基于地下磁流體探測方法的礦山水害隱患探測

賀 堯

（湖南有色冶金勞動保護研究，湖南 長沙 410014）

我國是礦井水害的高發地區，長期以來，礦山水害事故給涉及地區人民群眾的生命財產安全造成了極為嚴重的影響。1999年山東萊蕪礦谷家臺二礦區發生特大井下涌水安全事故，導致29 人死亡。2001 年廣西南丹縣大廠礦區發生礦坑涌水事故，造成礦山被淹，死亡81 人。2002 年湖北省大冶市鯉泥湖銅鐵礦在試采-165m 中段101 采場過程中，回采作業破壞了局部上盤大理巖，造成溶洞突然涌水，淹井；2002 年戈灣礦發生透水事故，造成遇難礦工10 名。據統計分析，礦山水害多是由于防治水技術落后，使得預測礦井水害準確性無法滿足預期[1，2]。因此，提高礦山水害探測技術應用水平，以及研發新型水害探測裝置，是當前行業發展面臨的關鍵問題[3]。

本文以UMF-Y05A 型探測儀器為例[4，5]，通過闡述地下磁流體探測方法的運用原理與方法，通過具體儀器探測水害，旨在為相關建設者提供一些理論依據。

1 地下磁流體的探測原理及工作方法

1.1 探測原理

礦山水害的地下磁流體探測是指：地核外核的液態金屬物質，其會在成分與熱力學差異下驅動，并在地球公轉、自轉過程對流，進而形成地下磁流體。此過程，地下磁流體會向地球表層外地幔與外地殼發射電磁波。探測工作，主要針對其發揮出作用，即將地核發射的電磁波作為場源。通過分析其天然傳輸過程中經過不同巖層產生的不同地質體信息，來達到探測目的。這里的儀器，通過在地表接收天然電磁波分布場，來完成地層結構的分析推演工作。

按照電磁理論，磁場導體會經運動來完成磁感線的切割進而產生電場。這種相互作用的關系，使得磁場與電場變化處于相互影響狀態。故，電磁波的產生與傳播原理，就是這樣。而地下水，作為一種良導體，其內部含有多種礦物質。當所處環境為巖層裂隙，則會隨著水文學規律來流動變化[5]。具體過程，就是對磁力線進行切割以完成感應電動勢的產生。如礦產所處環境未地下裂隙或是溶洞，則表示其會受到地層密度突變影響，即對地核發射的電磁波進行反射與折射。礦山水害隱患的探測工作應用地下磁流體方法，就是根據此原則，以獲得地下水的地層結構與動態信息，進而提高地表探測結果的可靠性。

利用UMF-Y05A 型地下磁流體探測儀，是通過接收地下磁流體電場分布情況，來完成數據信息的采集工作。按照當前研究結果，即電磁理論、麥克斯方程組以及假設條件，來表示探測頻率與深度之間的關系：

1.2 地下磁流體探測的工作方法

如圖1 所示，為地下磁流體探測儀結構示意圖[6]。其結構分三大部分，即地下磁流體探測裝置、上位PC 機以及探測電纜與探針。這里的探針是用來對天然電場作用于地表分布量完成接收。地下磁流體探測裝置，則是用來對探針接收信號進行轉換，以獲取地下水動態信息與裂隙信息等特征信息。經采集與保存，就可獲取各個通道的探測信息。上位PC 機通過USB 電纜從地下磁流體探測裝置中讀取探測數據，經軟件綜合分析處理后顯示探測結果。

圖1 地下磁流體探測儀結構

圖中所示的UMF-Y05A 型地下磁流體探測儀，配置的信號電纜有兩條，即A 組、B 組。兩條探測電纜長度為75m，能夠連接8 個探針。除了A1，B1 探針要與探測裝置距離保持在5m 以上外，其他探針每兩根間距是10m。探測工作人員要根據探測目標所處工程的實際建設情況，來對電纜探測方法進行控制，以強化探針等數據信號采集裝置作用的可靠性。此過程，因電纜探測布置較為靈活，所以，能夠按照探測目的與實際情況來確定[7]。如圖2 所示，為探測常用線形與之字形布置結構示意圖。

圖2 兩種典型布線方法

當礦山水害隱患的探測電纜及探針布置完畢后，為強化探測結果獲取的可靠性，需對兩者連接效果進行檢測控制。此過程，因探測儀器設備具有自動檢測功能，所以，只需通過探針連接檢查，就能通過儀器設備就可將每個通道的電壓值顯示出來。如電壓值檢測值在2.60V ～3.10V 之間，判斷探測電纜及探針連接正常；如超出通道電壓值，則表明探針布置與電纜探測存在不合理問題。上述檢測工作完成后，可按照實際探測目標對探測的深度范圍進行確定。即根據公式（1）計算出的儀器所需探測頻率，來為后續探測工作開展提供必要支撐。

2 在某金屬礦山水害隱患探測中的應用

以某礦山為例，如采礦工作開展如果偶遇少量熱水流出，且溫度在40℃以上。礦區生產建設過程受到了影響，嚴重的甚至還出現了較大程度的安全隱患。為此，隱患探測人員著重對實際熱水變化情況進行分析，即每在地表下降100m，溫度就升高3℃。這意味著該礦山開采遇到了地熱異常現象，需通過水害隱患探測來提高礦山開采安全性[8]。

2.1 探測概述

我院探測小組對礦區熱水情況進行探測。利用儀器設備，結合礦區現狀進行了8 條測線的初步探測。

2.2 測線布置

2.3 探測結構分析

以測線一結構布置為例，如圖4 所示，為測線一的四維物探剖面圖。

圖4 測線一的四維物探剖面圖

3 結論

綜上所述，采用地下磁流體探測方法探測礦山水害隱患須明確以下兩點：

（1）因地下水為良導體，所以，其流動會受到天然電磁場影響產生相應的特征信息為提高地下水分布位置與水流瞬時流量預測的準確性，應利用磁流體探測儀來對特征信息進行接收與分析。

（2）礦山在利用磁流體探測方法探測驗證水害隱患時，確定了被測區域內地下熱水源分布情況，成功為礦山水害防治提供優化控制依據。

事實證明，只有在明確磁流體探測方法作用于礦山水害隱患控制的實際情況背景下，才能使對各種失穩問題進行檢測控制。研究人員應將上述分析內容與科研結果更多地運用于不同地質條件的礦山水害隱患探測工作，以使項目建設使用的效果與預期保持一致，且不受環境因素影響。