沉積地貌下鋁土礦礦山水文地質(zhì)條件探測(cè)方法研究

劉華南，陳 妍，朱傳凱

（1.河南豫礦金源礦業(yè)有限公司，河南 鄭州 450001；2.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第二地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，河南 鄭州 450053；3.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第二地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，河南 鄭州 450053）

沉積地貌是礦土礦礦區(qū)中常見(jiàn)的一種地貌形式，沉積物主要包括受到外力運(yùn)動(dòng)作用，通過(guò)流水、風(fēng)、冰、湖水、地下水等各種搬運(yùn)介質(zhì)產(chǎn)生并堆積的物質(zhì)，在一定的沉積作用下，逐漸形成完整的地貌結(jié)構(gòu)。該礦山近東西向斜長(zhǎng)6.0km，南北寬約0.3km～0.8km，地處低山丘陵地帶，地勢(shì)呈兩端高，中間低；海拔標(biāo)高為550m～450m，相對(duì)高差100m。一般坡度為15°～25°，區(qū)內(nèi)南北向沖溝發(fā)育，溝深15m～20m。礦區(qū)地貌成因類型屬侵蝕低山、剝蝕丘陵地貌，區(qū)內(nèi)基巖出露面積占54%以上。地表第四系覆蓋厚度較大，分布在山間低洼處，根據(jù)鉆孔揭露一般0m～15m。

通過(guò)對(duì)此區(qū)域的水文地質(zhì)條件進(jìn)行探測(cè)，可以綜合評(píng)估該礦區(qū)的綜合水平，為日后礦山工程施工及防護(hù)方案的制定提供有利依據(jù)。而當(dāng)前，傳統(tǒng)礦山工程勘查時(shí)，常常會(huì)忽略水文地質(zhì)條件對(duì)工程潛在的威脅，當(dāng)在復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)的礦山中進(jìn)行作業(yè)時(shí)，如沒(méi)有良好的水文地質(zhì)條件，則會(huì)對(duì)工程施工而言造成不可挽回的影響，因此本文針對(duì)沉積地貌下礦山水文地質(zhì)條件進(jìn)行探測(cè)方法設(shè)計(jì)研究，為礦山工程施工提供安全保障。

1 鋁土礦區(qū)地層巖性

區(qū)內(nèi)出露地層由老至新依次為寒武系中統(tǒng)張夏組(∈2z)、寒武系上統(tǒng)崮山組(∈3g)，石炭系中統(tǒng)本溪組(C2b)、石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)，二疊系下統(tǒng)山西組(P1sh)、二疊系下統(tǒng)下石盒子組(P1x)、第四系(Q)等。鋁土礦層賦存于寒武系上統(tǒng)崮山組灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r沉積間斷面之上的石炭系中統(tǒng)本溪組(C2b)，沿走向和傾向斷續(xù)分布，在空間分布上具有成帶分布、分段富集的特點(diǎn)。地層產(chǎn)狀：傾向20°，傾角20°～33°，局部礦層底板傾角較陡，可達(dá)45°，總體產(chǎn)狀為一向北東傾斜的單斜構(gòu)造。

2 礦區(qū)水文地質(zhì)條件

該礦區(qū)位于登封市西南部，礦區(qū)南部和北部為中低山丘陵地帶，地形坡度大于20°。礦區(qū)內(nèi)的寒武系白云質(zhì)灰?guī)r中及石炭系上統(tǒng)燧石灰?guī)r均含巖溶地下水，是本礦區(qū)的主要含水層。石炭系下統(tǒng)的鐵質(zhì)頁(yè)巖、石炭系上統(tǒng)中段砂巖、頁(yè)巖，二疊系頁(yè)巖、泥巖為礦區(qū)隔水層。

本礦區(qū)屬于含水層富水性中等，潛水位標(biāo)高在380m 左右，開(kāi)采礦體最低標(biāo)高430m，礦層位于地下水位以上，礦井涌水主要來(lái)自于大氣降水，礦井涌水量為120m3/d 左右。礦床充水以巖溶裂隙水為主，綜合其它條件，礦床水文地質(zhì)勘查類型為三類二亞類二型，即水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單到中等類型。

3 沉積地貌下礦山水文地質(zhì)條件探測(cè)方法設(shè)計(jì)

3.1 基于瞬變電磁法的礦山水文地質(zhì)探測(cè)布設(shè)

由于在對(duì)礦山水文地質(zhì)條件進(jìn)行探測(cè)的過(guò)程中，探測(cè)巷道的空間十分有限，因此在進(jìn)行基于瞬變電磁法的礦山水文地質(zhì)探測(cè)布設(shè)時(shí)，應(yīng)當(dāng)選用尺寸較小的瞬變電磁法測(cè)量裝置。采用多匝小回線組合方式，完成對(duì)裝置線路的布設(shè)[1]。以此，可以保證增加裝置有效發(fā)射面積，并進(jìn)一步擴(kuò)大裝置產(chǎn)生的電流，因此發(fā)射磁矩進(jìn)一步增加，從而提升信噪比，拓展探測(cè)的深度。常見(jiàn)的瞬變電磁法探測(cè)裝置包括重疊回線、中心回線以及偶極回線裝置，共三種。在具體探測(cè)布設(shè)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)礦山實(shí)際特點(diǎn)，對(duì)裝置進(jìn)行選擇。

根據(jù)小回線發(fā)射電磁波過(guò)程中，其方向的特征，在礦山探測(cè)巷道當(dāng)中設(shè)置多個(gè)點(diǎn)位上的探測(cè)位置，形成多方位探。通常情況下，線框平面的水平方向?yàn)槌练e地貌下礦山水文地質(zhì)條件探測(cè)的具體目標(biāo)方向。因此，通過(guò)對(duì)線圈進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)，并將其與探測(cè)巷道之間形成良好的巷道底板夾角，可以有助于探測(cè)到沉積地貌當(dāng)中范圍更廣的水文地質(zhì)條件。通過(guò)探測(cè)工作面的頂板和底板，觀察在順槽結(jié)構(gòu)中介質(zhì)的電性變化情況。

3.2 高密度電阻率測(cè)量與計(jì)算

高密度電阻率測(cè)量與計(jì)算的主要目的是為了完成對(duì)沉積地貌下礦山水文地質(zhì)條件數(shù)據(jù)的采集。將AMNB 裝置、ABMN 裝置以及AMBN 裝置按照一定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行組合，構(gòu)成完成的高密度電阻率測(cè)量裝置。按照一定的布設(shè)距離，將測(cè)量裝置均勻分布在沉積地貌當(dāng)中[2]。其具體的測(cè)量步驟為：

第一步，在布設(shè)測(cè)量線上，按照固定測(cè)量點(diǎn)距離m，將一系列電極進(jìn)行布設(shè)。

第二步，將一系列電極通過(guò)電纜和主動(dòng)采集裝置相互連接。提取裝置電極之間的距離n，將相距為n 的一組電極經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換，連接到主機(jī)上方便后續(xù)觀測(cè)，再利用開(kāi)關(guān)改變其裝置的類型。

第三步，依次完成測(cè)量點(diǎn)上各個(gè)裝置的視電阻率觀測(cè)，完成對(duì)沉積地貌下礦山水文地質(zhì)高密度電阻率測(cè)量。

按照上述操作完成對(duì)一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的測(cè)量后，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，自動(dòng)轉(zhuǎn)接到下一組電機(jī)當(dāng)中，并按照上述相同高的方式完成對(duì)下一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的測(cè)量，直到將電機(jī)當(dāng)中全部觀測(cè)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)提取完畢，完成測(cè)量。為保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，還需要通過(guò)改變電極間距的方式，重復(fù)上述操作，直到全部不同電極間距之間的剖面均測(cè)量完畢為止。完成測(cè)量后，還需要通過(guò)如下公式進(jìn)行計(jì)算，得出在沉積地貌下礦山水文地質(zhì)的具體高密度電阻率：

公式（1）中，ρ 表示為沉積地貌下礦山水文地質(zhì)的具體高密度電阻率；C 表示為全空間響應(yīng)系數(shù)；μ 表示為開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換系數(shù)；t 表示為高密度電阻率測(cè)量裝置的測(cè)量時(shí)間；S表示為發(fā)射線圈的總面積大?。籹 表示為接收線圈的總面積大?。籒 表示為發(fā)射線圈的總匝數(shù)；n 表示為接收線圈的總匝數(shù)；V/I 表示為通過(guò)測(cè)量裝置觀測(cè)到的歸一化二次場(chǎng)電位場(chǎng)值大小。通過(guò)上述操作及公式計(jì)算，完成對(duì)高密度電阻率測(cè)量與計(jì)算，為后續(xù)水文地質(zhì)條件評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

3.3 礦山水文地質(zhì)條件評(píng)價(jià)

將上述瞬變電磁法和高密度電阻率數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)PICtoCODE 數(shù)據(jù)軟件處理、成圖后，生成相應(yīng)的視電阻率斷面圖。圖像當(dāng)中包含沉積地貌下礦山水文地質(zhì)的具體深度信息和坐標(biāo)數(shù)據(jù)，以及視電阻率色譜圖。視電阻率斷面圖中顏色越深，表示其視電阻率越大。由于本文上述探測(cè)方法綜合利用了物探技術(shù)，并且均以沉積地貌中巖礦是的電性差異作為水文地質(zhì)的基本構(gòu)造。因此，在探測(cè)工作面上，通過(guò)得出的數(shù)據(jù)及圖像，對(duì)礦山水文地質(zhì)條件進(jìn)行評(píng)價(jià)。若得出的圖像中，砂巖結(jié)構(gòu)致密完整，并且不含有水分，則說(shuō)明該區(qū)域電性上表現(xiàn)出明顯的電阻率特征。若砂巖當(dāng)中存在裂縫發(fā)育現(xiàn)象，并且含有一定量的水分，則說(shuō)明該區(qū)域裂縫發(fā)育、斷層等結(jié)構(gòu)周?chē)碾娮杪逝c正常砂巖地層的電阻率相比明顯降低，并且降低的程度與裂縫的發(fā)育程度和含水量之間呈現(xiàn)出一定的正比例關(guān)系，即裂縫發(fā)育越明顯，含水量越多，電阻率越低。通過(guò)上述評(píng)價(jià)可為沉積地貌下礦山水文地質(zhì)物理探測(cè)提供依據(jù)。

4 實(shí)驗(yàn)論證分析

以某沉積地貌位置下方的礦山作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，分別利用本文提出的沉積地貌下礦山水文地質(zhì)條件探測(cè)方法與傳統(tǒng)探測(cè)方法對(duì)該礦山進(jìn)行水文地質(zhì)條件進(jìn)行探測(cè)，以此比較兩種探測(cè)方法的實(shí)際應(yīng)用效果[3]。實(shí)驗(yàn)區(qū)域的工作面沿近走向布置，平均走向長(zhǎng)度為1632.5m，傾向長(zhǎng)度為201.84m，平均煤厚為4.28m。該礦區(qū)局部由于受到滑斷層的影響，煤層明顯變薄，甚至消失。工作面上的直接頂結(jié)構(gòu)巖性為砂質(zhì)泥巖，老頂巖性為細(xì)砂巖，直接底結(jié)構(gòu)的巖性為泥巖和砂質(zhì)泥巖。為保證實(shí)驗(yàn)的客觀性，分別對(duì)兩種探測(cè)方法設(shè)置五次不同的探測(cè)實(shí)驗(yàn)，分別利用兩種方法探測(cè)，對(duì)比兩種探測(cè)方法的探測(cè)深度，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制如表1 所示。

表1 兩種探測(cè)方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表

根據(jù)表1 中的數(shù)據(jù)可以看出，五次探測(cè)，本文探測(cè)方法探測(cè)深度明顯大于傳統(tǒng)探測(cè)方法探測(cè)深度。同時(shí)，隨著探測(cè)次數(shù)的不斷增加，本文探測(cè)方法的探測(cè)技術(shù)更加熟練，能夠逐步對(duì)更深層次的水文地質(zhì)條件進(jìn)行探測(cè)，而傳統(tǒng)探測(cè)方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)這一應(yīng)用效果。因此，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，本文提出的沉積地貌下礦山水文地質(zhì)條件探測(cè)方法能夠保證對(duì)礦山中深度更大的水文地質(zhì)條件進(jìn)行探測(cè)，并通過(guò)瞬變電磁法可以探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)瞬變電磁法的綜合利用，提出一種全新的沉積地貌下礦山水文地質(zhì)條件探測(cè)方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，該方法在實(shí)際應(yīng)用中的有效性。將本文方法推廣到更多礦山水文地質(zhì)條件探測(cè)當(dāng)中可以有效彌補(bǔ)空間條件上的不足，同時(shí)又可以通過(guò)瞬變電磁法和高密度電阻率測(cè)量得到的結(jié)果進(jìn)行相互驗(yàn)證，排除礦山內(nèi)復(fù)雜條件對(duì)探測(cè)結(jié)果的影響。