摘要：为了查清岩层中含水层发育情况，为矿井施工和开采提供安全保障，采用井液电阻率测量技术，利用井液电阻率曲线随时间变化产生的离差现象，绘制离散曲线，通过分析计算，查明地下水运动状态，判别含水层类型，并确定含水层位置和涌水量。实例测量结果表明，该方法能有效查明含水层发育情况，可为矿井设计、施工提供防治水技术参数。
关键词：井液电阻率；离散曲线；含水层；涌水量
康跃明.利用井液电阻率法测定含水层位置及涌水量［J］.矿业安全与环保，2016，43（3〕：74-76.
煤矿水害的严重程度目前仅次于瓦斯灾害,为煤矿五大灾害之一（煤与瓦斯突出、粉尘爆炸、顶板冒裂、火灾、水灾）。在煤矿施工、开采过程中,由于地下应力平衡被打破,其上覆岩层和底板都会被破坏,分别形成“上三带”“下三带”［1］,进而为含水层中的水进入矿井并造成灾害带来了可能性。因此,搞清楚含水层的位置和涌水量在煤炭勘探中显得尤为重要。
目前在煤炭地质勘探过程中,比较常用的为井液电阻率法。井液电阻率法分为井下和地面两种,井下测量又分为自然井液电阻率法、注入法及浓度扩散法［2］。在此主要讨论浓度扩散法,该方法是利用井液的电阻率随时间发生变化的规律,了解地下水运动状态的一种测井方法,可以解决井孔中出水点位置、确定各含水层间补给关系及补给量,并计算含水层的涌水量。
1 测量原理
井液电阻率法在原理上与普通视电阻率法相同,都是以介质的导电性质差异为基础,通过供入稳定人工电场,观测电流场规律,确定地质目标体的电性特征。井液电阻率探管电极距离较近,环形镶嵌在金属管内壁上,探管采用中间空心设计,这样就与井中流体充分接触,如图1所示。由于电极距极小且又加上外壳的屏蔽效应,从而达到测量井液电阻率的目的［3］。
收稿日期：2015-10-23；2016-03-11修订
基金项目：“十三五”国家科技重大专项（2016ZX05045004-007〕
作者简介：康跃明（1981—〕，男，湖南娄底人，硕士研究生，助理研究员，研究方向为矿井仪器仪表及地球物理勘探。
图1 井液电阻率测量原理示意图
所测井液电阻率为：
式中：K为井液电阻率探管电极系数,由实验确定；I为供电电流；ΔU为测量电极MN间电位差。
2 工作步骤
当地层水的矿化度与井液的矿化度存在差异时,盐离子将由高浓度向低浓度一方扩散。当某一含水层被钻孔打开,含水层中的水会发生流动,并使井液的矿化度发生改变,使之盐化或者淡化,井液电阻率曲线会随着时间的变化而产生离差现象,离差大小由含水层出水量大小决定。利用这种离差现象在不同的时间进行多次井液电阻率测量［4］。基于上述理论,具体工作步骤如下：
1）钻孔成孔以后,利用清水冲洗钻孔并成功破壁,将井壁上的泥皮清除干净。最后把井液置换为清水。
2）连接好地面主机与测量探管,由计算机自动记录钻孔内清水的电阻率ρ0,并记录好水位。
3）在连接探管的线缆上捆绑足够数量的装满食盐的小袋,放入钻孔内上下活动,达到使钻孔内清水均匀盐化的目的。
4）解除食盐袋,对盐化后第一次井液电阻率ρ1进行测量,并记录好观测时间。
5）根据规范并分析第一次盐化后电阻率曲线形态,对第二次盐化后的井液电阻率ρ2进行测量,并记录好观测时间。
6）根据规范要求,对多次盐化后的井液电阻率ρn进行测量,结束测量。
3 资料分析与解释
由于地下水流动状态受地层中的孔隙结构、水量、水力坡度、井壁等一系列综合因素影响［5］,所以井液电阻率法测定的异常是极其复杂的。
含水层类型可分为单一含水层和多个含水层。当含水层单一或含水层之间补给关系不明显且涌水量较大时,则扩散曲线呈现明显异常,井液电阻率曲线呈相对对称状,见图2。存在纵向补给关系的含水层井液电阻率曲线呈现异常偏宽,且异常随着时间变化向上方推进幅度变大,见图3。图中ρ1、ρ2、ρ3、ρ4、ρ5为各个时间段测量的井液电阻率曲线。当几个含水层之间发生水力联系时,只能确定含水层的顶界或者底界［5］。
图2 单一含水层井液电阻率曲线
图3 纵向补给关系含水层井液电阻率曲线
整个含水层上的平均渗透速度Vf具体计算公式如下：
式中：H为含水层厚度；hn-1-n为相邻两条计算线的深度差
为每个时间段平均渗透速度。
涌水量Q的计算公式如下：
式中：F为流入井中水流的横断面积；d为井径。
4 实际资料处理
含水层测试地层为二叠系下统茅口组（P2m）,岩性以石灰岩为主。钻孔深度为335 m,止测深度为329 m。盐化后测试4条井液电阻率曲线,见表1。
表1 含水层测井参数
注：盐化完成时间为2014年7月28日1时,ρ0为原始井液电阻率曲线。
根据曲线图分析,此含水层为单一含水层,在测量井段井深253 m处井液电阻率曲线出现异常,判断为涌水点。从扩散结果判定含水层顶界200 m,底界290 m。涌水量为3.46 t/d,见图4。
图4 含水层井液电阻率测量成果图
5 结语
通过以上研究及实践表明,井液电阻率法可以有效解决含水层渗透速度和涌水量的计算问题,可为矿井设计、施工提供防治水技术参数。该方法在计算水文地质参数方面具有接近地下实际、省时省力的优点；同时因钻孔打开含水层后,地下水流状态由原来的孔隙流动变成了入井汇流,加上测井过程中的各种干扰因素影响,通过测量数据直接计算得出的含水层地质参数与实际情况有一定的差距,还需进一步研究。
