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摘 要：为了研究基于诱导极化（IP）方法的断层地质结构的先进检测技术和敏感性，并分析煤矿巷道开挖面前方断层地质结构的危害性。本文建立结构的简化物理模型，并将模型转换为等效电路以方便研究，然后构造断层地质结构的IP模型。将IP模型与地质异常质量模拟检测模型相连接，得到IP模式下视电阻率和视频率的变化曲线。所得曲线表明，模拟检测结果与IP模型规定的电学参数吻合。因此，验证了电学方法检测的基本思想，这将为基于IP的煤（岩）IP效应的发展提供可行的前提。
关键词：地质构造;异常体;IP模型
1 绪论
矿山掘进工作面的主要有害地质结构包括水域、塌方和断层。这些微小的隐伏地质异常在矿山的宏观地质调查中几乎找不到定位。因此在行驶过程中必须进行先进的检测和处理。矿井事故中绝大多数发生在巷道掘进期间[13]。通过调查，由于赶工期限和完成任务，高级检测过程始终被忽略。另外，当前的高级检测方法复杂且假阳性和阴性率高。因此，找到一种有效合适的煤矿隧道超前探测方法，准确及时预测巷道前缘隐蔽的有害地质构造，提高掘进生产效率，具有重要意义。目前，除钻探方法外，最常用的检测方法是基于介质电参数的差异。因此，发明有效的先进探测设备来分析有害地质构造特征，建立IP模型，研究IP作用下的电学参数（表观电阻率和频率效应百分率PFE）是有益的。这种类型的结构形式称为断层，其特征和范围各不相同。较小的故障对采矿工作没有影响，但是较大的故障可能会影响掘进生产安全。因此，断层是一种地质现象，必须在高级探测过程中才能发现。文中以陕西某矿掘进工作面为工程背景，采用基于介质电参数的差异的方法对地质构造异常体进行探测，现场应用取得显著效果。
2 综合探测技术及物理模型
2.1 综合探测技术
目前应用的探测技术主要有超声波探测技术、高密度电法勘探、瞬变电磁法勘探。超声波探测技术是依据探测区域内煤岩体弹性差异，采用人工方式激发地震波，从接收的反射波来判定地质异常体位置、大小。高密度电法勘探中电流激发以球形向四周扩散，根据电流线变化来推测前方地质异常体。瞬变电磁法勘探是通过对二次场的测量得到不同深度的地质特征。
2.2 断层地质构造的物理模型
断层地质构造的物理模型如图1左所示。掘进工作面前部发生裂缝，导致煤层上方的岩石破裂。如果我们不改变前进方向并继续进行镗孔，则镗床会切碎岩石，这会损坏机床。断层结构通常与其他地质灾害有关。如果我们没有提前发现故障并采取必要的安全措施，则会导致安全隐患。
3 综合物探现场应用
3.1 断层地质构造物理模型的等效电路
为了建立故障的IP模型，我们将图1中的简化物理模型转换为相应的电气模型，并完成其等效电路的设计。根据一些常见的矿物、岩石和水的表观电阻率值[45]进行简化物理模型的建立。
断层是由整个岩石破裂形成的，通过研究可以得到岩石的表观电阻率值大于煤的表观电阻率值。根据电阻率差异，设计了断层地质构造物理模型的等效电路，如图1所示。两个并联的RC电路分别代表煤层和断层。可以根据下式获得检测区域内的等效电阻值。
根据查询到的一些常见的矿物、岩石和水的表观电阻率值，我们选择煤的表观电阻率为1200Ω·m，断层为2800Ω·m。考虑到煤巷的一般规模为3.5×4m，因此，我们选择25m2的检测区域。同时，根据常用的IP模型，我们通过将电容连接到电路中来模拟IP效果[6]。为了观察探测过程中电参数的变化，使用两个相同的电容建立断层地质结构物理模型的等效电路（图1）。两个可控开关S1和S2用于控制两个RC电路。当使用双频激励电流来激励电路模型时，两个控制信号D1和D2控制两个可控开关S1和S2，以使RC回路进行接入检测电路的开关。
3.2 断层地质构造的Simulink IP模型
基于断层地质构造物理模型的等效电路，我们使用Simulink建立断层地质构造的IP模型，如图1右所示。并联电路系统由两个RC电路组成，分别代表“煤”和“故障”。并行电路通过接口1和2接入传输模块。刺激电场的电压和电流值可以部分通过电流表模块和电压表模块测量。
电路的两个电压值相同，并通过输出电压输入到接收模块。两个RC回路的电流值由两个检流计测量，并通过可控制的开关S1进入接收模块，用于计算。脉冲发生器生成周期为100秒，占空比为45%的脉冲信号，以控制Simulik模型。它可以控制Simulik模型以煤层的顺序加入电路，每隔100秒就将故障引入检测电路。因此，我们可以模拟断层地质构造的地质变化。
Simulink IP模型仿真和断层地质结构检测结果分析通过将Simulink IP断层地质结构模型（图2A）与预先建立的Simulink IP有害地质结构模型（图2B）结合起来，论文集模拟时间为100秒，信号接收模块中的检测面积为S=25m2，检测深度为L=50m。运行仿真程序时，信號生成模块将向IP模块发射双频激励电流。信号接收模块可以根据电流和电压的实时接收值来计算参数，并获得高频和低频的视在电阻率和PFE值的曲线。
我们对断层地质结构的电阻率进行了分析，我们得到了高，低频的视电阻率曲线，并对断层地质结构Simulink模拟模型的结果进行了分析和解释。从分析结果可以看出来，断层地质结构Simulink仿真模型的高低电阻值随输出电阻值的不同而变化。两条曲线的趋势基本相同，低频电阻值略高于高频。
由于Simulink模拟检测模型中存在有害地质结构的过滤器（图2B），并且过滤器具有过渡过程，因此它们需要一些时间才能稳定下来。稳定后，高频和低频视在电阻率在100秒内随模拟检测模型的不同电阻变化。检测结果是根据煤的顺序依次变化的—断层。结果与断层地质构造的Simulink模型设置相同（图2B）。 对分析的结果进行了处理，得到的结果表明，与故障Simulink IP模型中设置的表观电阻率值相比，低频表观电阻率的结果明显更高，但高频表观电阻率的结果略有下降。因为在低频电流下IP效应更加明显。极化表观电阻率值包含在测量值中。在高频电流下，IP效应非常弱。与电容器连接时，由内部电阻产生的测量值低于设置值。
断层地质结构的PFE值分析开挖面前方的地质结构变化不仅通过视电阻率的差异反映出来，而且可以通过PFE（频率效应百分比）值反映出来，定义为：
通过计算与检测，我们发现断层地质构造Simulink模拟模型的PFE曲线与Simulink模型的高频和低频电阻率输出PFE曲线相比，当电阻率增加时，PFE值降低。因此，根据PFE的变化，我们还可以确定断层地质构造的位置，如果存在断层地质构造，则高频视电阻率和低频视电阻率将从低到高变化。
4 结论
有效的提前检测是确保人员和设备安全的必要手段之一，电学检测是基于不同成分的介质变化的电学参数的特征。我们可以通过分析其电参数的变化规律来发明电检测仪器，以反映培养基成分的变化。表观电阻率是检测仪器分析和判断地质异常的变化的电参数。PFE（百分比频率效应）是我们通过使用介质的IP属性进行地质检测的参数。分析了藏在煤层中的断层的危害性，建立了这种地质构造的简化物理模型。根据断层的特征和表观电阻率，将物理模型转换为等效电路，易于研究。故障的Simulink IP模型也已构建，我们将Simulink IP模型访问Simulink模拟检测模型，并观察IP模式下断层地质结构的视电阻率和PFE值的变化。检测结果的表观电阻率基本与建立模型时指定的值相符。PFE的變化规律符合电法检测的基本思想，这为煤（岩）IP效应的发展提供了可行的前提。
参考文献：
[1]马生勇.无线电波透视技术在采煤工作面地质构造探测中的应用[J].自动化应用，2019（10）：111112.
[2]胡泽安.煤层工作面透射地震波场特征及其三维成像研究淮南：安徽理工大学，2019.
[3]田树伟，姚春艳，崔伟雄.槽波地震探测技术在玉华煤矿开采中的应用[J].能源技术与管理，2018，43（3）：151152.
[4]Julin Zhao，Binyi Xue and Jun Feng.Geophysical and Geochemical Exploration Vol.33 No.1（2009），p.46 In China.
[5]Zhenghao Zhang.Mine water disaster prevention and control technology （China coal industry） publishing house，2010.
[6]Jinming Li.Induced polarization method technology guide（China geosciences）publishing house，2004.
关键词：地质构造;异常体;IP模型
1 绪论
矿山掘进工作面的主要有害地质结构包括水域、塌方和断层。这些微小的隐伏地质异常在矿山的宏观地质调查中几乎找不到定位。因此在行驶过程中必须进行先进的检测和处理。矿井事故中绝大多数发生在巷道掘进期间[13]。通过调查，由于赶工期限和完成任务，高级检测过程始终被忽略。另外，当前的高级检测方法复杂且假阳性和阴性率高。因此，找到一种有效合适的煤矿隧道超前探测方法，准确及时预测巷道前缘隐蔽的有害地质构造，提高掘进生产效率，具有重要意义。目前，除钻探方法外，最常用的检测方法是基于介质电参数的差异。因此，发明有效的先进探测设备来分析有害地质构造特征，建立IP模型，研究IP作用下的电学参数（表观电阻率和频率效应百分率PFE）是有益的。这种类型的结构形式称为断层，其特征和范围各不相同。较小的故障对采矿工作没有影响，但是较大的故障可能会影响掘进生产安全。因此，断层是一种地质现象，必须在高级探测过程中才能发现。文中以陕西某矿掘进工作面为工程背景，采用基于介质电参数的差异的方法对地质构造异常体进行探测，现场应用取得显著效果。
2 综合探测技术及物理模型
2.1 综合探测技术
目前应用的探测技术主要有超声波探测技术、高密度电法勘探、瞬变电磁法勘探。超声波探测技术是依据探测区域内煤岩体弹性差异，采用人工方式激发地震波，从接收的反射波来判定地质异常体位置、大小。高密度电法勘探中电流激发以球形向四周扩散，根据电流线变化来推测前方地质异常体。瞬变电磁法勘探是通过对二次场的测量得到不同深度的地质特征。
2.2 断层地质构造的物理模型
断层地质构造的物理模型如图1左所示。掘进工作面前部发生裂缝，导致煤层上方的岩石破裂。如果我们不改变前进方向并继续进行镗孔，则镗床会切碎岩石，这会损坏机床。断层结构通常与其他地质灾害有关。如果我们没有提前发现故障并采取必要的安全措施，则会导致安全隐患。
3 综合物探现场应用
3.1 断层地质构造物理模型的等效电路
为了建立故障的IP模型，我们将图1中的简化物理模型转换为相应的电气模型，并完成其等效电路的设计。根据一些常见的矿物、岩石和水的表观电阻率值[45]进行简化物理模型的建立。
断层是由整个岩石破裂形成的，通过研究可以得到岩石的表观电阻率值大于煤的表观电阻率值。根据电阻率差异，设计了断层地质构造物理模型的等效电路，如图1所示。两个并联的RC电路分别代表煤层和断层。可以根据下式获得检测区域内的等效电阻值。
根据查询到的一些常见的矿物、岩石和水的表观电阻率值，我们选择煤的表观电阻率为1200Ω·m，断层为2800Ω·m。考虑到煤巷的一般规模为3.5×4m，因此，我们选择25m2的检测区域。同时，根据常用的IP模型，我们通过将电容连接到电路中来模拟IP效果[6]。为了观察探测过程中电参数的变化，使用两个相同的电容建立断层地质结构物理模型的等效电路（图1）。两个可控开关S1和S2用于控制两个RC电路。当使用双频激励电流来激励电路模型时，两个控制信号D1和D2控制两个可控开关S1和S2，以使RC回路进行接入检测电路的开关。
3.2 断层地质构造的Simulink IP模型
基于断层地质构造物理模型的等效电路，我们使用Simulink建立断层地质构造的IP模型，如图1右所示。并联电路系统由两个RC电路组成，分别代表“煤”和“故障”。并行电路通过接口1和2接入传输模块。刺激电场的电压和电流值可以部分通过电流表模块和电压表模块测量。
电路的两个电压值相同，并通过输出电压输入到接收模块。两个RC回路的电流值由两个检流计测量，并通过可控制的开关S1进入接收模块，用于计算。脉冲发生器生成周期为100秒，占空比为45%的脉冲信号，以控制Simulik模型。它可以控制Simulik模型以煤层的顺序加入电路，每隔100秒就将故障引入检测电路。因此，我们可以模拟断层地质构造的地质变化。
Simulink IP模型仿真和断层地质结构检测结果分析通过将Simulink IP断层地质结构模型（图2A）与预先建立的Simulink IP有害地质结构模型（图2B）结合起来，论文集模拟时间为100秒，信号接收模块中的检测面积为S=25m2，检测深度为L=50m。运行仿真程序时，信號生成模块将向IP模块发射双频激励电流。信号接收模块可以根据电流和电压的实时接收值来计算参数，并获得高频和低频的视在电阻率和PFE值的曲线。
我们对断层地质结构的电阻率进行了分析，我们得到了高，低频的视电阻率曲线，并对断层地质结构Simulink模拟模型的结果进行了分析和解释。从分析结果可以看出来，断层地质结构Simulink仿真模型的高低电阻值随输出电阻值的不同而变化。两条曲线的趋势基本相同，低频电阻值略高于高频。
由于Simulink模拟检测模型中存在有害地质结构的过滤器（图2B），并且过滤器具有过渡过程，因此它们需要一些时间才能稳定下来。稳定后，高频和低频视在电阻率在100秒内随模拟检测模型的不同电阻变化。检测结果是根据煤的顺序依次变化的—断层。结果与断层地质构造的Simulink模型设置相同（图2B）。 对分析的结果进行了处理，得到的结果表明，与故障Simulink IP模型中设置的表观电阻率值相比，低频表观电阻率的结果明显更高，但高频表观电阻率的结果略有下降。因为在低频电流下IP效应更加明显。极化表观电阻率值包含在测量值中。在高频电流下，IP效应非常弱。与电容器连接时，由内部电阻产生的测量值低于设置值。
断层地质结构的PFE值分析开挖面前方的地质结构变化不仅通过视电阻率的差异反映出来，而且可以通过PFE（频率效应百分比）值反映出来，定义为：
通过计算与检测，我们发现断层地质构造Simulink模拟模型的PFE曲线与Simulink模型的高频和低频电阻率输出PFE曲线相比，当电阻率增加时，PFE值降低。因此，根据PFE的变化，我们还可以确定断层地质构造的位置，如果存在断层地质构造，则高频视电阻率和低频视电阻率将从低到高变化。
4 结论
有效的提前检测是确保人员和设备安全的必要手段之一，电学检测是基于不同成分的介质变化的电学参数的特征。我们可以通过分析其电参数的变化规律来发明电检测仪器，以反映培养基成分的变化。表观电阻率是检测仪器分析和判断地质异常的变化的电参数。PFE（百分比频率效应）是我们通过使用介质的IP属性进行地质检测的参数。分析了藏在煤层中的断层的危害性，建立了这种地质构造的简化物理模型。根据断层的特征和表观电阻率，将物理模型转换为等效电路，易于研究。故障的Simulink IP模型也已构建，我们将Simulink IP模型访问Simulink模拟检测模型，并观察IP模式下断层地质结构的视电阻率和PFE值的变化。检测结果的表观电阻率基本与建立模型时指定的值相符。PFE的變化规律符合电法检测的基本思想，这为煤（岩）IP效应的发展提供了可行的前提。
参考文献：
[1]马生勇.无线电波透视技术在采煤工作面地质构造探测中的应用[J].自动化应用，2019（10）：111112.
[2]胡泽安.煤层工作面透射地震波场特征及其三维成像研究淮南：安徽理工大学，2019.
[3]田树伟，姚春艳，崔伟雄.槽波地震探测技术在玉华煤矿开采中的应用[J].能源技术与管理，2018，43（3）：151152.
[4]Julin Zhao，Binyi Xue and Jun Feng.Geophysical and Geochemical Exploration Vol.33 No.1（2009），p.46 In China.
[5]Zhenghao Zhang.Mine water disaster prevention and control technology （China coal industry） publishing house，2010.
[6]Jinming Li.Induced polarization method technology guide（China geosciences）publishing house，2004.