基于地下磁流体探测方法的矿山水害隐患探测

2020-03-19贺尧

中国金属通报 2020年24期

贺尧

（湖南有色冶金劳动保护研究，湖南长沙 410014）

我国是矿井水害的高发地区，长期以来，矿山水害事故给涉及地区人民群众的生命财产安全造成了极为严重的影响。1999年山东莱芜矿谷家台二矿区发生特大井下涌水安全事故，导致29 人死亡。2001 年广西南丹县大厂矿区发生矿坑涌水事故，造成矿山被淹，死亡81 人。2002 年湖北省大冶市鲤泥湖铜铁矿在试采-165m 中段101 采场过程中，回采作业破坏了局部上盘大理岩，造成溶洞突然涌水，淹井；2002 年戈湾矿发生透水事故，造成遇难矿工10 名。据统计分析，矿山水害多是由于防治水技术落后，使得预测矿井水害准确性无法满足预期[1，2]。因此，提高矿山水害探测技术应用水平，以及研发新型水害探测装置，是当前行业发展面临的关键问题[3]。

本文以UMF-Y05A 型探测仪器为例[4，5]，通过阐述地下磁流体探测方法的运用原理与方法，通过具体仪器探测水害，旨在为相关建设者提供一些理论依据。

1 地下磁流体的探测原理及工作方法

1.1 探测原理

矿山水害的地下磁流体探测是指：地核外核的液态金属物质，其会在成分与热力学差异下驱动，并在地球公转、自转过程对流，进而形成地下磁流体。此过程，地下磁流体会向地球表层外地幔与外地壳发射电磁波。探测工作，主要针对其发挥出作用，即将地核发射的电磁波作为场源。通过分析其天然传输过程中经过不同岩层产生的不同地质体信息，来达到探测目的。这里的仪器，通过在地表接收天然电磁波分布场，来完成地层结构的分析推演工作。

按照电磁理论，磁场导体会经运动来完成磁感线的切割进而产生电场。这种相互作用的关系，使得磁场与电场变化处于相互影响状态。故，电磁波的产生与传播原理，就是这样。而地下水，作为一种良导体，其内部含有多种矿物质。当所处环境为岩层裂隙，则会随着水文学规律来流动变化[5]。具体过程，就是对磁力线进行切割以完成感应电动势的产生。如矿产所处环境未地下裂隙或是溶洞，则表示其会受到地层密度突变影响，即对地核发射的电磁波进行反射与折射。矿山水害隐患的探测工作应用地下磁流体方法，就是根据此原则，以获得地下水的地层结构与动态信息，进而提高地表探测结果的可靠性。

利用UMF-Y05A 型地下磁流体探测仪，是通过接收地下磁流体电场分布情况，来完成数据信息的采集工作。按照当前研究结果，即电磁理论、麦克斯方程组以及假设条件，来表示探测频率与深度之间的关系：

1.2 地下磁流体探测的工作方法

如图1 所示，为地下磁流体探测仪结构示意图[6]。其结构分三大部分，即地下磁流体探测装置、上位PC 机以及探测电缆与探针。这里的探针是用来对天然电场作用于地表分布量完成接收。地下磁流体探测装置，则是用来对探针接收信号进行转换，以获取地下水动态信息与裂隙信息等特征信息。经采集与保存，就可获取各个通道的探测信息。上位PC 机通过USB 电缆从地下磁流体探测装置中读取探测数据，经软件综合分析处理后显示探测结果。

图1 地下磁流体探测仪结构

图中所示的UMF-Y05A 型地下磁流体探测仪，配置的信号电缆有两条，即A 组、B 组。两条探测电缆长度为75m，能够连接8 个探针。除了A1，B1 探针要与探测装置距离保持在5m 以上外，其他探针每两根间距是10m。探测工作人员要根据探测目标所处工程的实际建设情况，来对电缆探测方法进行控制，以强化探针等数据信号采集装置作用的可靠性。此过程，因电缆探测布置较为灵活，所以，能够按照探测目的与实际情况来确定[7]。如图2 所示，为探测常用线形与之字形布置结构示意图。

图2 两种典型布线方法

当矿山水害隐患的探测电缆及探针布置完毕后，为强化探测结果获取的可靠性，需对两者连接效果进行检测控制。此过程，因探测仪器设备具有自动检测功能，所以，只需通过探针连接检查，就能通过仪器设备就可将每个通道的电压值显示出来。如电压值检测值在2.60V ～3.10V 之间，判断探测电缆及探针连接正常；如超出通道电压值，则表明探针布置与电缆探测存在不合理问题。上述检测工作完成后，可按照实际探测目标对探测的深度范围进行确定。即根据公式（1）计算出的仪器所需探测频率，来为后续探测工作开展提供必要支撑。

2 在某金属矿山水害隐患探测中的应用

以某矿山为例，如采矿工作开展如果偶遇少量热水流出，且温度在40℃以上。矿区生产建设过程受到了影响，严重的甚至还出现了较大程度的安全隐患。为此，隐患探测人员着重对实际热水变化情况进行分析，即每在地表下降100m，温度就升高3℃。这意味着该矿山开采遇到了地热异常现象，需通过水害隐患探测来提高矿山开采安全性[8]。