煤礦井下地質構造異常體的探測研究

趙彬

摘?要：為了研究基于誘導極化（IP）方法的斷層地質結構的先進檢測技術和敏感性，并分析煤礦巷道開挖面前方斷層地質結構的危害性。本文建立結構的簡化物理模型，并將模型轉換為等效電路以方便研究，然后構造斷層地質結構的IP模型。將IP模型與地質異常質量模擬檢測模型相連接，得到IP模式下視電阻率和視頻率的變化曲線。所得曲線表明，模擬檢測結果與IP模型規定的電學參數吻合。因此，驗證了電學方法檢測的基本思想，這將為基于IP的煤（巖）IP效應的發展提供可行的前提。

關鍵詞：地質構造;異常體;IP模型

1?緒論

礦山掘進工作面的主要有害地質結構包括水域、塌方和斷層。這些微小的隱伏地質異常在礦山的宏觀地質調查中幾乎找不到定位。因此在行駛過程中必須進行先進的檢測和處理。礦井事故中絕大多數發生在巷道掘進期間[13]。通過調查，由于趕工期限和完成任務，高級檢測過程始終被忽略。另外，當前的高級檢測方法復雜且假陽性和陰性率高。因此，找到一種有效合適的煤礦隧道超前探測方法，準確及時預測巷道前緣隱蔽的有害地質構造，提高掘進生產效率，具有重要意義。目前，除鉆探方法外，最常用的檢測方法是基于介質電參數的差異。因此，發明有效的先進探測設備來分析有害地質構造特征，建立IP模型，研究IP作用下的電學參數（表觀電阻率和頻率效應百分率PFE）是有益的。這種類型的結構形式稱為斷層，其特征和范圍各不相同。較小的故障對采礦工作沒有影響，但是較大的故障可能會影響掘進生產安全。因此，斷層是一種地質現象，必須在高級探測過程中才能發現。文中以陜西某礦掘進工作面為工程背景，采用基于介質電參數的差異的方法對地質構造異常體進行探測，現場應用取得顯著效果。

2?綜合探測技術及物理模型

2.1?綜合探測技術

目前應用的探測技術主要有超聲波探測技術、高密度電法勘探、瞬變電磁法勘探。超聲波探測技術是依據探測區域內煤巖體彈性差異，采用人工方式激發地震波，從接收的反射波來判定地質異常體位置、大小。高密度電法勘探中電流激發以球形向四周擴散，根據電流線變化來推測前方地質異常體。瞬變電磁法勘探是通過對二次場的測量得到不同深度的地質特征。

2.2?斷層地質構造的物理模型

斷層地質構造的物理模型如圖1左所示。掘進工作面前部發生裂縫，導致煤層上方的巖石破裂。如果我們不改變前進方向并繼續進行鏜孔，則鏜床會切碎巖石，這會損壞機床。斷層結構通常與其他地質災害有關。如果我們沒有提前發現故障并采取必要的安全措施，則會導致安全隱患。

3?綜合物探現場應用

3.1?斷層地質構造物理模型的等效電路

為了建立故障的IP模型，我們將圖1中的簡化物理模型轉換為相應的電氣模型，并完成其等效電路的設計。根據一些常見的礦物、巖石和水的表觀電阻率值[45]進行簡化物理模型的建立。

斷層是由整個巖石破裂形成的，通過研究可以得到巖石的表觀電阻率值大于煤的表觀電阻率值。根據電阻率差異，設計了斷層地質構造物理模型的等效電路，如圖1所示。兩個并聯的RC電路分別代表煤層和斷層。可以根據下式獲得檢測區域內的等效電阻值。

根據查詢到的一些常見的礦物、巖石和水的表觀電阻率值，我們選擇煤的表觀電阻率為1200Ω·m，斷層為2800Ω·m。考慮到煤巷的一般規模為3.5×4m，因此，我們選擇25m2的檢測區域。同時，根據常用的IP模型，我們通過將電容連接到電路中來模擬IP效果[6]。為了觀察探測過程中電參數的變化，使用兩個相同的電容建立斷層地質結構物理模型的等效電路（圖1）。兩個可控開關S1和S2用于控制兩個RC電路。當使用雙頻激勵電流來激勵電路模型時，兩個控制信號D1和D2控制兩個可控開關S1和S2，以使RC回路進行接入檢測電路的開關。

3.2?斷層地質構造的Simulink?IP模型

基于斷層地質構造物理模型的等效電路，我們使用Simulink建立斷層地質構造的IP模型，如圖1右所示。并聯電路系統由兩個RC電路組成，分別代表“煤”和“故障”。并行電路通過接口1和2接入傳輸模塊。刺激電場的電壓和電流值可以部分通過電流表模塊和電壓表模塊測量。

電路的兩個電壓值相同，并通過輸出電壓輸入到接收模塊。兩個RC回路的電流值由兩個檢流計測量，并通過可控制的開關S1進入接收模塊，用于計算。脈沖發生器生成周期為100秒，占空比為45%的脈沖信號，以控制Simulik模型。它可以控制Simulik模型以煤層的順序加入電路，每隔100秒就將故障引入檢測電路。因此，我們可以模擬斷層地質構造的地質變化。

Simulink?IP模型仿真和斷層地質結構檢測結果分析通過將Simulink?IP斷層地質結構模型（圖2A）與預先建立的Simulink?IP有害地質結構模型（圖2B）結合起來，論文集模擬時間為100秒，信號接收模塊中的檢測面積為S=25m2，檢測深度為L=50m。運行仿真程序時，信號生成模塊將向IP模塊發射雙頻激勵電流。信號接收模塊可以根據電流和電壓的實時接收值來計算參數，并獲得高頻和低頻的視在電阻率和PFE值的曲線。

我們對斷層地質結構的電阻率進行了分析，我們得到了高，低頻的視電阻率曲線，并對斷層地質結構Simulink模擬模型的結果進行了分析和解釋。從分析結果可以看出來，斷層地質結構Simulink仿真模型的高低電阻值隨輸出電阻值的不同而變化。兩條曲線的趨勢基本相同，低頻電阻值略高于高頻。

由于Simulink模擬檢測模型中存在有害地質結構的過濾器（圖2B），并且過濾器具有過渡過程，因此它們需要一些時間才能穩定下來。穩定后，高頻和低頻視在電阻率在100秒內隨模擬檢測模型的不同電阻變化。檢測結果是根據煤的順序依次變化的—斷層。結果與斷層地質構造的Simulink模型設置相同（圖2B）。