賀 堯

（湖南有色冶金勞動保護(hù)研究，湖南 長沙 410014）

我國是礦井水害的高發(fā)地區(qū)，長期以來，礦山水害事故給涉及地區(qū)人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全造成了極為嚴(yán)重的影響。1999年山東萊蕪礦谷家臺二礦區(qū)發(fā)生特大井下涌水安全事故，導(dǎo)致29 人死亡。2001 年廣西南丹縣大廠礦區(qū)發(fā)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(yè)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(fā)生透水事故，造成遇難礦工10 名。據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，礦山水害多是由于防治水技術(shù)落后，使得預(yù)測礦井水害準(zhǔn)確性無法滿足預(yù)期[1，2]。因此，提高礦山水害探測技術(shù)應(yīng)用水平，以及研發(fā)新型水害探測裝置，是當(dāng)前行業(yè)發(fā)展面臨的關(guān)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(yùn)用原理與方法，通過具體儀器探測水害，旨在為相關(guān)建設(shè)者提供一些理論依據(jù)。

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(tài)金屬物質(zhì)，其會在成分與熱力學(xué)差異下驅(qū)動，并在地球公轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)過程對流，進(jìn)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(fā)射電磁波。探測工作，主要針對其發(fā)揮出作用，即將地核發(fā)射的電磁波作為場源。通過分析其天然傳輸過程中經(jīng)過不同巖層產(chǎn)生的不同地質(zhì)體信息，來達(dá)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(jié)構(gòu)的分析推演工作。

按照電磁理論，磁場導(dǎo)體會經(jīng)運(yùn)動來完成磁感線的切割進(jìn)而產(chǎn)生電場。這種相互作用的關(guān)系，使得磁場與電場變化處于相互影響狀態(tài)。故，電磁波的產(chǎn)生與傳播原理，就是這樣。而地下水，作為一種良導(dǎo)體，其內(nèi)部含有多種礦物質(zhì)。當(dāng)所處環(huán)境為巖層裂隙，則會隨著水文學(xué)規(guī)律來流動變化[5]。具體過程，就是對磁力線進(jìn)行切割以完成感應(yīng)電動勢的產(chǎn)生。如礦產(chǎn)所處環(huán)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(fā)射的電磁波進(jìn)行反射與折射。礦山水害隱患的探測工作應(yīng)用地下磁流體方法，就是根據(jù)此原則，以獲得地下水的地層結(jié)構(gòu)與動態(tài)信息，進(jìn)而提高地表探測結(jié)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(shù)據(jù)信息的采集工作。按照當(dāng)前研究結(jié)果，即電磁理論、麥克斯方程組以及假設(shè)條件，來表示探測頻率與深度之間的關(guān)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(jié)構(gòu)示意圖[6]。其結(jié)構(gòu)分三大部分，即地下磁流體探測裝置、上位PC 機(jī)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(jìn)行轉(zhuǎn)換，以獲取地下水動態(tài)信息與裂隙信息等特征信息。經(jīng)采集與保存，就可獲取各個(gè)通道的探測信息。上位PC 機(jī)通過USB 電纜從地下磁流體探測裝置中讀取探測數(shù)據(jù)，經(jīng)軟件綜合分析處理后顯示探測結(jié)果。

圖1 地下磁流體探測儀結(jié)構(gòu)

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(gè)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(jù)探測目標(biāo)所處工程的實(shí)際建設(shè)情況，來對電纜探測方法進(jìn)行控制，以強(qiáng)化探針等數(shù)據(jù)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(shí)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(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 兩種典型布線方法

當(dāng)?shù)V山水害隱患的探測電纜及探針布置完畢后，為強(qiáng)化探測結(jié)果獲取的可靠性，需對兩者連接效果進(jìn)行檢測控制。此過程，因探測儀器設(shè)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(shè)備就可將每個(gè)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(shí)際探測目標(biāo)對探測的深度范圍進(jìn)行確定。即根據(jù)公式（1）計(jì)算出的儀器所需探測頻率，來為后續(xù)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(yīng)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(qū)生產(chǎn)建設(shè)過程受到了影響，嚴(yán)重的甚至還出現(xiàn)了較大程度的安全隱患。為此，隱患探測人員著重對實(shí)際熱水變化情況進(jìn)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?zé)岙惓，F(xiàn)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(qū)熱水情況進(jìn)行探測。利用儀器設(shè)備，結(jié)合礦區(qū)現(xiàn)狀進(jìn)行了8 條測線的初步探測。

2.2 測線布置

2.3 探測結(jié)構(gòu)分析

以測線一結(jié)構(gòu)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(jié)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(diǎn)：

（1）因地下水為良導(dǎo)體，所以，其流動會受到天然電磁場影響產(chǎn)生相應(yīng)的特征信息為提高地下水分布位置與水流瞬時(shí)流量預(yù)測的準(zhǔn)確性，應(yīng)利用磁流體探測儀來對特征信息進(jìn)行接收與分析。

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

事實(shí)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(shí)際情況背景下，才能使對各種失穩(wěn)問題進(jìn)行檢測控制。研究人員應(yīng)將上述分析內(nèi)容與科研結(jié)果更多地運(yùn)用于不同地質(zhì)條件的礦山水害隱患探測工作，以使項(xiàng)目建設(shè)使用的效果與預(yù)期保持一致，且不受環(huán)境因素影響。