水化學(xué)示蹤試驗(yàn)在邱集煤礦防治水中的應(yīng)用

張禮威 張新國 張 濤

（1.山東能源集團(tuán)有限公司，山東省濟(jì)南市，250014；2.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東省青島市，266590；3.山東科技大學(xué)礦山災(zāi)害預(yù)防控制教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，山東省青島市，266590）

水化學(xué)示蹤試驗(yàn)在邱集煤礦防治水中的應(yīng)用

張禮威1張新國2，3張 濤2，3

（1.山東能源集團(tuán)有限公司，山東省濟(jì)南市，250014；2.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東省青島市，266590；3.山東科技大學(xué)礦山災(zāi)害預(yù)防控制教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，山東省青島市，266590）

為探查邱集煤礦四五灰含水層與徐奧灰含水層之間的水力聯(lián)系，用NaNO3和NH4HCO3作為示蹤劑通過地面徐灰觀測(cè)孔和奧灰觀測(cè)孔開展了水化學(xué)示蹤試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，邱集煤礦井田范圍內(nèi)奧灰含水層觀測(cè)孔與四五灰含水層出水點(diǎn)之間存在著水力聯(lián)系，但沒有形成垂向貫通裂隙；徐灰觀測(cè)孔與四五灰含水層出水點(diǎn)之間存在著明顯的水力聯(lián)系，同時(shí)形成垂向貫通裂隙。

含水層 水力聯(lián)系 示蹤試驗(yàn) 濃度分析 邱集煤礦

1 煤礦概述

邱集煤礦是我國黃河北煤田第一對(duì)試驗(yàn)型生產(chǎn)礦井，現(xiàn)主要開采7＃、10＃煤層。由于7＃、10＃煤層可采儲(chǔ)量較少，開采11＃煤層勢(shì)在必行。11＃煤層平均厚度2.02 m，直接頂為四五灰含水層，底板距徐灰含水層35.40 m，徐灰含水層距奧灰含水層7～8 m，因此11＃煤層受水害威脅比較嚴(yán)重。為解放11＃煤層，邱集煤礦在11＃煤層軌道石門布置四五灰含水層疏干工程，將軌道石門處水壓降至0.3 MPa，周圍四五灰觀測(cè)孔已處于疏干狀態(tài)。但當(dāng)掘進(jìn)至軌道石門506 m時(shí)，掘進(jìn)頭后約3 m處出水，出水前12 h地面徐灰孔和奧灰孔不同程度出現(xiàn)水位下降，四五灰含水層出現(xiàn)水位上升，出水后井下四五灰觀測(cè)孔水壓明顯回升，四五灰疏干鉆孔出水量穩(wěn)定在1000 m3／h。水文地質(zhì)條件的突變使四五灰含水層無法疏干，邱集礦不得不在11＃煤層軌道石門施工擋水墻，停止了四五灰含水層疏干工程。

為了評(píng)價(jià)11＃煤層受水害威脅程度，需查明地面奧灰觀測(cè)孔D4、徐灰觀測(cè)孔WX2與井下四五灰含水層出水點(diǎn)之間的水力聯(lián)系，確定觀測(cè)孔與井下四五灰含水層疏放水孔的補(bǔ)給關(guān)系，據(jù)此開展了水力聯(lián)系的水化學(xué)示蹤試驗(yàn)。

2 水化學(xué)示蹤試驗(yàn)

2.1 示蹤試驗(yàn)原理

示蹤試驗(yàn)是指采用與地下水化學(xué)組分背景值差異較大、穩(wěn)定并易溶性鹽類離子作為示蹤劑，通過從地面鉆孔將示蹤劑溶液注入至目標(biāo)含水層并進(jìn)行注水加壓，使其在地下水流作用下不斷運(yùn)移和擴(kuò)散，與此同時(shí)對(duì)井下各放水孔按照一定時(shí)間間隔進(jìn)行采樣監(jiān)測(cè)，依示蹤劑離子濃度變化分析放水試驗(yàn)過程中地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律，進(jìn)而間接獲得投放點(diǎn)至接收點(diǎn)之間巖溶通道或斷層的發(fā)育規(guī)律。

2.2 示蹤劑選擇

示蹤劑的選擇是一項(xiàng)非常重要的工作，它往往是試驗(yàn)成敗的關(guān)鍵。選擇示蹤劑必須考慮示蹤劑對(duì)地下水質(zhì)沒有太大影響；容易檢出，檢測(cè)的靈敏度要高；在一定時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定，不易被巖石吸附和濾掉。目前國內(nèi)所采用的示蹤劑主要有化學(xué)試劑、染料、放射性同位素等，由于本研究區(qū)水中NH4+和NO3-含量均較低，因此選用NH4HCO3和NaNO3做為本次試驗(yàn)的示蹤劑。

圖1 示蹤試驗(yàn)投樣點(diǎn)與接收點(diǎn)平面位置示意圖

2.3 示蹤劑投放與收集

示蹤劑投放點(diǎn)為奧灰觀測(cè)孔D4和徐灰觀測(cè)孔WX2，兩孔投放試劑分別為NH4HCO3和NaNO3，以NH4+和NO3-作為檢測(cè)對(duì)象。因鉆孔深度較大，為使投放的試劑達(dá)到最佳效果，采用液體投放，通過管路進(jìn)行人工加壓將液體示蹤劑投放到預(yù)定層位。示蹤劑投放后，分別在井下8個(gè)出水點(diǎn)采集水樣，即在井下3號(hào)孔、5號(hào)孔、15號(hào)孔、55號(hào)孔、57號(hào)孔、26號(hào)孔、62號(hào)孔以及掘進(jìn)頭出水點(diǎn)采取水樣，開始每隔1 h取1個(gè)水樣，后來根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。本次示蹤試驗(yàn)歷時(shí)9 d，試驗(yàn)從8個(gè)出水點(diǎn)共采集水樣1635個(gè)，示蹤試驗(yàn)投樣點(diǎn)與接收點(diǎn)平面位置如圖1所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)于每班送到地面的水樣隨時(shí)分析，保證了水樣分析的準(zhǔn)確性，根據(jù)分析結(jié)果判斷示蹤劑的濃度變化并及時(shí)調(diào)整采樣的時(shí)間間隔。測(cè)試使用的儀器是德國Photo Lab Spektral多功能水質(zhì)分析儀。

3.1 示蹤劑濃度分析

經(jīng)過對(duì)近800個(gè)水樣中的NH4+和NO3-濃度測(cè)定，獲取了NH4+示蹤劑在井下6個(gè)放水孔以及NO3-示蹤劑在井下4個(gè)放水孔的時(shí)間—濃度曲線。NH4+最快接收時(shí)間為11～24 h，接收孔為26號(hào)孔、57號(hào)孔、掘進(jìn)頭、5號(hào)孔、62號(hào)孔；NO3-最快接收時(shí)間為21～85 h，接收孔為5號(hào)孔、52號(hào)孔、掘進(jìn)頭、26號(hào)孔。NH4+濃度隨時(shí)間變化如圖2所示，NO3-濃度隨時(shí)間變化如圖3所示。

由圖2（a）可知，5號(hào)孔NH4+背景值約為0.4 mg／L，在開始一段時(shí)間內(nèi)濃度波動(dòng)較大，接收到NH4+時(shí)間為NH4HCO3示蹤劑投放后22 h，濃度為0.5 mg／L，隨后在示蹤劑投放53 h和95 h出現(xiàn)2個(gè)主要濃度峰值，濃度為別達(dá)到0.61 mg／L和0.59 mg／L。

由圖2（b）可知，掘進(jìn)頭出水點(diǎn)的NH4+變化規(guī)律與5號(hào)孔相似，示蹤劑投放后29 h開始接收到NH4+，濃度為0.28 mg／L，在示蹤劑投放21 h、53 h和75 h出現(xiàn)3個(gè)主要濃度峰值，濃度分別達(dá)到0.42 mg／L、0.40 mg／L和0.41 mg／L。

由圖2（c）可知，62號(hào)孔NH4+背景值較低，在0.1 mg／L以下，示蹤劑投放24 h后開始接收到NH4+，濃度為0.12 mg／L，隨后經(jīng)過了5次主要峰值變化，濃度從0.15 mg／L到0.36 mg／L不等。

由圖2（d）可知，26號(hào)孔在示蹤劑投放11 h后濃度開始變化，濃度為0.27 mg／L，隨后經(jīng)過了多次主要峰值變化，其中53 h和111 h處濃度均達(dá)到最大值0.46 mg／g。

由圖2（e）可知，57號(hào)孔在示蹤劑投放13 h后接收到NH4+，濃度為0.27 mg／L，隨后在53 h處濃度均達(dá)到最大值0.39 mg／L。

由圖2（f）可知，3號(hào)孔在示蹤劑投放21 h后接收到NH4+，濃度為0.33 mg／L，隨后在32 h時(shí)和95 h出現(xiàn)2個(gè)主要濃度峰值，濃度分別達(dá)到0.43 mg／L和0.41 mg／L。

圖2 放水孔NH 4+濃度隨時(shí)間變化過程曲線

由圖3（a）可知，5號(hào)孔在示蹤劑投放后21 h開始檢測(cè)到NO3-濃度變化，濃度為0.02 mg／L，隨后在35 h后達(dá)到峰值，濃度為0.7 mg／L。

由圖3（b）可知，掘進(jìn)頭在示蹤劑投放后的前29 h內(nèi)均小于0.06 mg／L，在53 h時(shí)達(dá)到最大值1.1 mg／L。

由圖3（c）可知，62號(hào)孔初始NO3-濃度在0.06 mg／L內(nèi)，24 h后開始接收到投放的示蹤離子，在隨后的36 h濃度達(dá)到最大為0.47 mg／L。

由圖3（d）可知，26號(hào)孔到示蹤劑投放85 h后才檢測(cè)到濃度變化，在157 h時(shí)達(dá)到峰值0.7 mg／L。

3.2 地下水流速估算

示蹤劑在孔隙中和裂隙中的運(yùn)動(dòng)以彌散方式進(jìn)行，當(dāng)?shù)叵滤疄殪o止時(shí)示蹤劑投入后向注入孔四周成放射狀擴(kuò)散，由于地下結(jié)構(gòu)不同，它的擴(kuò)散速度是不均勻的。當(dāng)?shù)叵滤匾欢ǖ耐ǖ阑蚩紫?、裂隙呈顯著運(yùn)動(dòng)時(shí)，示蹤劑就在水的運(yùn)動(dòng)方向上以機(jī)械彌散為主，這時(shí)示蹤劑的彌散速度要比它在靜止水中的彌散速度快得多。根據(jù)示蹤劑在水中的遷移時(shí)間及遷移路徑即可計(jì)算出地下水的實(shí)際流速。以投樣點(diǎn)到接收點(diǎn)的平面距離作為示蹤劑運(yùn)移距離，根據(jù)示蹤劑的運(yùn)移時(shí)間可得到示蹤劑的流速，計(jì)算地下水從投樣孔到取樣點(diǎn)的等效流速。

經(jīng)計(jì)算，奧灰觀測(cè)孔D4投樣的NH4+示蹤劑，到達(dá)5號(hào)孔的速度約為89.7 m／h，到達(dá)掘進(jìn)頭孔的速度約為114.3 m／h，到達(dá)62號(hào)孔的速度約為94.3 m／h，到達(dá)26號(hào)孔的速度約為71.5 m／h，到達(dá)57號(hào)孔的速度約為61.7 m／h。

徐灰觀測(cè)孔 WX2投樣的NO3-示蹤劑，到達(dá)5號(hào)孔的速度約為57.6 m／h，到達(dá)掘進(jìn)頭孔的速度約為19.8 m／h，到達(dá)62號(hào)孔的速度約為36.4 m／h，到達(dá)26號(hào)孔的速度約為8.6 m／h。

圖3 放水孔NO3-濃度隨時(shí)間變化過程曲線

4 結(jié)論

（1）地面奧灰觀測(cè)孔D4與出水點(diǎn)之間存在著水力聯(lián)系，NH4+出現(xiàn)的峰值與背景值相比，顯示度不高并且有多點(diǎn)峰值出現(xiàn)，掘進(jìn)頭出水點(diǎn)不存在大的流速優(yōu)勢(shì)，D4鉆孔及其附近沒有形成垂向貫穿的導(dǎo)水通道。

（2）在徐灰觀測(cè)孔 WX2投放的NO3-在出水點(diǎn)檢測(cè)中表現(xiàn)出明顯的峰值，初次檢測(cè)到時(shí)間、峰值點(diǎn)和濃度衰減都很明顯，井下徐灰觀測(cè)孔和四五灰觀測(cè)孔到達(dá)濃度峰值的時(shí)間接近，反映出該觀測(cè)孔和井下出水孔之間存在著明顯的水力聯(lián)系，由于底部含水層經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間的礦井排水已經(jīng)形成連通通道，地下水的實(shí)際流速較大。

（3）11＃煤層開采既受頂部四五灰含水層水的威脅，又受底部徐奧灰含水層水的威脅，11＃煤層在掘進(jìn)過程中存在突水危險(xiǎn)，應(yīng)加大對(duì)11＃煤層賦存區(qū)域水文地質(zhì)條件的勘測(cè)研究，在此基礎(chǔ)上制定防治水方案以保證11＃煤層安全生產(chǎn)。

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Application of water chemical tracer test in water prevention in Qiuji Coal Mine

Zhang Liwei1，Zhang Xinguo2，3，Zhang Tao2，3
（1.Shandong Energy Group Co.，Ltd.，Ji'nan，Shandong 250014，China；2.College of Natural Resources and Environmental Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao，Shandong 266590，China；3.Key Laboratory of Mine Disaster Prevention and Control of Ministry of Education，Shandong University of Science and Technology，Qingdao，Shandong 266590，China）

In order to explore hydraulic relationship between limestone aquifer of No.4 limp and No.5 limp and that of Xujiazhuang limestone and Ordovician limestone，NH4CO3and Na NO3as the tracer through has been put in the observation borehole of Xujiangzhuang limestone and Ordovician limestone in the ground，then hydrochemical tracer test has been developed.The results show that the observation borehole of Ordovician limestone has kept a hydraulic relationship with observation borehole of limestone aquifer of No.4 limp and No.5 limp，but vertical penetrating cracks have not been formed；the observation borehole of Xu limestone has kept a obviously hydraulic relationship with limestone aquifer of No.4 limp and No.5 limp，and vertical penetrating cracks have been formed.

aquifer，hydraulic connection，tracer test，analysis on concentration，Qiuji Coal Mine

TD745.2

A

張禮威 （1984-），男，山東菏澤人，工程師，2006年畢業(yè)于山東科技大學(xué)采礦工程專業(yè)，現(xiàn)在山東能源集團(tuán)從事技術(shù)管理工作。

（責(zé)任編輯 張艷華）