利用水文物探方法測(cè)定地下水流速流向

王超　盧超

在具體的煤礦作業(yè)中，地下水對(duì)于煤礦作業(yè)的影響是非常大的，因?yàn)榈叵滤?jīng)常會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)料的事故。在這些水害中，許多礦井工人失去了他們年輕的生命，并且讓許多美滿的家庭都支離破碎了。在事故發(fā)生之后的挽救遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及在事故發(fā)生之前做好相應(yīng)的預(yù)防工作來得重要。本文主要探討的是利用水文物探方法測(cè)量地下水流速的主要方法和原理，然后對(duì)于他的具體的應(yīng)用進(jìn)行相應(yīng)的講述。

煤礦是大自然賜予我們的寶貴財(cái)富，這些資源對(duì)人們的日常生活非常的重要，但是在日常生活中，由于工業(yè)的發(fā)展等一系列的情況導(dǎo)致了煤等礦的高速消耗，所以各地的煤礦開始加大開采的密度，加深開采的深度。在煤礦的越深處的煤，開采的難度越大，受地下水的影響越大，地下水的離子濃度和流向，流速都會(huì)對(duì)煤礦的開采工作造成很大的影響。

水文物探方法的簡(jiǎn)介

方法原理：在所有的水文物探方法中，在日常的水流，流速和流向的測(cè)量中運(yùn)用最廣泛的是自然電位法和充電法。這兩種方法適用的范圍廣，操作較為方便，測(cè)量?jī)山Y(jié)果較為準(zhǔn)確。

自然電位法。自然電位法主要利用的是地下水存在的離子來測(cè)量相關(guān)的地下水的數(shù)據(jù)。在地下水流動(dòng)的過程中，會(huì)通過很多的巖石結(jié)構(gòu)。這些巖石結(jié)構(gòu)由于各種原因會(huì)產(chǎn)生巖石中的小洞等不同的巖層破裂。在這些缺口中，會(huì)產(chǎn)生很多的顆粒，而這些微小的顆粒對(duì)于水中的離子會(huì)產(chǎn)生吸附的作用，從而使這些離子發(fā)生了一系列的變化。由于離子的正負(fù)離子產(chǎn)生了變化，所以在相應(yīng)的位置形成了一個(gè)天然的電場(chǎng)。而電場(chǎng)是可以通過一定的方法進(jìn)行收集和測(cè)量的，所以相關(guān)的電信號(hào)可以被收集起來，然后通過一些技術(shù)手段來測(cè)量地下水的流向。從而對(duì)地下水有進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。

充電法。當(dāng)?shù)叵峦诰蚬ぷ魃钊氲胶畬訒r(shí)，我們可以通過這個(gè)孔來做一些相關(guān)的操作。在孔中加入食鹽，由于食鹽（NaCl）的特殊性質(zhì)，在水中溶解，隨著水的流動(dòng)進(jìn)入含水層，在含水層中會(huì)形成一個(gè)氯化鈉電解質(zhì)低阻帶，此低阻帶在電場(chǎng)中呈一等電位體。通過對(duì)含水層中電解質(zhì)低阻帶在電場(chǎng)中產(chǎn)生的等電位線隨時(shí)間的位移而位移的具體情況，來對(duì)地下水的流向和流速做相關(guān)的研究。具體的原理就是水在流動(dòng)帶動(dòng)著食鹽的流動(dòng)，根據(jù)流動(dòng)的距離可以測(cè)算出食鹽的速度。

工作布置與資料采集

在具體的實(shí)際測(cè)量中，我們還要對(duì)具體的工作進(jìn)行相關(guān)的準(zhǔn)備。磨刀不誤砍柴工，做好相應(yīng)的準(zhǔn)備才能使整個(gè)的測(cè)量過程更加的順利，從而使資料的采集更加精確。

自然電位法。由于是對(duì)水流速度的測(cè)量，根據(jù)已學(xué)的物理知識(shí)我們可以知道，速度并不是一個(gè)可以直接測(cè)量出來的量，它主要通過路程和時(shí)間來計(jì)算出來的。在具體的測(cè)量過程中，我們不可能人工測(cè)量所有的水的流量，對(duì)所有的水進(jìn)行測(cè)試，所以一般采取取樣的方法，對(duì)部分的水量進(jìn)行測(cè)量。這段選取的路程，我們主要是通過經(jīng)緯儀定出8條測(cè)線，當(dāng)然每條測(cè)線的電極距離必須保持相同。在一般的實(shí)踐操作中，一般選取的最適合的極距是30～50m為中心，過長(zhǎng)或者過短都不是很適合。

在測(cè)量和工具的布置以及資料的采集中，我們選取的主要的方法是鉆孔。一般的中心是主井井筒。之前我們已經(jīng)設(shè)定了8條測(cè)線了。用英文縮寫將這八條線所對(duì)應(yīng)的方向一一標(biāo)明出來。在測(cè)線過程中，保持其他屬性不變對(duì)不極化的電極進(jìn)行測(cè)量，可以了解電極原本的自然電位差。

充電法。在準(zhǔn)備工作方面，測(cè)線布置與自然電位法相同。

供電電極（A極）置于孔內(nèi)待測(cè)含水層之中部；無窮遠(yuǎn)極（B極）為1組電極，無窮遠(yuǎn)電極距約為含水層深度的10倍：測(cè)量電極（N極）置于地下水水流方向相反的測(cè)線上，極距一般不小于鉆孔內(nèi)供電電極的入井深度。

資料采集方法是將無窮遠(yuǎn)電極（B極）埋置好，要求5根鐵電極組呈環(huán)形布極且電極距為0.5～0.7m，電極入土深度大于20cm，并使其接地良好。首先也要先測(cè)量自然電位差，然后再將測(cè)量電極N置于地下水水流方向相反的測(cè)線上，距離鉆孔為≥含水層深度，電極入土深度大于20cm。然后將食鹽投入不同的水層，進(jìn)行相關(guān)的測(cè)量工作。

資料處理與解釋

資料數(shù)字處理方法。關(guān)于水文物探法對(duì)于地下水流流速和流向的測(cè)試的數(shù)據(jù)主要是靠計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理的。由于科技的發(fā)展，計(jì)算機(jī)在人們的生產(chǎn)生活中已經(jīng)占據(jù)了很大的位置，有些事情更是全面依托計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的操作。計(jì)算機(jī)和人類相比，運(yùn)算速度快，而且不會(huì)疲憊，除非程序出錯(cuò)，否則計(jì)算機(jī)是不會(huì)出錯(cuò)的。在使用計(jì)算機(jī)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，主要是利用了計(jì)算機(jī)的這些特性，從而為人類更好地服務(wù)。

1.自然電位法計(jì)算公式如下：電位值=讀數(shù)-極差-極差分配

式中：讀數(shù)——測(cè)點(diǎn)相對(duì)中心基點(diǎn)的電位差值：極差——活動(dòng)電極相對(duì)固定電極在開工前時(shí)的電位差：極差分配——從開工到收工時(shí)極差的變化值，按時(shí)間對(duì)各測(cè)點(diǎn)線性分配的數(shù)值。

2.充電法計(jì)算公式如下：

式中：t²，t²，t³——三次測(cè)定等電位點(diǎn)的時(shí)間；R¹，R²，R³——三次測(cè)得的等電位點(diǎn)距中心點(diǎn)的位移。

資料解釋方法

根據(jù)以上的公式我們不難看出來，主要的測(cè)量方法是通過電流，電量的大小來進(jìn)行相應(yīng)的水流水速的測(cè)算。在我們的其他測(cè)量領(lǐng)域，比如說地下水濃度的測(cè)量中，也運(yùn)用到了電流的相關(guān)知識(shí)，利用水中離子在感應(yīng)器兩側(cè)形成的電壓差，經(jīng)過一系列的物理方法的放大，從而強(qiáng)化電信號(hào)，再將強(qiáng)化后的電信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析，從而得到具體的地下水中所含離子的濃度的高低。

具體的應(yīng)用實(shí)例

在簡(jiǎn)單地講解完運(yùn)用的方法之后，最最重要的還是將這些方法運(yùn)用起來。以新疆準(zhǔn)東五彩灣A煤礦井筒檢查孔第四系松散層地下水為例。我們利用上述提到的兩種方法對(duì)它的地下水流速和流向進(jìn)行了測(cè)量。

礦區(qū)地質(zhì)概況。首先介紹一下這個(gè)礦區(qū)大概的地形還有相關(guān)的地貌。地形和地貌是一個(gè)地理環(huán)境非常重要的一個(gè)可見指標(biāo)，它主要由于長(zhǎng)期的板塊運(yùn)動(dòng)等多方面的因素而形成的。同樣的，地下水的濃度和地下水的流速，流向和當(dāng)?shù)氐牡孛彩敲懿豢煞值?，也是地貌成型的一個(gè)重要的因素。滄海桑田這個(gè)詞語，主要講述的就是地貌的變化，由于地殼的運(yùn)動(dòng)，或者板塊的運(yùn)用，原來的大海被地表所覆蓋，形成了桑田。本地區(qū)構(gòu)造單元屬準(zhǔn)噶爾中新生代坳陷之破房子凹陷。包括二疊系及整個(gè)中生代沉積區(qū)，該凹陷發(fā)育于二疊系早期，受印支、燕山運(yùn)動(dòng)的影響使各時(shí)代地層均有不同程度的褶皺。

測(cè)量過程。首先運(yùn)用了自然電位法進(jìn)行了測(cè)量，將八個(gè)測(cè)線的位置都安排好，并且對(duì)相應(yīng)的測(cè)線都進(jìn)行了標(biāo)注，然后根據(jù)上述的測(cè)量方法進(jìn)行了簡(jiǎn)單的測(cè)量。

然后再利用充電法進(jìn)行了一次水流流速和方向的測(cè)量，在測(cè)量過程中，由于測(cè)線已經(jīng)設(shè)置好，直接使用了之前自然電位法設(shè)定的測(cè)線，簡(jiǎn)化了測(cè)量的步驟。

在礦場(chǎng)工作中，提前的預(yù)防是非常重要的，遠(yuǎn)超其他很多的工作，礦井一旦經(jīng)歷水害，這種損失是不能挽回的。幸運(yùn)的是，由于科技的發(fā)展，對(duì)于地下水的測(cè)量，我們擁有了很多的工具和技術(shù)手段，但是有關(guān)的礦場(chǎng)對(duì)水質(zhì)問題引起重視，并且將方法正式地運(yùn)用起來，才是更加值得關(guān)注的事，重點(diǎn)中的重點(diǎn)。