沉積地貌下鋁土礦礦山水文地質條件探測方法研究

劉華南，陳 妍，朱傳凱

（1.河南豫礦金源礦業有限公司，河南 鄭州 450001；2.河南省地質礦產勘查開發局第二地質環境調查院，河南 鄭州 450053；3.河南省地質礦產勘查開發局第二地質環境調查院，河南 鄭州 450053）

沉積地貌是礦土礦礦區中常見的一種地貌形式，沉積物主要包括受到外力運動作用，通過流水、風、冰、湖水、地下水等各種搬運介質產生并堆積的物質，在一定的沉積作用下，逐漸形成完整的地貌結構。該礦山近東西向斜長6.0km，南北寬約0.3km～0.8km，地處低山丘陵地帶，地勢呈兩端高，中間低；海拔標高為550m～450m，相對高差100m。一般坡度為15°～25°，區內南北向沖溝發育，溝深15m～20m。礦區地貌成因類型屬侵蝕低山、剝蝕丘陵地貌，區內基巖出露面積占54%以上。地表第四系覆蓋厚度較大，分布在山間低洼處，根據鉆孔揭露一般0m～15m。

通過對此區域的水文地質條件進行探測，可以綜合評估該礦區的綜合水平，為日后礦山工程施工及防護方案的制定提供有利依據。而當前，傳統礦山工程勘查時，常常會忽略水文地質條件對工程潛在的威脅，當在復雜地質結構的礦山中進行作業時，如沒有良好的水文地質條件，則會對工程施工而言造成不可挽回的影響，因此本文針對沉積地貌下礦山水文地質條件進行探測方法設計研究，為礦山工程施工提供安全保障。

1 鋁土礦區地層巖性

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

2 礦區水文地質條件

該礦區位于登封市西南部，礦區南部和北部為中低山丘陵地帶，地形坡度大于20°。礦區內的寒武系白云質灰巖中及石炭系上統燧石灰巖均含巖溶地下水，是本礦區的主要含水層。石炭系下統的鐵質頁巖、石炭系上統中段砂巖、頁巖，二疊系頁巖、泥巖為礦區隔水層。

本礦區屬于含水層富水性中等，潛水位標高在380m 左右，開采礦體最低標高430m，礦層位于地下水位以上，礦井涌水主要來自于大氣降水，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，礦床水文地質勘查類型為三類二亞類二型，即水文地質條件簡單到中等類型。

3 沉積地貌下礦山水文地質條件探測方法設計

3.1 基于瞬變電磁法的礦山水文地質探測布設

由于在對礦山水文地質條件進行探測的過程中，探測巷道的空間十分有限，因此在進行基于瞬變電磁法的礦山水文地質探測布設時，應當選用尺寸較小的瞬變電磁法測量裝置。采用多匝小回線組合方式，完成對裝置線路的布設[1]。以此，可以保證增加裝置有效發射面積，并進一步擴大裝置產生的電流，因此發射磁矩進一步增加，從而提升信噪比，拓展探測的深度。常見的瞬變電磁法探測裝置包括重疊回線、中心回線以及偶極回線裝置，共三種。在具體探測布設過程中，應當根據礦山實際特點，對裝置進行選擇。

根據小回線發射電磁波過程中，其方向的特征，在礦山探測巷道當中設置多個點位上的探測位置，形成多方位探。通常情況下，線框平面的水平方向為沉積地貌下礦山水文地質條件探測的具體目標方向。因此，通過對線圈進行靈活調節，并將其與探測巷道之間形成良好的巷道底板夾角，可以有助于探測到沉積地貌當中范圍更廣的水文地質條件。通過探測工作面的頂板和底板，觀察在順槽結構中介質的電性變化情況。

3.2 高密度電阻率測量與計算

高密度電阻率測量與計算的主要目的是為了完成對沉積地貌下礦山水文地質條件數據的采集。將AMNB 裝置、ABMN 裝置以及AMBN 裝置按照一定標準進行組合，構成完成的高密度電阻率測量裝置。按照一定的布設距離，將測量裝置均勻分布在沉積地貌當中[2]。其具體的測量步驟為：

第一步，在布設測量線上，按照固定測量點距離m，將一系列電極進行布設。

第二步，將一系列電極通過電纜和主動采集裝置相互連接。提取裝置電極之間的距離n，將相距為n 的一組電極經過適當的轉換，連接到主機上方便后續觀測，再利用開關改變其裝置的類型。

第三步，依次完成測量點上各個裝置的視電阻率觀測，完成對沉積地貌下礦山水文地質高密度電阻率測量。

按照上述操作完成對一個觀測點的測量后，轉換開關，自動轉接到下一組電機當中，并按照上述相同高的方式完成對下一個觀測點的測量，直到將電機當中全部觀測點中的數據提取完畢，完成測量。為保證測量結果的準確性，還需要通過改變電極間距的方式，重復上述操作，直到全部不同電極間距之間的剖面均測量完畢為止。完成測量后，還需要通過如下公式進行計算，得出在沉積地貌下礦山水文地質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的具體高密度電阻率；C 表示為全空間響應系數；μ 表示為開關轉換系數；t 表示為高密度電阻率測量裝置的測量時間；S表示為發射線圈的總面積大小；s 表示為接收線圈的總面積大小；N 表示為發射線圈的總匝數；n 表示為接收線圈的總匝數；V/I 表示為通過測量裝置觀測到的歸一化二次場電位場值大小。通過上述操作及公式計算，完成對高密度電阻率測量與計算，為后續水文地質條件評價提供數據依據。

3.3 礦山水文地質條件評價

將上述瞬變電磁法和高密度電阻率數據，經過PICtoCODE 數據軟件處理、成圖后，生成相應的視電阻率斷面圖。圖像當中包含沉積地貌下礦山水文地質的具體深度信息和坐標數據，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。由于本文上述探測方法綜合利用了物探技術，并且均以沉積地貌中巖礦是的電性差異作為水文地質的基本構造。因此，在探測工作面上，通過得出的數據及圖像，對礦山水文地質條件進行評價。若得出的圖像中，砂巖結構致密完整，并且不含有水分，則說明該區域電性上表現出明顯的電阻率特征。若砂巖當中存在裂縫發育現象，并且含有一定量的水分，則說明該區域裂縫發育、斷層等結構周圍的電阻率與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育程度和含水量之間呈現出一定的正比例關系，即裂縫發育越明顯，含水量越多，電阻率越低。通過上述評價可為沉積地貌下礦山水文地質物理探測提供依據。

4 實驗論證分析

以某沉積地貌位置下方的礦山作為實驗對象，分別利用本文提出的沉積地貌下礦山水文地質條件探測方法與傳統探測方法對該礦山進行水文地質條件進行探測，以此比較兩種探測方法的實際應用效果[3]。實驗區域的工作面沿近走向布置，平均走向長度為1632.5m，傾向長度為201.84m，平均煤厚為4.28m。該礦區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構巖性為砂質泥巖，老頂巖性為細砂巖，直接底結構的巖性為泥巖和砂質泥巖。為保證實驗的客觀性，分別對兩種探測方法設置五次不同的探測實驗，分別利用兩種方法探測，對比兩種探測方法的探測深度，并將實驗結果繪制如表1 所示。

表1 兩種探測方法實驗結果對比表

根據表1 中的數據可以看出，五次探測，本文探測方法探測深度明顯大于傳統探測方法探測深度。同時，隨著探測次數的不斷增加，本文探測方法的探測技術更加熟練，能夠逐步對更深層次的水文地質條件進行探測，而傳統探測方法無法實現這一應用效果。因此，通過實驗證明，本文提出的沉積地貌下礦山水文地質條件探測方法能夠保證對礦山中深度更大的水文地質條件進行探測，并通過瞬變電磁法可以探測結果的準確性。

5 結束語

本文通過對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條件探測方法，并通過實驗證明，該方法在實際應用中的有效性。將本文方法推廣到更多礦山水文地質條件探測當中可以有效彌補空間條件上的不足，同時又可以通過瞬變電磁法和高密度電阻率測量得到的結果進行相互驗證，排除礦山內復雜條件對探測結果的影響。