水文物探方法在测定地下水流速流向中的应用

张玉良

摘 要：采用水文物探方法测定地下水流速流向，确定水文地质参数，成倍地提高了工作效率和节约成本。文章根据沙章图煤矿某检查孔资料，系统介绍了水文物探的工作原理、技术方法，并对应用效果进行了评价。

关键词：水文物探；自然电位法；充电法；盐化；地下水流向；流速

中图分类号：X523 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）17-0160-03

Abstract： The method of hydro-geophysical exploration is used to determine the flow direction of groundwater velocity as well as the hydrogeological parameters， which improves the working efficiency and saves the cost. Based on the data of an inspection hole in Shazhangtu Coal Mine， this paper systematically introduces the working principle and technical method of hydro-geophysical exploration， and evaluates the application effect.

Keywords： hydrogeophysical exploration； natural potential method； charging method； salinization； groundwater flow； velocity of waterflow

1 概述

礦井水灾不仅影响正常生产，恶化工作环境，增加排水费用，缩短仪器设备的使用寿命，也直接影响人身安全，造成煤矿资源财产损失甚至重大人员伤亡，给国家和人民生命财产造成不可估量的损失，做好矿井防水工作是保证矿井安全生产的重要内容之一。因此查明地下水径流分布规律尤为重要，运用水文物探方法中的自然电位法和充电法解决地下水流速流向问题是最有效、最经济的方法。

2 原理

2.1 自然电位法

当地下水溶液在一定的渗透压力作用下，通过多孔岩石中的孔隙、裂隙时，由于岩石颗粒表面对地下水中的正、负离子具有选择性的吸附作用，便出现了正、负离子分布不均衡，因而形成了岩石的自然极化。由于岩石颗粒表面吸附了负离子，使得在运动的地下水中集中了较多的正离子，形成了在水流方向为高电位，背水流方向为低电位， 即补给区为负，排泄地区为正，这种场是由于水被岩石颗粒过滤而产生的，故而称为过滤电场，通过对地表过滤电场的研究探测地下水流向。

自然电位法是研究自然电场的分布规律来解决地质问题的一种探测方法。它无需供电，设备和工作方法简单，效率高而被广泛应用。

2.2 充电法

充电法是将食盐（NaCl）作为指示剂投放在钻孔中，由于食盐在水中溶解，随着水的流动进入含水层，在含水层中形成一个NaCl的电解质低阻带，此低阻带在电场中呈一等电位体。初始时，低阻带的中心与钻孔中心一致，随着地下水的流动，低阻带沿地下水的流动方向扩展较快，盐水中心也向地下水流动方向移动。当向钻孔中地下水充电时，地表观测的等电位线也随时间向地下水流动方向位移，形成一个沿地下水流动方向的高浓度盐水带。根据此带位移的方向和速度来确定地下水的流速和流向。实际的原理就是水在流动带动食盐的流动，根据流动的距离测定食盐的流速。

充电法是利用地质对象与围岩间导电性差异为基础，解决地质问题的一种探测方法。它需要供电，仪器设备不仅要有供电系统，还要有测量系统，其仪器设备与电阻率法相同。

3 应用实例

笔者对沙章图煤矿某井检查孔使用自然电位法和充电法对地下水进行流速流向探测。其目的是查明沙章图煤矿某检查孔第三、第四系松散层内含水地层以及风氧化带内地下水的流速流向。

3.1 地层物性特征

沙章图煤矿位于内蒙古自治区鄂托克前旗境内，沙章图煤矿某井检查孔位于鄂托克前旗约2公里处。根据以往地质资料，第四系（Q）由风积沙和粘土组成，平均厚度23.05M。下部由第三纪新近系（N2）紫红色砂质粘土组成，平均厚度200.86M。呈团块状、胶结致密具塑性，是第四系良好的隔水层。新近系的底部由呈半胶结、较疏松的砂砾石岩组成，平均厚度14.92M，砂砾石层孔隙发育，滚圆度差，透水性好。与下伏地层呈不整合接触。

从某检孔实际揭露情况看，新近系以砂质粘土为主，中下部有粗砂-细砂层。底部砂砾层厚11.10M，胶结致密，裂隙不发育。与下伏煤系地层呈不整合接触。

3.2 野外工作方法

3.2.1 自然电位法

以钻孔为中心，以45°等方位间隔布置测线，呈辐射状分布，测线的方向用平面坐标方位，用专用测量仪器定出N、NE、E、SE、S、SW、W、NW方位。每条测线测量电极距要均等一致。采用电位观测法进行测量，将不极化电极M设置在测线的中点，另一个不极化电极N在事先布置好的测线上移动，电极距30米，依次测量与不极化电M之间的自然电位差。

3.2.2 充电法

充电法测线布置与自然电位法相同。从钻孔实际揭露情况，以及常规测井曲线上分析110～170M井段，以砂质粘土为主，中下部发育含水砂层，新近系底部为砂砾层。故将供电电极A极置于钻孔150M和210M处，将供电电极B极置于无穷远，B电极距钻孔1500米， 以保证测区电场的均匀和减小接地电阻，增加供电电流强度。8根电极组以环形布极方式电极距5～10米。将测量电极N置于北西测线上，距离钻孔10米。测量电极M在事先布置好的测线上移动。盐化前先测定一次正常的各测线方向的等电位点，钻孔周围介质是均匀各项同性时，等位线近似为一个圆形。再将食盐投入钻孔中，记录投盐时间。按一定时间间隔，依次追踪寻找与盐化前N极等电位的点。记下时间和该点距中心点的距离。

3.3 资料处理与解释成果

3.3.1 资料处理

自然电位法

观测结果按公式计算出各测点的自然电位，用计算机绘图软件制图，经矢量合成转换后，长轴方向为地下水流向。

充电法

投盐前进行正常场测量，投盐后测量便测得异常等位线，由于含盐水溶液沿地下水流动方向缓慢移动，使等位线沿水流方向具有拉长的形态，溶液移动了L长的距离，地下水的流速按下列公式求出：V=L/△t

从正常等位线的中心与异常等位线的中心的连线便可确定地下水的流向。

3.3.2 成果资料

（1）自然电位法（见表1）

（2）充电法（见表2）

3.3.3 结论

沙章图煤矿某检查孔自然电位法测定地下水流向：某井井筒检查孔地下水流向为S29°20'46"E～S36°30'25"E；充电法测定地下水流向、流速：沙章图煤矿某井检查孔150米以浅地下水流向为S20°45'16"E～S22？15'25"E，流速为2.12米/天～2.48米/天；风氧化带210米水流向为S19°20'05"E～S21°58'15"E，流速为2.37～2.47米/天。综合分析确定：某井井筒检查孔地下水流向为；S19°20'05"E～S22°15'25"E。流速为2.12～2.48/天。

4 效果评价

利用水文物探方法测定地下水流速流向方法简单，效率高，是一种行之有效的物探方法。近年来，我们运用水文物探方法在安徽、山东、内蒙古等地区对多口井筒检查孔进行了流速流向测定，通过测定各含水层流速流向情况，能基本查清该地区地下水径流分布规律，为矿井建设提供了科学依据。实践证明，自然电位法和充电法配合运用，相互佐证，大大提升了测量结果的可信度和准确性，为煤矿建井提高可靠的水文地质参数。

参考文献：

[1]王玉珏.水文物探方法测定地下水流速流向及其效果[J].西部探矿工程，2006（03）.

[2]鲍广富.运用水文物探方法测定地下水流速流向[J].西部探矿工程，2008（12）.

[3]何万双.水文物探方法在测定地下水流速流向中的应用[J].建筑知识，2016（06）.