利用充電法測(cè)定地下水的流速流向

馬安麗

(安徽省煤田地質(zhì)局水文勘探隊(duì)，安徽 宿州234000)

利用充電法測(cè)定地下水的流速流向

馬安麗

(安徽省煤田地質(zhì)局水文勘探隊(duì)，安徽 宿州234000)

在山東省濟(jì)寧某井田，使用電法儀對(duì)地下水進(jìn)行充電法流速流向探測(cè)。首先通過(guò)常規(guī)測(cè)井確定含水層深度，以此確定供電電極A的井身位置為175 m，然后以鉆孔為中心，以45°等方位間隔布置測(cè)線，分別測(cè)量鹽化前后的電位值，最后根據(jù)觀測(cè)到的地下水鹽暈變化情況運(yùn)用矢量合成和公式計(jì)算，得出該地下水的運(yùn)移情況。該研究區(qū)地下水流向是 W21°10′N，流速約為 4.17 m/d。

充電法;鹽化;地下水流向;流速

在煤礦生產(chǎn)建設(shè)過(guò)程中，水害是影響煤礦安全生產(chǎn)和建設(shè)的重大災(zāi)害之一。在礦井建設(shè)初期必須查明地下水流速、流向，為煤礦井下開拓及安全生產(chǎn)提供準(zhǔn)確的地質(zhì)依據(jù)。水文地質(zhì)采用的觀測(cè)方法是:在鉆井周圍間隔一定的距離、一定的方位設(shè)計(jì)幾個(gè)觀測(cè)孔，以確定地下水的流速、流向，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且成本很高，利用電法儀查明地下水的運(yùn)移情況是最有效、最經(jīng)濟(jì)的方法之一。

1 原理

1.1 原理簡(jiǎn)介

充電法是電法勘探的一種。通常在導(dǎo)電礦體的露頭上，接上供電電極(A)(一般是正極)充電，另一電極(B)置于遠(yuǎn)離充電體的地方，供電時(shí)充電體為一等位體或似等位體，電流由充電體流入圍巖，形成穩(wěn)定電流場(chǎng)，該電場(chǎng)的分布特征與充電體的形態(tài)、大小和產(chǎn)狀等因素有關(guān)。在地面、鉆井或坑道中對(duì)其電場(chǎng)的空間分布進(jìn)行觀測(cè)和研究，以了解礦體或其它導(dǎo)體的賦存情況，獲得所需要的地質(zhì)資料。

當(dāng)鉆孔揭露了含水層時(shí)，在鉆孔中放入食鹽，食鹽將不斷地被地下水溶解而帶入含水層，于是在鉆孔周圍的含水層中便形成一個(gè)沿水流方向延伸的電解質(zhì)低阻帶，此低阻帶在電場(chǎng)中呈一等電位體。

通過(guò)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，研究地下水流向和地下水流速。

1.2 野外工作方法

1.2.1 電極的選擇

充電法的供電電極可以采用鐵或鋁合金電極，充電電極A可用單電極或電極組，無(wú)窮遠(yuǎn)地面供電電極B最好采用電極組，以減小接地電阻，保證足夠的供電電流。

1.2.2 供電電極距離的選擇

供電電極B極和A極的距離為測(cè)區(qū)對(duì)角線長(zhǎng)度的2倍以上，保證B極對(duì)測(cè)區(qū)的影響可視為零。測(cè)定地下水流速流向采用追索等位線法，B極應(yīng)為充電點(diǎn)至邊緣測(cè)點(diǎn)距離的10倍以上，最好垂直于巖層走向鋪放，測(cè)量電極應(yīng)使用紫銅電極棒。

2 應(yīng)用實(shí)例

筆者對(duì)山東省濟(jì)寧某井田，使用電法儀對(duì)地下水進(jìn)行充電法流速流向探測(cè)，本次工作的主要任務(wù)是:查明山東省濟(jì)寧某井檢查孔第四系、新近系松散層內(nèi)含水地層地下水的流速流向。

2.1 測(cè)區(qū)地層物性特征及含水層位置

2.1.1 地層物性特征

根據(jù)以往地質(zhì)資料，第四系、新近系厚 191.40～231.60 m，平均 208.19 m。由黃褐、棕黃色、灰綠色粘土、砂質(zhì)粘土、含粘土粉砂，夾淺灰或灰白色含粘土中、細(xì)砂、含粘土中粗砂、砂礫及混粒土等組成。

2.1.2 含水層的確定

從鉆孔實(shí)際揭露情況，流速流量以接近基巖界面為原則，經(jīng)常規(guī)測(cè)井曲線分析，170～185 m井段以細(xì)砂為主，總厚9.45 m。

2.2 施測(cè)方法

2.2.1 儀器設(shè)備

本次流速流向測(cè)定使用的儀器為DUK—2型高密度電法測(cè)量系統(tǒng)、DZD—4型多功能直流電法儀一套及經(jīng)緯儀一臺(tái)。

2.2.2 測(cè)線布置

以觀測(cè)鉆孔為中心呈輻射狀分布，按照45°等方位間隔布置測(cè)線，測(cè)線的方向采用平面坐標(biāo)方位，用經(jīng)緯儀定出N、NE、E、SE、S、SW、W、NW 方向，每條測(cè)線測(cè)量電極距要均等一致。

2.2.3 電極布置

根據(jù)含水層的位置將供電電極A(球型)極置于鉆孔175 m處，將供電電極 B極置于無(wú)窮遠(yuǎn)，B電極距鉆孔1 500 m，8根電極組以井口為中心環(huán)形布極方式，電極距5～10 m，電極入土深度大于20 cm，并使其接地良好。

2.2.4 資料采集方法

將測(cè)量電極M置于井口，電極入土深度大于20 cm。測(cè)量電極N在事先布置好的測(cè)線上移動(dòng)。在鹽化地下水之前，首先測(cè)定一次正常的各測(cè)線方向的等電位點(diǎn)。然后再將食鹽(NaCl)投入鉆孔中，并記下時(shí)間。間隔一定時(shí)間后，再沿各條測(cè)線依次觀測(cè)出鹽化后的等電位點(diǎn)，記下時(shí)間和該點(diǎn)距中心點(diǎn)的距離。為保證觀測(cè)流速流向的準(zhǔn)確性，地下水鹽化后觀測(cè)等電位點(diǎn)不少于三次。

2.3 測(cè)量成果

2.3.1 流向的確定

根據(jù)施測(cè)數(shù)據(jù)(見表)，采用矢量法進(jìn)行處理。地下水鹽化后，觀測(cè)的等電位點(diǎn)相對(duì)正常場(chǎng)等電位點(diǎn)的最大位移方向?yàn)榈叵滤牧飨颍?jīng)矢量轉(zhuǎn)換后計(jì)算出地下水流向的方位角為 W21°10′N。

表1 地下水流速流向測(cè)量成果表

2.3.2 流速的確定

根據(jù)施測(cè)數(shù)據(jù)，采用流速公式計(jì)算流速。其流速為:4.17 m/d。

式中:t1，t2，t3—三次測(cè)定等電位點(diǎn)的時(shí)間;S1，S2，S3—三次測(cè)得的等電位點(diǎn)距中心點(diǎn)的位移。

2.3.3 結(jié)論

綜上所述，山東省濟(jì)寧某井田檢查孔175 m以淺地下水流向?yàn)?W21°10′N;流速約為 4.27 m/d。

3 效果評(píng)價(jià)

利用充電法測(cè)定地下水流速流向一般施測(cè)只需12 h，如果流速較大的地區(qū)，6～8小時(shí)即可。而本次僅用6個(gè)小時(shí)就完成了野外數(shù)據(jù)采集工作，工作效率高，省時(shí)省力，而且節(jié)約了大量的勘探資金。以本次測(cè)量為例，要獲得地下水流速流向，水文地質(zhì)采用的觀測(cè)方法是在鉆井周圍設(shè)計(jì)幾個(gè)觀測(cè)孔，一般一個(gè)觀測(cè)孔從開孔到成孔需七天左右時(shí)間，所需勘探費(fèi)用約20萬(wàn)元，需要幾個(gè)這樣的觀測(cè)孔，時(shí)間與費(fèi)用的節(jié)約是非常可觀的。實(shí)踐證明，利用充電法測(cè)定地下水流速流向不僅設(shè)備簡(jiǎn)單，而且工效高。因此，利用充電法測(cè)地下水流速流向是值得大力推廣的。

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1004－1184(2011)05－0005－01

2011－03－28

馬安麗(1966－)，女，淮南鳳臺(tái)人，工程師，主要從事地球物理測(cè)井工作。