利用水文物探方法测定地下水流速流向

王超　卢超

在具体的煤矿作业中，地下水对于煤矿作业的影响是非常大的，因为地下水经常会产生不可预料的事故。在这些水害中，许多矿井工人失去了他们年轻的生命，并且让许多美满的家庭都支离破碎了。在事故发生之后的挽救远远不及在事故发生之前做好相应的预防工作来得重要。本文主要探讨的是利用水文物探方法测量地下水流速的主要方法和原理，然后对于他的具体的应用进行相应的讲述。

煤矿是大自然赐予我们的宝贵财富，这些资源对人们的日常生活非常的重要，但是在日常生活中，由于工业的发展等一系列的情况导致了煤等矿的高速消耗，所以各地的煤矿开始加大开采的密度，加深开采的深度。在煤矿的越深处的煤，开采的难度越大，受地下水的影响越大，地下水的离子浓度和流向，流速都会对煤矿的开采工作造成很大的影响。

水文物探方法的简介

方法原理：在所有的水文物探方法中，在日常的水流，流速和流向的测量中运用最广泛的是自然电位法和充电法。这两种方法适用的范围广，操作较为方便，测量两结果较为准确。

自然电位法。自然电位法主要利用的是地下水存在的离子来测量相关的地下水的数据。在地下水流动的过程中，会通过很多的岩石结构。这些岩石结构由于各种原因会产生岩石中的小洞等不同的岩层破裂。在这些缺口中，会产生很多的颗粒，而这些微小的颗粒对于水中的离子会产生吸附的作用，从而使这些离子发生了一系列的变化。由于离子的正负离子产生了变化，所以在相应的位置形成了一个天然的电场。而电场是可以通过一定的方法进行收集和测量的，所以相关的电信号可以被收集起来，然后通过一些技术手段来测量地下水的流向。从而对地下水有进一步的认识。

充电法。当地下挖掘工作深入到含水层时，我们可以通过这个孔来做一些相关的操作。在孔中加入食盐，由于食盐（NaCl）的特殊性质，在水中溶解，随着水的流动进入含水层，在含水层中会形成一个氯化钠电解质低阻带，此低阻带在电场中呈一等电位体。通过对含水层中电解质低阻带在电场中产生的等电位线随时间的位移而位移的具体情况，来对地下水的流向和流速做相关的研究。具体的原理就是水在流动带动着食盐的流动，根据流动的距离可以测算出食盐的速度。

工作布置与资料采集

在具体的实际测量中，我们还要对具体的工作进行相关的准备。磨刀不误砍柴工，做好相应的准备才能使整个的测量过程更加的顺利，从而使资料的采集更加精确。

自然电位法。由于是对水流速度的测量，根据已学的物理知识我们可以知道，速度并不是一个可以直接测量出来的量，它主要通过路程和时间来计算出来的。在具体的测量过程中，我们不可能人工测量所有的水的流量，对所有的水进行测试，所以一般采取取样的方法，对部分的水量进行测量。这段选取的路程，我们主要是通过经纬仪定出8条测线，当然每条测线的电极距离必须保持相同。在一般的实践操作中，一般选取的最适合的极距是30～50m为中心，过长或者过短都不是很适合。

在测量和工具的布置以及资料的采集中，我们选取的主要的方法是钻孔。一般的中心是主井井筒。之前我们已经设定了8条测线了。用英文缩写将这八条线所对应的方向一一标明出来。在测线过程中，保持其他属性不变对不极化的电极进行测量，可以了解电极原本的自然电位差。

充电法。在准备工作方面，测线布置与自然电位法相同。

供电电极（A极）置于孔内待测含水层之中部；无穷远极（B极）为1组电极，无穷远电极距约为含水层深度的10倍：测量电极（N极）置于地下水水流方向相反的测线上，极距一般不小于钻孔内供电电极的入井深度。

资料采集方法是将无穷远电极（B极）埋置好，要求5根铁电极组呈环形布极且电极距为0.5～0.7m，电极入土深度大于20cm，并使其接地良好。首先也要先测量自然电位差，然后再将测量电极N置于地下水水流方向相反的测线上，距离钻孔为≥含水层深度，电极入土深度大于20cm。然后将食盐投入不同的水层，进行相关的测量工作。

资料处理与解释

资料数字处理方法。关于水文物探法对于地下水流流速和流向的测试的数据主要是靠计算机进行处理的。由于科技的发展，计算机在人们的生产生活中已经占据了很大的位置，有些事情更是全面依托计算机进行数据的操作。计算机和人类相比，运算速度快，而且不会疲惫，除非程序出错，否则计算机是不会出错的。在使用计算机对这些数据进行处理时，主要是利用了计算机的这些特性，从而为人类更好地服务。

1.自然电位法计算公式如下：电位值=读数-极差-极差分配

式中：读数——测点相对中心基点的电位差值：极差——活动电极相对固定电极在开工前时的电位差：极差分配——从开工到收工时极差的变化值，按时间对各测点线性分配的数值。

2.充电法计算公式如下：

式中：t²，t²，t³——三次测定等电位点的时间；R¹，R²，R³——三次测得的等电位点距中心点的位移。

资料解释方法

根据以上的公式我们不难看出来，主要的测量方法是通过电流，电量的大小来进行相应的水流水速的测算。在我们的其他测量领域，比如说地下水浓度的测量中，也运用到了电流的相关知识，利用水中离子在感应器两侧形成的电压差，经过一系列的物理方法的放大，从而强化电信号，再将强化后的电信号进行数据的分析，从而得到具体的地下水中所含离子的浓度的高低。

具体的应用实例

在简单地讲解完运用的方法之后，最最重要的还是将这些方法运用起来。以新疆准东五彩湾A煤矿井筒检查孔第四系松散层地下水为例。我们利用上述提到的两种方法对它的地下水流速和流向进行了测量。

矿区地质概况。首先介绍一下这个矿区大概的地形还有相关的地貌。地形和地貌是一个地理环境非常重要的一个可见指标，它主要由于长期的板块运动等多方面的因素而形成的。同样的，地下水的浓度和地下水的流速，流向和当地的地貌是密不可分的，也是地貌成型的一个重要的因素。沧海桑田这个词语，主要讲述的就是地貌的变化，由于地壳的运动，或者板块的运用，原来的大海被地表所覆盖，形成了桑田。本地区构造单元属准噶尔中新生代坳陷之破房子凹陷。包括二叠系及整个中生代沉积区，该凹陷发育于二叠系早期，受印支、燕山运动的影响使各时代地层均有不同程度的褶皱。

测量过程。首先运用了自然电位法进行了测量，将八个测线的位置都安排好，并且对相应的测线都进行了标注，然后根据上述的测量方法进行了简单的测量。

然后再利用充电法进行了一次水流流速和方向的测量，在测量过程中，由于测线已经设置好，直接使用了之前自然电位法设定的测线，简化了测量的步骤。

在矿场工作中，提前的预防是非常重要的，远超其他很多的工作，矿井一旦经历水害，这种损失是不能挽回的。幸运的是，由于科技的发展，对于地下水的测量，我们拥有了很多的工具和技术手段，但是有關的矿场对水质问题引起重视，并且将方法正式地运用起来，才是更加值得关注的事，重点中的重点。