司炳新

（伊春市自然資源局，黑龍江 伊春 153000）

隨著我國礦山開采工作的不斷深入，不可避免會遇到各類環(huán)境問題。從現(xiàn)階段我國礦井開采狀況上可以看出，因?yàn)椴糠值V區(qū)礦層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，尤其是水文環(huán)境對礦區(qū)開采工作產(chǎn)生極大影響。負(fù)責(zé)開采的相關(guān)工作人員必須采用具體、有效的措施，對當(dāng)前礦山水文地質(zhì)情況進(jìn)行信息勘查和類型劃分，為礦山礦井開采，提供良好的空間環(huán)境。

目前，我國相關(guān)部門在礦山水文地質(zhì)勘查中，所使用的最有效的勘查方法就是瞬變電磁法。瞬變電磁法又被稱之為時間域電磁法，是近年來國內(nèi)法地質(zhì)勘查領(lǐng)域，勘查效果較好的一種新型探測方法，可以作為電磁勘探的一項(xiàng)重要分支，甚至在國際上，有言論稱其為電法的新一次革命性發(fā)展。瞬變電磁法主要是利用一種不接地的電網(wǎng)回線進(jìn)行磁場發(fā)射，在間歇期利用另一組回線進(jìn)行感應(yīng)磁場接收。因?yàn)榻邮盏降碾姶艌鍪怯傻叵聝?yōu)秀導(dǎo)體受到外界刺激的電流所產(chǎn)生的不穩(wěn)定性磁場，所以與其他探測方法相比，其探測深度更大，提取到的信息也會更加豐富。近幾年來，該方法得到了長足發(fā)展，特別是針對具有良性導(dǎo)體的地質(zhì)，其探測效果更為明顯，取得了令人矚目的應(yīng)用效果。綜合來看，瞬變電磁法作為一種新型勘測方法，雖然具有較大應(yīng)用范圍，但主要應(yīng)用于礦山水文地質(zhì)勘查和礦山水文劃分中。實(shí)際應(yīng)用詳細(xì)分析如下[1]。

1 瞬變電磁法在礦山水文地質(zhì)勘查中的應(yīng)用

圖1 瞬變電磁法工作圖

瞬變電磁法在礦山水文地質(zhì)勘查中具有廣泛的應(yīng)用，與其重要的勘測原理具有密切關(guān)系。

根據(jù)磁場發(fā)射的性質(zhì)，可以將瞬變電磁法劃分為連續(xù)諧變和階躍諧變兩種，測量裝置主要包括發(fā)射器、電磁感應(yīng)器和接收器三大部分。當(dāng)發(fā)射回線電流以后，根據(jù)電磁感應(yīng)理論，電流變化會產(chǎn)生廣闊磁場。磁場在傳播過程中，又會在內(nèi)部形成感應(yīng)電流，這種電流被稱為二次電質(zhì)電流，包含了地質(zhì)關(guān)系相關(guān)信息，原理示意圖如圖1所示[2]。

在礦山水文地質(zhì)勘查中，利用瞬變電磁法的電磁場原理，可以進(jìn)行有效的水文地質(zhì)勘查，其主要應(yīng)用以下幾個方面[3]。

1.1 地質(zhì)含水層勘測

含水層是礦山開采工作最嚴(yán)重的威脅之一。通過瞬變電磁法可以提前對礦山水文地質(zhì)進(jìn)行勘測，因?yàn)榫哂忻黠@低阻含水敏感性、定向性強(qiáng)大、分辨率高的特征，可以進(jìn)行高速、高效率的地質(zhì)含水層勘測。在一般情況下，需要對當(dāng)前礦山礦區(qū)的礦層進(jìn)行開發(fā)劃分，并定位首要開采區(qū)域，集中性分析。

一般情況下，對開采工作威脅最大的地質(zhì)含水層是底板承壓水層。這種含水層一般是由多個小含水層組合而成。當(dāng)周圍礦區(qū)的地質(zhì)裂隙發(fā)育不完全時，底板承壓含水層會逐漸轉(zhuǎn)化為富水性較弱的非均質(zhì)裂隙承壓含水層。

此時，其所包含的小含水層之間會通過雜色黏土巖隔離，如果其厚度小于800m，就會隨著裂隙發(fā)育，再次轉(zhuǎn)化為強(qiáng)含水層，這些含水層會對后續(xù)勘測產(chǎn)生極大威脅。

應(yīng)用瞬變電磁法進(jìn)行地質(zhì)含水層勘探時，首先，使用電磁儀進(jìn)行電磁項(xiàng)圈布線。一般情況下，線圈邊長為2米乘2米的多扎矩形，回扎數(shù)為64個。線圈直徑為0.6米。在實(shí)際探測時，工作人員需要合理調(diào)配電圈通電和斷電的時間，確認(rèn)增參數(shù)，并在實(shí)際測量時，保證電圈工作面順槽和切點(diǎn)停電的數(shù)據(jù)質(zhì)量。應(yīng)用瞬變電磁法進(jìn)行礦山含水層地質(zhì)勘查是，探測間距需要小于200米，探測點(diǎn)間距需要小于10米，并且可以在適當(dāng)?shù)臄鄬訁^(qū)段內(nèi)，加密數(shù)據(jù)點(diǎn)。表層探測完畢后，進(jìn)行礦區(qū)巷道底板探測，如圖2所示。

當(dāng)?shù)V區(qū)開采巷道的正下方底板具有一定范圍內(nèi)的分布電阻時，可以將瞬變電磁的發(fā)射線框和電磁接收線框以水平的角度進(jìn)行巷道放置。當(dāng)探測巷道下方底板沒有固定分布電阻時，可以將發(fā)射線框和接收線框以45度傾斜角的位置進(jìn)行防止，然后根據(jù)電阻率實(shí)際分布情況，進(jìn)行含水性勘測?？睖y完畢后，可以選擇水量較小的含水區(qū)進(jìn)行打孔驗(yàn)證，如果對開采影響較小或者含水層過大，則不需要打孔驗(yàn)證[4]。

圖2 巷道探測示意圖

1.2 地質(zhì)采空區(qū)勘測

礦山水文地質(zhì)的采空區(qū)，一般位于井下礦區(qū)巷道的下部。其外部勾走一般為石炭系太原組灰?guī)r巖溶裂隙。與含水層類似，采空區(qū)內(nèi)部同樣可能含有大量的積水。但是與之不同的是，采空區(qū)大多為整體性孔洞，數(shù)量單一但容積大。整體走向?yàn)樯舷?，缺乏含水層所包含的?biāo)準(zhǔn)性規(guī)律。

一般情況下，采空區(qū)在礦山開采過程中，帶來大面積坍塌和洼陷的情況，對礦山開采工人的生命安全，具有極大威脅性。應(yīng)用瞬變電磁法，可以對水文地質(zhì)中的采空區(qū)進(jìn)行預(yù)測，幫助開采人員規(guī)避大面積采空區(qū)。

在實(shí)際勘測中，瞬變電磁法通過不接地的線圈回線，或者接地電源，將電流向礦區(qū)地質(zhì)巖體集中發(fā)射電磁場。在發(fā)射間歇期間，根據(jù)電磁線圈和接地電極的觀測介質(zhì)，生成電流感應(yīng)旋渦流場。

通過流場的實(shí)際地下介質(zhì)電阻率，分析當(dāng)前礦區(qū)水文地質(zhì)構(gòu)造的情況和地下倒水信息。其優(yōu)勢在于，即便切斷電源以后，巖體中的感應(yīng)電流也可以根據(jù)時間的增長，通過衰減性熱損耗形成二次感應(yīng)渦流場，觀測地下介質(zhì)信號。在實(shí)際水文地質(zhì)勘測前，需要將礦區(qū)的挖掘機(jī)向前掘進(jìn)至少20米左右，確保前期工作環(huán)境安全，檢測磁變儀器狀態(tài)是否良好，其檢測中心應(yīng)該傾向于防爆口檢測。利用地下管輸裝置，對字頭積水進(jìn)行排空，除了必要的電磁檢測裝置以外，其他電源點(diǎn)線需要完全切斷電源，然后進(jìn)行瞬變電磁法勘測[5]。

勘測方向一般設(shè)置為勘測區(qū)斜巷10°和20°、縱向0°和-10°四個方向。沒法探測方向需要設(shè)置至少14個，一共56個探測物理點(diǎn)。

電磁波疊加次數(shù)設(shè)置為32次，測線距離設(shè)置為4條，需要嚴(yán)格按照規(guī)定布線，保證電磁數(shù)據(jù)質(zhì)量。如果探測結(jié)果顯示，顯示無明顯的低電阻區(qū)，則認(rèn)定該探測區(qū)域存在大面積采空區(qū)的可能性較小。

當(dāng)發(fā)現(xiàn)當(dāng)前采空區(qū)出現(xiàn)10m～50m左右的低阻異常區(qū)時，則基本可以認(rèn)定當(dāng)前區(qū)域存在低阻異常區(qū)。此時需要設(shè)計并施工至少6個鉆孔，按照順層和底層方向分別鑿設(shè)3個鉆孔。地測人員需要實(shí)時采集鉆孔中的水質(zhì)數(shù)據(jù)，并第一時間對積水進(jìn)行化驗(yàn)。

瞬變電磁法對地質(zhì)低阻有良好的相應(yīng)特征，所以在對礦山水文地質(zhì)勘測中，可以更準(zhǔn)確的確定覆采空區(qū)的實(shí)際位置。再利用鉆孔對其進(jìn)行精確驗(yàn)證，取得較為良好的應(yīng)用效果。瞬變電磁法具有低阻反應(yīng)敏感、方向性強(qiáng)、體積效應(yīng)小、施工準(zhǔn)確度高等多方面優(yōu)勢，是現(xiàn)代水文地質(zhì)勘測中，勘測地下采空區(qū)的重要手段。

1.3 地質(zhì)突水性勘測

突水性是礦山水文地質(zhì)勘測領(lǐng)域，對當(dāng)前地質(zhì)水流畸變現(xiàn)象發(fā)生概率的綜述，是當(dāng)前水文環(huán)境一項(xiàng)重要的安全參數(shù)。礦山突水的危險性較高，且受當(dāng)前礦山地質(zhì)和水文地質(zhì)以及開采因素等多方面影響。

掌握地質(zhì)整體富水性，是勘測并確定當(dāng)前地質(zhì)突水性的前提。采用瞬變電磁法，可以勘測礦山水文地質(zhì)富水性情況，進(jìn)而結(jié)合觀測指標(biāo)，確定當(dāng)前礦山地質(zhì)的突水性。

在地質(zhì)突水性勘測中，瞬變電磁法布線應(yīng)該以水平方向、斜上和斜下45度兩個方向進(jìn)行探測，探測目標(biāo)為當(dāng)前礦山水文地質(zhì)的派生斷層，且需要采用不同的共面軸進(jìn)行偶級對調(diào)。一般情況下，突水性地質(zhì)均含有奧陶系含水特征，更容易出現(xiàn)陷落突水情況。

在電特性表達(dá)上，區(qū)別于正常的低壓電阻率，具有突水性特征的地質(zhì)因?yàn)閮?nèi)部結(jié)構(gòu)極為松散，且?guī)r石破碎程度較高，出現(xiàn)持續(xù)高電阻情況。

瞬變電磁法在進(jìn)行礦山水文地質(zhì)勘查中，進(jìn)行電磁波傳輸時，如果探測到當(dāng)前地質(zhì)陷落柱構(gòu)造異常，且對電磁波能量吸收具有較大差異，其電磁率較低的巖石，會出現(xiàn)較強(qiáng)的吸附作用，進(jìn)而產(chǎn)生斷裂構(gòu)造截面，對電磁波進(jìn)行折射和反射。因此在布線時，需要在不同地質(zhì)層添加電性不同的良導(dǎo)體，根據(jù)采集數(shù)據(jù)利用層析成像的方法，即可進(jìn)行處理，可以較為直觀地反映出工作面內(nèi)異常成分分布[6]。

2 瞬變電磁法在礦山水文地質(zhì)類型劃分中的應(yīng)用

瞬變電磁法在礦山水文地質(zhì)勘測時，主要是通過電磁發(fā)送和接受時的電阻分析，實(shí)現(xiàn)當(dāng)前地質(zhì)勘測。在這一過程中，通過電阻率和水體類型，可以對當(dāng)前水文地質(zhì)類型進(jìn)行系統(tǒng)劃分。劃分依據(jù)一般有以下兩點(diǎn)：一是當(dāng)前礦山水文地質(zhì)的充水特征；二是當(dāng)前礦山水文地質(zhì)條件的復(fù)雜程度。根據(jù)不同的劃分依據(jù)，進(jìn)行不同標(biāo)準(zhǔn)的地質(zhì)類型劃分。

2.1 礦山充水特征劃分

利用瞬變電磁法，以當(dāng)前礦山地質(zhì)充水特征，進(jìn)行地質(zhì)類型劃分時，可以分為以下6種：第一種是巖溶型地質(zhì)，相關(guān)工作人員在對該地質(zhì)礦山進(jìn)行開采時，根據(jù)瞬變電磁法特征分析結(jié)構(gòu)可以肯定，其所包含的水質(zhì)一般為熔巖水。而受到熔巖水影響的礦山稱之為熔巖性礦山；第二種是孔隙型地質(zhì)，孔隙性的礦山水文地質(zhì)表面，會存在大量的礦山孔隙?？紫吨写嬖诖笮退讱馀?，會體現(xiàn)在電磁數(shù)據(jù)中；第三種為老空水型。老空水型一般為不規(guī)律的礦山坑組成的水文地質(zhì)，會嚴(yán)重影響后續(xù)開采；第四種為裂隙型礦山。如果當(dāng)前礦山水文地質(zhì)存在大量裂隙，內(nèi)部水體會對其不斷沖刷，出現(xiàn)大量緩坡，影響礦山開采；第五種地表型，通過瞬變電磁法接收到的瞬時電阻信息，可以確定地下水文下滲現(xiàn)象，如果該現(xiàn)象具有較大面積，則表明當(dāng)前礦山水文地質(zhì)為地表型水文地質(zhì)；第六種為混合型。此類礦山地質(zhì)較為復(fù)雜，其整體表現(xiàn)特征為多方向特征，內(nèi)部結(jié)構(gòu)混亂，不適合大面積開采。

2.2 礦山水文地質(zhì)復(fù)雜程度劃分

礦山水文地質(zhì)復(fù)雜程度，是當(dāng)前水位地質(zhì)類型劃分最廣泛的劃分標(biāo)準(zhǔn)之一。瞬變電磁法可以通過各類電阻報告數(shù)據(jù)，進(jìn)行多樣化分析，根據(jù)分析結(jié)果確定當(dāng)前水文地質(zhì)的綜合復(fù)雜程度。根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)，一般情況下，礦山水文地質(zhì)的劃分可以分為以下四種類型：第一種是簡單型地質(zhì)。這種地質(zhì)無論是水文條件還是綜合開采條件，均沒有較大的特征，屬于單純性地質(zhì)，復(fù)雜性較小。相關(guān)工作人員可以進(jìn)行常規(guī)的礦山開采，安全性較高；第二種是中等型地質(zhì)。

對于中等性地質(zhì)來說，其水文條件存在部分復(fù)雜區(qū)域，例如存在老空水或者大面積孔隙等等。但是復(fù)雜區(qū)域較小或者類型單一，勘查工作較為簡單。

利用瞬變電磁法進(jìn)行地址勘查時，可以根據(jù)電阻范圍進(jìn)行規(guī)模確認(rèn)；第三種是復(fù)雜型地質(zhì)。這類礦山水文地質(zhì)構(gòu)造已經(jīng)十分復(fù)雜，內(nèi)部充水量較多，充水類型多樣，整體勘查定位工作較難。無法對其進(jìn)行有效的范圍勘測，開采時具有較大危險性；第四種為極復(fù)雜型。此類礦山中存在大量的積水環(huán)境，含水層極為復(fù)雜，危險性極高，容易出現(xiàn)大面積漏水、滲水、爆井、垮塌等現(xiàn)象。

3 結(jié)語

總而言之，礦山水文地質(zhì)勘查和類型高準(zhǔn)確的劃分，對當(dāng)下礦山開采工作具有重要意義。而瞬變電磁法獨(dú)有的各項(xiàng)優(yōu)勢，在上述兩項(xiàng)工作中具有重要作用，必須給予高度關(guān)注。尤其是在地下水文條件勘測中，工作人員通過加強(qiáng)前期勘查，制定完善的勘查策略，保證勘查的可靠性。加強(qiáng)礦山水文地質(zhì)勘查可以保證項(xiàng)目施工的安全性和穩(wěn)固性，為我國地質(zhì)開發(fā)和研究提供有效幫助。