煤礦井下地質(zhì)構(gòu)造異常體的探測研究

趙彬

摘?要：為了研究基于誘導(dǎo)極化（IP）方法的斷層地質(zhì)結(jié)構(gòu)的先進(jìn)檢測技術(shù)和敏感性，并分析煤礦巷道開挖面前方斷層地質(zhì)結(jié)構(gòu)的危害性。本文建立結(jié)構(gòu)的簡化物理模型，并將模型轉(zhuǎn)換為等效電路以方便研究，然后構(gòu)造斷層地質(zhì)結(jié)構(gòu)的IP模型。將IP模型與地質(zhì)異常質(zhì)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(jié)果與IP模型規(guī)定的電學(xué)參數(shù)吻合。因此，驗(yàn)證了電學(xué)方法檢測的基本思想，這將為基于IP的煤（巖）IP效應(yīng)的發(fā)展提供可行的前提。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)構(gòu)造;異常體;IP模型

1?緒論

礦山掘進(jìn)工作面的主要有害地質(zhì)結(jié)構(gòu)包括水域、塌方和斷層。這些微小的隱伏地質(zhì)異常在礦山的宏觀地質(zhì)調(diào)查中幾乎找不到定位。因此在行駛過程中必須進(jìn)行先進(jìn)的檢測和處理。礦井事故中絕大多數(shù)發(fā)生在巷道掘進(jìn)期間[13]。通過調(diào)查，由于趕工期限和完成任務(wù)，高級檢測過程始終被忽略。另外，當(dāng)前的高級檢測方法復(fù)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(zhǔn)確及時(shí)預(yù)測巷道前緣隱蔽的有害地質(zhì)構(gòu)造，提高掘進(jìn)生產(chǎn)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(zhì)電參數(shù)的差異。因此，發(fā)明有效的先進(jìn)探測設(shè)備來分析有害地質(zhì)構(gòu)造特征，建立IP模型，研究IP作用下的電學(xué)參數(shù)（表觀電阻率和頻率效應(yīng)百分率PFE）是有益的。這種類型的結(jié)構(gòu)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(huì)影響掘進(jìn)生產(chǎn)安全。因此，斷層是一種地質(zhì)現(xiàn)象，必須在高級探測過程中才能發(fā)現(xiàn)。文中以陜西某礦掘進(jìn)工作面為工程背景，采用基于介質(zhì)電參數(shù)的差異的方法對地質(zhì)構(gòu)造異常體進(jìn)行探測，現(xiàn)場應(yīng)用取得顯著效果。

2?綜合探測技術(shù)及物理模型

2.1?綜合探測技術(shù)

目前應(yīng)用的探測技術(shù)主要有超聲波探測技術(shù)、高密度電法勘探、瞬變電磁法勘探。超聲波探測技術(shù)是依據(jù)探測區(qū)域內(nèi)煤巖體彈性差異，采用人工方式激發(fā)地震波，從接收的反射波來判定地質(zhì)異常體位置、大小。高密度電法勘探中電流激發(fā)以球形向四周擴(kuò)散，根據(jù)電流線變化來推測前方地質(zhì)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(zhì)特征。

2.2?斷層地質(zhì)構(gòu)造的物理模型

斷層地質(zhì)構(gòu)造的物理模型如圖1左所示。掘進(jìn)工作面前部發(fā)生裂縫，導(dǎo)致煤層上方的巖石破裂。如果我們不改變前進(jìn)方向并繼續(xù)進(jìn)行鏜孔，則鏜床會(huì)切碎巖石，這會(huì)損壞機(jī)床。斷層結(jié)構(gòu)通常與其他地質(zhì)災(zāi)害有關(guān)。如果我們沒有提前發(fā)現(xiàn)故障并采取必要的安全措施，則會(huì)導(dǎo)致安全隱患。

3?綜合物探現(xiàn)場應(yīng)用

3.1?斷層地質(zhì)構(gòu)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(zhuǎn)換為相應(yīng)的電氣模型，并完成其等效電路的設(shè)計(jì)。根據(jù)一些常見的礦物、巖石和水的表觀電阻率值[45]進(jìn)行簡化物理模型的建立。

斷層是由整個(gè)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(jù)電阻率差異，設(shè)計(jì)了斷層地質(zhì)構(gòu)造物理模型的等效電路，如圖1所示。兩個(gè)并聯(lián)的RC電路分別代表煤層和斷層。可以根據(jù)下式獲得檢測區(qū)域內(nèi)的等效電阻值。

根據(jù)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(guī)模為3.5×4m，因此，我們選擇25m2的檢測區(qū)域。同時(shí)，根據(jù)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(shù)的變化，使用兩個(gè)相同的電容建立斷層地質(zhì)結(jié)構(gòu)物理模型的等效電路（圖1）。兩個(gè)可控開關(guān)S1和S2用于控制兩個(gè)RC電路。當(dāng)使用雙頻激勵(lì)電流來激勵(lì)電路模型時(shí)，兩個(gè)控制信號D1和D2控制兩個(gè)可控開關(guān)S1和S2，以使RC回路進(jìn)行接入檢測電路的開關(guān)。

3.2?斷層地質(zhì)構(gòu)造的Simulink?IP模型

基于斷層地質(zhì)構(gòu)造物理模型的等效電路，我們使用Simulink建立斷層地質(zhì)構(gòu)造的IP模型，如圖1右所示。并聯(lián)電路系統(tǒng)由兩個(gè)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(gè)電壓值相同，并通過輸出電壓輸入到接收模塊。兩個(gè)RC回路的電流值由兩個(gè)檢流計(jì)測量，并通過可控制的開關(guān)S1進(jìn)入接收模塊，用于計(jì)算。脈沖發(fā)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(zhì)構(gòu)造的地質(zhì)變化。

Simulink?IP模型仿真和斷層地質(zhì)結(jié)構(gòu)檢測結(jié)果分析通過將Simulink?IP斷層地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型（圖2A）與預(yù)先建立的Simulink?IP有害地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型（圖2B）結(jié)合起來，論文集模擬時(shí)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(yùn)行仿真程序時(shí)，信號生成模塊將向IP模塊發(fā)射雙頻激勵(lì)電流。信號接收模塊可以根據(jù)電流和電壓的實(shí)時(shí)接收值來計(jì)算參數(shù)，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(zhì)結(jié)構(gòu)的電阻率進(jìn)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(zhì)結(jié)構(gòu)Simulink模擬模型的結(jié)果進(jìn)行了分析和解釋。從分析結(jié)果可以看出來，斷層地質(zhì)結(jié)構(gòu)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(zhì)結(jié)構(gòu)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(shí)間才能穩(wěn)定下來。穩(wěn)定后，高頻和低頻視在電阻率在100秒內(nèi)隨模擬檢測模型的不同電阻變化。檢測結(jié)果是根據(jù)煤的順序依次變化的—斷層。結(jié)果與斷層地質(zhì)構(gòu)造的Simulink模型設(shè)置相同（圖2B）。