理器的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行。在礦山中選取坐標(biāo)不同的4個勘查點(diǎn)位，按照上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境，預(yù)測礦山地質(zhì)災(zāi)害。設(shè)置本文設(shè)計(jì)預(yù)測方法為實(shí)驗(yàn)組，傳統(tǒng)預(yù)測方法為對照組。使用Matlab軟件將礦山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為預(yù)測峰值，峰值越高證明該預(yù)測方法的預(yù)測精度也就越高，從而對比兩種預(yù)測方法在實(shí)際應(yīng)用中的性能。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過兩種預(yù)測方法的預(yù)測實(shí)踐，得到預(yù)測峰值對比結(jié)果，如下圖所示。

圖2 預(yù)測峰值對比圖

通過圖2可得出如下的結(jié)論：本文設(shè)計(jì)的預(yù)測方法預(yù)測峰值最高可達(dá)180.52gal，實(shí)驗(yàn)對照組最高僅為121.45gal，設(shè)計(jì)的預(yù)測方法峰值更高，可以實(shí)現(xiàn)對礦山地質(zhì)災(zāi)害的精準(zhǔn)預(yù)測。

4 結(jié)束語

通過以上研究證明，物探磁法在礦山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測應(yīng)用中的具體優(yōu)勢已經(jīng)顯現(xiàn)出來?；谖锾酱欧ǖ牡V山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測方法是針對礦山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測最實(shí)用以及最可靠的手段。設(shè)計(jì)的預(yù)測方法不但能夠完成傳統(tǒng)的預(yù)測方法所不能完成的任務(wù)，還能夠?yàn)榈V山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測提供方法。希望本文設(shè)計(jì)的預(yù)測方法，能夠指導(dǎo)礦山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測工作更好的開展，為保證礦山安全，提供方法支持。