水文物探方法在測(cè)定地下水流速流向中的應(yīng)用

張玉良

摘 要：采用水文物探方法測(cè)定地下水流速流向，確定水文地質(zhì)參數(shù)，成倍地提高了工作效率和節(jié)約成本。文章根據(jù)沙章圖煤礦某檢查孔資料，系統(tǒng)介紹了水文物探的工作原理、技術(shù)方法，并對(duì)應(yīng)用效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞：水文物探；自然電位法；充電法；鹽化；地下水流向；流速

中圖分類號(hào)：X523 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）17-0160-03

Abstract： The method of hydro-geophysical exploration is used to determine the flow direction of groundwater velocity as well as the hydrogeological parameters， which improves the working efficiency and saves the cost. Based on the data of an inspection hole in Shazhangtu Coal Mine， this paper systematically introduces the working principle and technical method of hydro-geophysical exploration， and evaluates the application effect.

Keywords： hydrogeophysical exploration； natural potential method； charging method； salinization； groundwater flow； velocity of waterflow

1 概述

礦井水災(zāi)不僅影響正常生產(chǎn)，惡化工作環(huán)境，增加排水費(fèi)用，縮短儀器設(shè)備的使用壽命，也直接影響人身安全，造成煤礦資源財(cái)產(chǎn)損失甚至重大人員傷亡，給國(guó)家和人民生命財(cái)產(chǎn)造成不可估量的損失，做好礦井防水工作是保證礦井安全生產(chǎn)的重要內(nèi)容之一。因此查明地下水徑流分布規(guī)律尤為重要，運(yùn)用水文物探方法中的自然電位法和充電法解決地下水流速流向問(wèn)題是最有效、最經(jīng)濟(jì)的方法。

2 原理

2.1 自然電位法

當(dāng)?shù)叵滤芤涸谝欢ǖ臐B透壓力作用下，通過(guò)多孔巖石中的孔隙、裂隙時(shí)，由于巖石顆粒表面對(duì)地下水中的正、負(fù)離子具有選擇性的吸附作用，便出現(xiàn)了正、負(fù)離子分布不均衡，因而形成了巖石的自然極化。由于巖石顆粒表面吸附了負(fù)離子，使得在運(yùn)動(dòng)的地下水中集中了較多的正離子，形成了在水流方向?yàn)楦唠娢?，背水流方向?yàn)榈碗娢唬?即補(bǔ)給區(qū)為負(fù)，排泄地區(qū)為正，這種場(chǎng)是由于水被巖石顆粒過(guò)濾而產(chǎn)生的，故而稱為過(guò)濾電場(chǎng)，通過(guò)對(duì)地表過(guò)濾電場(chǎng)的研究探測(cè)地下水流向。

自然電位法是研究自然電場(chǎng)的分布規(guī)律來(lái)解決地質(zhì)問(wèn)題的一種探測(cè)方法。它無(wú)需供電，設(shè)備和工作方法簡(jiǎn)單，效率高而被廣泛應(yīng)用。

2.2 充電法

充電法是將食鹽（NaCl）作為指示劑投放在鉆孔中，由于食鹽在水中溶解，隨著水的流動(dòng)進(jìn)入含水層，在含水層中形成一個(gè)NaCl的電解質(zhì)低阻帶，此低阻帶在電場(chǎng)中呈一等電位體。初始時(shí)，低阻帶的中心與鉆孔中心一致，隨著地下水的流動(dòng)，低阻帶沿地下水的流動(dòng)方向擴(kuò)展較快，鹽水中心也向地下水流動(dòng)方向移動(dòng)。當(dāng)向鉆孔中地下水充電時(shí)，地表觀測(cè)的等電位線也隨時(shí)間向地下水流動(dòng)方向位移，形成一個(gè)沿地下水流動(dòng)方向的高濃度鹽水帶。根據(jù)此帶位移的方向和速度來(lái)確定地下水的流速和流向。實(shí)際的原理就是水在流動(dòng)帶動(dòng)食鹽的流動(dòng)，根據(jù)流動(dòng)的距離測(cè)定食鹽的流速。

充電法是利用地質(zhì)對(duì)象與圍巖間導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)，解決地質(zhì)問(wèn)題的一種探測(cè)方法。它需要供電，儀器設(shè)備不僅要有供電系統(tǒng)，還要有測(cè)量系統(tǒng)，其儀器設(shè)備與電阻率法相同。

3 應(yīng)用實(shí)例

筆者對(duì)沙章圖煤礦某井檢查孔使用自然電位法和充電法對(duì)地下水進(jìn)行流速流向探測(cè)。其目的是查明沙章圖煤礦某檢查孔第三、第四系松散層內(nèi)含水地層以及風(fēng)氧化帶內(nèi)地下水的流速流向。

3.1 地層物性特征

沙章圖煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂托克前旗境內(nèi)，沙章圖煤礦某井檢查孔位于鄂托克前旗約2公里處。根據(jù)以往地質(zhì)資料，第四系（Q）由風(fēng)積沙和粘土組成，平均厚度23.05M。下部由第三紀(jì)新近系（N2）紫紅色砂質(zhì)粘土組成，平均厚度200.86M。呈團(tuán)塊狀、膠結(jié)致密具塑性，是第四系良好的隔水層。新近系的底部由呈半膠結(jié)、較疏松的砂礫石巖組成，平均厚度14.92M，砂礫石層孔隙發(fā)育，滾圓度差，透水性好。與下伏地層呈不整合接觸。

從某檢孔實(shí)際揭露情況看，新近系以砂質(zhì)粘土為主，中下部有粗砂-細(xì)砂層。底部砂礫層厚11.10M，膠結(jié)致密，裂隙不發(fā)育。與下伏煤系地層呈不整合接觸。

3.2 野外工作方法

3.2.1 自然電位法

以鉆孔為中心，以45°等方位間隔布置測(cè)線，呈輻射狀分布，測(cè)線的方向用平面坐標(biāo)方位，用專用測(cè)量?jī)x器定出N、NE、E、SE、S、SW、W、NW方位。每條測(cè)線測(cè)量電極距要均等一致。采用電位觀測(cè)法進(jìn)行測(cè)量，將不極化電極M設(shè)置在測(cè)線的中點(diǎn)，另一個(gè)不極化電極N在事先布置好的測(cè)線上移動(dòng)，電極距30米，依次測(cè)量與不極化電M之間的自然電位差。

3.2.2 充電法

充電法測(cè)線布置與自然電位法相同。從鉆孔實(shí)際揭露情況，以及常規(guī)測(cè)井曲線上分析110～170M井段，以砂質(zhì)粘土為主，中下部發(fā)育含水砂層，新近系底部為砂礫層。故將供電電極A極置于鉆孔150M和210M處，將供電電極B極置于無(wú)窮遠(yuǎn)，B電極距鉆孔1500米， 以保證測(cè)區(qū)電場(chǎng)的均勻和減小接地電阻，增加供電電流強(qiáng)度。8根電極組以環(huán)形布極方式電極距5～10米。將測(cè)量電極N置于北西測(cè)線上，距離鉆孔10米。測(cè)量電極M在事先布置好的測(cè)線上移動(dòng)。鹽化前先測(cè)定一次正常的各測(cè)線方向的等電位點(diǎn)，鉆孔周圍介質(zhì)是均勻各項(xiàng)同性時(shí)，等位線近似為一個(gè)圓形。再將食鹽投入鉆孔中，記錄投鹽時(shí)間。按一定時(shí)間間隔，依次追蹤尋找與鹽化前N極等電位的點(diǎn)。記下時(shí)間和該點(diǎn)距中心點(diǎn)的距離。

3.3 資料處理與解釋成果

3.3.1 資料處理

自然電位法

觀測(cè)結(jié)果按公式計(jì)算出各測(cè)點(diǎn)的自然電位，用計(jì)算機(jī)繪圖軟件制圖，經(jīng)矢量合成轉(zhuǎn)換后，長(zhǎng)軸方向?yàn)榈叵滤飨颉?/p>

充電法

投鹽前進(jìn)行正常場(chǎng)測(cè)量，投鹽后測(cè)量便測(cè)得異常等位線，由于含鹽水溶液沿地下水流動(dòng)方向緩慢移動(dòng)，使等位線沿水流方向具有拉長(zhǎng)的形態(tài)，溶液移動(dòng)了L長(zhǎng)的距離，地下水的流速按下列公式求出：V=L/△t

從正常等位線的中心與異常等位線的中心的連線便可確定地下水的流向。

3.3.2 成果資料

（1）自然電位法（見表1）

（2）充電法（見表2）

3.3.3 結(jié)論

沙章圖煤礦某檢查孔自然電位法測(cè)定地下水流向：某井井筒檢查孔地下水流向?yàn)镾29°20'46"E～S36°30'25"E；充電法測(cè)定地下水流向、流速：沙章圖煤礦某井檢查孔150米以淺地下水流向?yàn)镾20°45'16"E～S22？15'25"E，流速為2.12米/天～2.48米/天；風(fēng)氧化帶210米水流向?yàn)镾19°20'05"E～S21°58'15"E，流速為2.37～2.47米/天。綜合分析確定：某井井筒檢查孔地下水流向?yàn)?；S19°20'05"E～S22°15'25"E。流速為2.12～2.48/天。

4 效果評(píng)價(jià)

利用水文物探方法測(cè)定地下水流速流向方法簡(jiǎn)單，效率高，是一種行之有效的物探方法。近年來(lái)，我們運(yùn)用水文物探方法在安徽、山東、內(nèi)蒙古等地區(qū)對(duì)多口井筒檢查孔進(jìn)行了流速流向測(cè)定，通過(guò)測(cè)定各含水層流速流向情況，能基本查清該地區(qū)地下水徑流分布規(guī)律，為礦井建設(shè)提供了科學(xué)依據(jù)。實(shí)踐證明，自然電位法和充電法配合運(yùn)用，相互佐證，大大提升了測(cè)量結(jié)果的可信度和準(zhǔn)確性，為煤礦建井提高可靠的水文地質(zhì)參數(shù)。

參考文獻(xiàn)：

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