沉積地貌下礦山水文地質(zhì)條件探測方法研究

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]。同時由于礦山開采的實(shí)際數(shù)目和礦產(chǎn)質(zhì)量均對礦產(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)。現(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)施勢必會導(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)水文條件的探測過程中，必須應(yīng)用高精度的探測技術(shù)，對礦山開采過程中水文地質(zhì)條件進(jìn)行嚴(yán)格探測，以降低水文地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，推動中國礦產(chǎn)資源生產(chǎn)的順利施工。

1 沉積地貌下礦山水文地質(zhì)條件探測方法

1.1 觀測孔點(diǎn)位布設(shè)

按照對礦山現(xiàn)場環(huán)境的勘察，對研究礦區(qū)的水文地質(zhì)進(jìn)行實(shí)際觀測孔的設(shè)置，沉積地貌下的礦區(qū)需要設(shè)置三個自動的水文觀測孔，觀測孔的位置必須嚴(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，該傳感器能夠自動識別并上傳觀測孔內(nèi)的具體水位，和礦區(qū)遙測網(wǎng)絡(luò)互相連接，及時上傳水位信息，從而完成自動化識別并檢測沉積地貌區(qū)的礦山地下水位[2]。作為沉積作用下“地下水位監(jiān)測的基準(zhǔn)值”的來源，觀測孔深度通常為負(fù)壓值，觀測層位統(tǒng)一定為地下第三系的第二含水層，在實(shí)際監(jiān)測中，觀測孔內(nèi)的水位一般會遠(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地下水系的承壓含水層。

一般情況下，每間隔10m就會設(shè)置一個測點(diǎn)，一共設(shè)置52個測點(diǎn)，每一個測點(diǎn)均對架子道前的發(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，各自實(shí)現(xiàn)了52個物理地點(diǎn)的實(shí)際探測，從而形成了3條測線，每一條測線的長度控制在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 測線布置及探測方向示意圖

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 代表地下磁場的基本導(dǎo)向率；t代表具體探測的時間；S0代表發(fā)射線圈的表面積；I0電流大小；Hz(t )代表二次磁場的垂直取量。以上對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)測點(diǎn)i對應(yīng)同深度h下的數(shù)據(jù)；n代表實(shí)際測點(diǎn)的數(shù)目；Pih代表同深度下的磁度平均值。然之后對同深度下的數(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。

1.3 設(shè)定并計(jì)算RQD指數(shù)

利用RQD指數(shù)對本文提出的沉積地貌下礦山水文地質(zhì)條件探測方法和原始探測方法進(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)，同時也是對巖體進(jìn)行分類和作出評價的重要衡量指標(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)

在對沉積地貌進(jìn)行礦山水文地質(zhì)條件的探測過程中，積極籌備深度探測工作才具備擴(kuò)大礦山資源儲存量的條件，為了確保礦山深度水文地質(zhì)條件探測工作的順利開展，必須逐步擴(kuò)大對沉積礦山的開采面積，同時采取先進(jìn)的探測技術(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、腐蝕度加深對深部探測的理解。

1.4 探測數(shù)據(jù)解釋

在上述數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上建立一個坐標(biāo)圖，以零點(diǎn)為探測初始位置，橫坐標(biāo)代表測線的實(shí)際坐標(biāo)，也就是架子道的實(shí)際朝向，終點(diǎn)是探測結(jié)束的位置，縱坐標(biāo)代表探測深度下阻率值[3]；坐標(biāo)圖能夠生動具體地表示出礦區(qū)地下不同巷道不同地段下電阻率的實(shí)際變動狀況。通常情況下，石灰?guī)r、粉砂巖、粗砂巖的電阻率會依次變大，灰?guī)r電阻率更高；朝著地層方向巖性變動方向改變的狀況比較少，具體表現(xiàn)就是電阻率的變動幅度比較均勻平緩。如果探測區(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)電阻率就會呈現(xiàn)有序變化，電阻率等值線也會隨之穩(wěn)定，呈現(xiàn)層狀分布；當(dāng)探測區(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，電阻率就會大幅降低，等值線分布也會隨之扭曲、變形或呈密集狀分布[4]。由此可知，按照不同測線下的電阻率分布狀況、測區(qū)實(shí)際地質(zhì)水文資料以及鉆孔、斷裂以及礦層開采時的資料，推測探測區(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)條件探測方法進(jìn)行對比，對其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)選擇同一個地點(diǎn)的沉積地貌水文地質(zhì)進(jìn)行探測，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)之前提前測量本區(qū)域礦區(qū)的地下水位，在地下水位不會對實(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)條件探測方法和本文設(shè)計(jì)礦山水文地質(zhì)條件探測方法鉆孔，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)條件探測方法設(shè)計(jì)同時在相同環(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)探測技術(shù)和本文探測勘探技術(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)條件探測方法檢測出來的巖體質(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)條件探測方法探測的巖體質(zhì)量要好，所以，本文以設(shè)計(jì)的礦山水文地質(zhì)條件探測方法對沉積地貌下的礦山水文地質(zhì)條件進(jìn)行探測工作具備比較高的實(shí)用價值。

3 結(jié)束語

本文對沉積地貌下礦山水文地質(zhì)條件探測方法進(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)條件的探測方法提供理論依據(jù)。