沉積地貌下礦山水文地質(zhì)條件探測(cè)方法研究

王 麗

（新疆地礦局第一區(qū)域地質(zhì)調(diào)查大隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830000）

中國作為一個(gè)以消耗礦產(chǎn)資源為主要能源使用方式的能源大國，在不可再生能源的生產(chǎn)和使用組成中，有色金屬所占巨大。伴隨礦山開釆面積的逐漸擴(kuò)大，隨之而來引發(fā)的一系列環(huán)境問題，具體表現(xiàn)在：礦山水文和生態(tài)環(huán)境遭遇嚴(yán)重破壞；淺層地下水和中間地下水過分疏干，地下水位嚴(yán)重降低，原本的地下水文生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)依然被破壞；地表出現(xiàn)大規(guī)模塌陷組成地表徑流和地下徑流均發(fā)生一定程度的變化，地表水和地下水之間的補(bǔ)給關(guān)系也隨之發(fā)生重大變化，導(dǎo)致微生態(tài)循環(huán)生態(tài)系統(tǒng)逐步發(fā)生惡化；土壤中的水分、鹽分均發(fā)生改變，植物生長環(huán)境被破壞，最終組成整個(gè)塌陷區(qū)域內(nèi)的水文地質(zhì)條件發(fā)生了根本性的扭轉(zhuǎn)[1]。同時(shí)由于礦山開采的實(shí)際數(shù)目和礦產(chǎn)質(zhì)量均對(duì)礦產(chǎn)資源的生產(chǎn)效率起到至關(guān)重要的作用。可是水文地質(zhì)災(zāi)害在相當(dāng)大程度上會(huì)導(dǎo)致地質(zhì)礦產(chǎn)勘探準(zhǔn)確性的失誤，妨礙礦產(chǎn)開發(fā)工作的正常作業(yè)?，F(xiàn)今沉積地貌作為復(fù)雜地貌的一種，開采環(huán)節(jié)的實(shí)施勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致水文地質(zhì)存在一系列問題，使得礦產(chǎn)資源的生產(chǎn)率保持在較低水平，所以在礦山地質(zhì)水文條件的探測(cè)過程中，必須應(yīng)用高精度的探測(cè)技術(shù)，對(duì)礦山開采過程中水文地質(zhì)條件進(jìn)行嚴(yán)格探測(cè)，以降低水文地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，推動(dòng)中國礦產(chǎn)資源生產(chǎn)的順利施工。

1 沉積地貌下礦山水文地質(zhì)條件探測(cè)方法

1.1 觀測(cè)孔點(diǎn)位布設(shè)

按照對(duì)礦山現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的勘察，對(duì)研究礦區(qū)的水文地質(zhì)進(jìn)行實(shí)際觀測(cè)孔的設(shè)置，沉積地貌下的礦區(qū)需要設(shè)置三個(gè)自動(dòng)的水文觀測(cè)孔，觀測(cè)孔的位置必須嚴(yán)格按照安全生產(chǎn)的要求進(jìn)行布防，分別布防在沉積區(qū)域、受沉積影響的過渡區(qū)域和不受沉積影響的區(qū)域。觀測(cè)孔裝置主要是由兩段或兩段以上的套管連接而成的一組長管，下方是由膨脹的橡膠圈組合而成的過濾管，上方裝置一組傳感器，并外有保護(hù)套，該傳感器能夠自動(dòng)識(shí)別并上傳觀測(cè)孔內(nèi)的具體水位，和礦區(qū)遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)互相連接，及時(shí)上傳水位信息，從而完成自動(dòng)化識(shí)別并檢測(cè)沉積地貌區(qū)的礦山地下水位[2]。作為沉積作用下“地下水位監(jiān)測(cè)的基準(zhǔn)值”的來源，觀測(cè)孔深度通常為負(fù)壓值，觀測(cè)層位統(tǒng)一定為地下第三系的第二含水層，在實(shí)際監(jiān)測(cè)中，觀測(cè)孔內(nèi)的水位一般會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其地層高度，包氣帶為呈現(xiàn)負(fù)壓值，這說明其上方的粘土層具備較為良好的隔水性，砂層一般不會(huì)和大氣相連，那么就可以視第三系第二含水層及其上方的粘土層為整個(gè)地下水系的承壓含水層。

一般情況下，每間隔10m就會(huì)設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，一共設(shè)置52個(gè)測(cè)點(diǎn)，每一個(gè)測(cè)點(diǎn)均對(duì)架子道前的發(fā)掘掘方向礦層、下45?方向底板以及上45?方向頂板進(jìn)行探測(cè)，各自實(shí)現(xiàn)了52個(gè)物理地點(diǎn)的實(shí)際探測(cè)，從而形成了3條測(cè)線，每一條測(cè)線的長度控制在500m左右(圖1)。通過后續(xù)數(shù)據(jù)的處理，結(jié)合當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)水文的有關(guān)資料，最后將物探異常轉(zhuǎn)變?yōu)榈刭|(zhì)異常，獲取礦區(qū)水文地質(zhì)狀況。

圖1 測(cè)線布置及探測(cè)方向示意圖

1.2 水文數(shù)據(jù)處理

采集到有關(guān)礦山水文數(shù)據(jù)之后，就可以進(jìn)一步對(duì)電阻率進(jìn)行計(jì)算和轉(zhuǎn)換，關(guān)于礦井中心回線空間電阻率的計(jì)算表達(dá)公式為：

式中，u 代表地下磁場(chǎng)的基本導(dǎo)向率；t代表具體探測(cè)的時(shí)間；S0代表發(fā)射線圈的表面積；I0電流大小；Hz(t )代表二次磁場(chǎng)的垂直取量。以上對(duì)礦井中心回線空間電阻率處理方式一般稱之為常規(guī)化的數(shù)據(jù)處理，在常規(guī)化數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上借助標(biāo)準(zhǔn)方差進(jìn)行下一步的計(jì)算分析，進(jìn)而提升對(duì)異常水文地質(zhì)條件的分辯能力。環(huán)節(jié)如下：

首先計(jì)算出數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)方差σ，其計(jì)算表達(dá)公式為：

式中，Cih代表監(jiān)測(cè)點(diǎn)i對(duì)應(yīng)同深度h下的數(shù)據(jù)；n代表實(shí)際測(cè)點(diǎn)的數(shù)目；Pih代表同深度下的磁度平均值。然之后對(duì)同深度下的數(shù)據(jù)Cih進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)方差的標(biāo)準(zhǔn)化處理后就能夠獲得，其計(jì)算公式為：

以數(shù)據(jù)替換Cih，最后借助科學(xué)解釋繪以備探測(cè)。

1.3 設(shè)定并計(jì)算RQD指數(shù)

利用RQD指數(shù)對(duì)本文提出的沉積地貌下礦山水文地質(zhì)條件探測(cè)方法和原始探測(cè)方法進(jìn)行比較和區(qū)分，RQD指數(shù)作為一種衡定巖體質(zhì)量的重要指標(biāo)，同時(shí)也是對(duì)巖體進(jìn)行分類和作出評(píng)價(jià)的重要衡量指標(biāo)，RQD指數(shù)表示的是以單位鉆孔長度中超過13cm巖體的巖芯所占比重[5]，劃分巖體質(zhì)量的具體標(biāo)準(zhǔn)參見下表。

表1 巖體質(zhì)量的具體標(biāo)準(zhǔn)

在對(duì)沉積地貌進(jìn)行礦山水文地質(zhì)條件的探測(cè)過程中，積極籌備深度探測(cè)工作才具備擴(kuò)大礦山資源儲(chǔ)存量的條件，為了確保礦山深度水文地質(zhì)條件探測(cè)工作的順利開展，必須逐步擴(kuò)大對(duì)沉積礦山的開采面積，同時(shí)采取先進(jìn)的探測(cè)技術(shù)，最大限度上降低生產(chǎn)成本，提高作業(yè)效率，RQD指數(shù)的計(jì)算公式參見如下：

通過以上公式能夠獲得礦區(qū)巖體的RQD指數(shù)，再聯(lián)系巖體的風(fēng)化度、腐蝕度加深對(duì)深部探測(cè)的理解。

1.4 探測(cè)數(shù)據(jù)解釋

在上述數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上建立一個(gè)坐標(biāo)圖，以零點(diǎn)為探測(cè)初始位置，橫坐標(biāo)代表測(cè)線的實(shí)際坐標(biāo)，也就是架子道的實(shí)際朝向，終點(diǎn)是探測(cè)結(jié)束的位置，縱坐標(biāo)代表探測(cè)深度下阻率值[3]；坐標(biāo)圖能夠生動(dòng)具體地表示出礦區(qū)地下不同巷道不同地段下電阻率的實(shí)際變動(dòng)狀況。通常情況下，石灰?guī)r、粉砂巖、粗砂巖的電阻率會(huì)依次變大，灰?guī)r電阻率更高；朝著地層方向巖性變動(dòng)方向改變的狀況比較少，具體表現(xiàn)就是電阻率的變動(dòng)幅度比較均勻平緩。如果探測(cè)區(qū)域不受含水區(qū)和導(dǎo)水結(jié)構(gòu)的影響，那么相應(yīng)地地質(zhì)電阻率就會(huì)呈現(xiàn)有序變化，電阻率等值線也會(huì)隨之穩(wěn)定，呈現(xiàn)層狀分布；當(dāng)探測(cè)區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)充水層裂隙、受斷裂切割造成破碎帶含有水分或出現(xiàn)水患時(shí)，電阻率就會(huì)大幅降低，等值線分布也會(huì)隨之扭曲、變形或呈密集狀分布[4]。由此可知，按照不同測(cè)線下的電阻率分布狀況、測(cè)區(qū)實(shí)際地質(zhì)水文資料以及鉆孔、斷裂以及礦層開采時(shí)的資料，推測(cè)探測(cè)區(qū)域是否出現(xiàn)異常含水體。

2 實(shí)驗(yàn)與效果分析

為了更加清楚、具體的看出本文提出的沉積地貌下礦山水文地質(zhì)條件探測(cè)方法的應(yīng)用效果，特與傳統(tǒng)的礦山水文地質(zhì)條件探測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比，對(duì)其RQD指數(shù)大小進(jìn)行比較。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

在礦區(qū)內(nèi)選擇同一個(gè)地點(diǎn)的沉積地貌水文地質(zhì)進(jìn)行探測(cè)，確保周遭生態(tài)環(huán)境保持一致，具體包括溫度恒定、氣候一致、風(fēng)向一致等，開展實(shí)驗(yàn)之前提前測(cè)量本區(qū)域礦區(qū)的地下水位，在地下水位不會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)操作產(chǎn)生影響的前提下進(jìn)行，在礦區(qū)內(nèi)選擇10個(gè)實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行鉆孔作業(yè)，分別使用傳統(tǒng)礦山水文地質(zhì)條件探測(cè)方法和本文設(shè)計(jì)礦山水文地質(zhì)條件探測(cè)方法鉆孔，鉆孔的深度必須相同，并且均選擇超過13cm的巖心對(duì)長度進(jìn)行重復(fù)疊加，比較兩種方法下的RQD指數(shù)。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)過程中，通過兩種不同的礦山水文地質(zhì)條件探測(cè)方法設(shè)計(jì)同時(shí)在相同環(huán)境中進(jìn)行工作，分析其RQD指數(shù)的變化。結(jié)果如表2所示。

表2 傳統(tǒng)探測(cè)技術(shù)和本文探測(cè)勘探技術(shù)RQD指數(shù)表

表2結(jié)果表明，采取不同的礦山水文地質(zhì)條件探測(cè)方法檢測(cè)出來的巖體質(zhì)量存在相當(dāng)大的差別，采取本文設(shè)計(jì)的礦山水文地質(zhì)條件探測(cè)方法下的巖體質(zhì)量顯然要比傳統(tǒng)的礦山水文地質(zhì)條件探測(cè)方法探測(cè)的巖體質(zhì)量要好，所以，本文以設(shè)計(jì)的礦山水文地質(zhì)條件探測(cè)方法對(duì)沉積地貌下的礦山水文地質(zhì)條件進(jìn)行探測(cè)工作具備比較高的實(shí)用價(jià)值。

3 結(jié)束語

本文對(duì)沉積地貌下礦山水文地質(zhì)條件探測(cè)方法進(jìn)行分析，依托沉積地貌特質(zhì)，根據(jù)礦山開采技術(shù)的發(fā)展以及水文地質(zhì)的一系列問題，對(duì)礦山水文地質(zhì)條件進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)本文設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)論證表明，本文設(shè)計(jì)的方法具備極高的有效性。希望本文的研究能夠?yàn)榈V山水文地質(zhì)條件的探測(cè)方法提供理論依據(jù)。