基于特定水化學(xué)特征的礦井涌水量構(gòu)成比例分析＊

楊志斌，邊 凱

(1.中煤科工集團(tuán) 西安研究院有限公司，陜西 西安710054;2.河北工程大學(xué) 資源學(xué)院，河北 邯鄲056038)

0 引 言

礦井水害一直是煤礦建設(shè)和生產(chǎn)過程中的主要災(zāi)害之一，而礦井涌水量預(yù)測又一直是礦井水害防治過程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，礦井涌水量大小及其構(gòu)成比例不僅是對礦井建設(shè)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)、合理開發(fā)的重要指標(biāo)，更是煤礦生產(chǎn)設(shè)計(jì)部門制定采掘方案、確定礦井排水能力、制定礦井防治水措施、防止重大水害和合理利用地下水資源的重要依據(jù)［1-2］。國內(nèi)外學(xué)者針對礦井涌水量預(yù)測做了大量的研究工作，目前礦井涌水量預(yù)測大致可以分為確定性和不確定性分析方法2 類，其中確定性分析方法主要包括解析法、數(shù)值法、模擬法、水均衡法，不確定性分析方法主要包括水文地質(zhì)比擬法、相關(guān)分析法、模糊數(shù)學(xué)、灰色系統(tǒng)、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和時(shí)間系列分析法等［3-5］。但是，由于礦井涌水往往是多個(gè)含水層同時(shí)參與，涌水機(jī)理極其復(fù)雜，致使煤礦井下涌水點(diǎn)呈網(wǎng)狀分布，難以準(zhǔn)確掌握礦井涌水量的構(gòu)成比例。目前對礦井涌水量的構(gòu)成比例研究較少［6］，文中通過分析偃龍煤田常村煤礦各個(gè)充水含水層不同平面位置上水化學(xué)特征的差異，結(jié)合不同含水層水混合效應(yīng)水化學(xué)特征，找出各個(gè)充水含水層的特征離子，根據(jù)特征離子中溶解度大的離子在水混合過程中遵守質(zhì)量守恒原理，構(gòu)建以礦井涌水量構(gòu)成比例為未知數(shù)的多元一次方程求取礦井涌水量的構(gòu)成比例。

1 礦區(qū)水文地質(zhì)特征

常村煤礦主采二疊系下統(tǒng)山西組下部二1 煤層，沉煤基底為寒武系，礦區(qū)大部分被新近系和第四系所覆蓋，僅在局部有零星基巖出露。礦井主要充水水源為太原組灰?guī)r含水層和寒武系巖溶裂隙含水層。太原組含水巖組平均厚度不足40 m，巖溶裂隙發(fā)育不均一，按其巖性組合可分為上、中、下3 段，其中上段L7灰?guī)r含水層距二1 煤底板不足10 m，單位涌水量0.064 ～0.964 L/(s·m)，滲透系數(shù)0.017 ～5.825 m/d，為二1煤開采的直接充水含水層，對二1 煤安全生產(chǎn)構(gòu)成一定威脅。寒武系巖溶裂隙含水層距二1 煤底板間距平均為45 m，巖溶裂隙發(fā)育極不均一，單位涌水量0.012 ～83.76 L/(s·m)，滲透系數(shù)0.033 ～3.71 m/d，為二1煤開采的間接充水含水層，正常情況下對二1煤安全生產(chǎn)無影響，但在構(gòu)造發(fā)育地段可成為二1 煤開采的直接充水水源。二1煤頂板孔隙裂隙含水巖組單位涌水量0.000 89 ～0.1 L/s·m，滲透系數(shù)0.014 3 ～0.045 2 m/d，雖為礦井直接充水水源，但一般不會(huì)對礦井安全生產(chǎn)構(gòu)成威脅。

2 礦井涌水水源水化學(xué)特征

常村煤礦礦井涌水量主要以二1煤頂板砂巖裂隙水、底板L7灰?guī)r水和底板寒武系灰?guī)r水3 部分組成，不同含水層水由于其賦存的介質(zhì)類型不同、補(bǔ)徑排條件不同、人類生產(chǎn)生活對其造成的影響程度不同等因素造成各自的水化學(xué)特征不同［7-8］。常村煤礦自建井以來不同時(shí)期共積累了3 個(gè)主要充水含水層的水質(zhì)分析報(bào)告單24 份，在考慮各份水質(zhì)分析報(bào)告單所驗(yàn)水樣是否是單層含水層水還是多層含水層水、單層含水層水樣取樣過程中是否有其它水源混入和各單層含水層判層是否準(zhǔn)確3 個(gè)因素的基礎(chǔ)上［9］，對該24 份水質(zhì)分析報(bào)告單進(jìn)行了逐一甄別，最終確定了3 個(gè)主要充水含水層共13 份水質(zhì)分析報(bào)告作為文中研究的水化學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，詳見表1 所示，表1 中礦井水為來自井底中央水倉不同含水層水的混合水樣。

為了更形象地看出各水樣的水化學(xué)特征差異，根據(jù)表1 中各水樣的K+，Na+，Ca2+，Mg2+，，，Cl-七中常規(guī)離子含量數(shù)據(jù)采用Aquachem 軟件繪制了表征各水樣水質(zhì)特征的Piper 三線圖解，Piper 三線圖解由2 個(gè)三角形和1 個(gè)菱形共同組成，其中2 個(gè)三角形分別表示陰陽離子的毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)，左下方為陽離子，右下方為陰離子，菱形的3 個(gè)邊分別兩兩對應(yīng)表示和+Cl-以及K++Na+和Ca2++Mg2+，如圖1所示。

表1 各水樣水化學(xué)特征Tab.1 Water chemical characteristics of samples

圖1 各水樣水質(zhì)特征Piper 三線圖解Fig.1 Water quality characteristics of Piper diagram

結(jié)合表1 和圖1 可以看出，L7灰水、寒灰水和礦井水3 種水樣的水化學(xué)特征相似，水質(zhì)類型均為Ca—Mg—HCO3，Piper 三線圖解中顯示3 種水樣的陰陽離子毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)也基本相同，在圖中的分布位置幾乎集中在一點(diǎn)。但是，頂板水由于Ca2+，Mg2+，SO2-43 種離子含量與其它3 種水樣有較明顯差異，特別是SO2-4離子含量明顯高于其它3 種水樣，致使頂板水易與其它3 種水樣區(qū)分開，Piper 三線圖解中也明顯顯示出頂板水分布位置不同于其它3 種水樣。

由于礦井水是由頂板水、L7灰水和寒灰水3 個(gè)含水層水混合而成，而礦井水水化學(xué)特征與L7灰水和寒灰水相似，與頂板水卻有明顯差異，初步說明常村煤礦礦井涌水主要由L7灰水和寒灰水構(gòu)成，頂板涌水占比較小。

圖2 混合水樣中陽離子含量變化曲線Fig.2 Changing curve of cation content in mixing water samples

圖3 混合水樣中陰離子含量變化曲線Fig.3 Changing curve of anionic content in mixing water samples

3 寒灰水和L7灰水混合效應(yīng)水化學(xué)特征

由于寒灰水和L7灰水水化學(xué)特征相似，為了分析2 種水樣的水質(zhì)差異，選取寒灰水11 號(hào)水樣和L7灰水7 號(hào)水樣按照體積比從1∶9到9∶1配比進(jìn)行混合［10-11］，得到2 種水樣不同體積配比的9 個(gè)混合水樣，然后檢測其水化學(xué)常規(guī)離子含量變化情況，檢測結(jié)果見表2，在此基礎(chǔ)上繪制了9 個(gè)混合水樣的陰陽離子含量變化曲線(圖2，圖3)。

表2 寒灰水和L7灰水混合效應(yīng)水化學(xué)特征Tab.2 Water chemical characteristics of the mixing Cambrianlimestone and limestoneL7 water

1)陽離子含量變化趨勢。從圖2 可知，隨著寒灰水混合比例的增加，Ca2+，Mg2+離子含量變化趨勢不明顯，K++Na+離子含量變化趨勢明顯，其中Ca2+離子含量從72.15 mg/L 逐漸遞減至69.18 mg/L，Mg2+離子含量從20.12 逐漸遞增至23.86 mg/L，而K++Na+離子含量則從11.62 mg/L 較快升至24.75 mg/L.

2)陰離子含量變化趨勢。從圖3 可知，隨著寒灰水混合比例的增加，，Cl-離子含量變化趨勢不明顯，離子含量變化趨勢明顯，其中離子含量從297.15 mg/L 逐漸遞增至300.98 mg/L，Cl-離子含量從6.37 mg/L 逐漸遞增至11.79 mg/L，而離子含量則從13.16 mg/L較快升至52.39 mg/L.

4 礦井涌水量構(gòu)成比例分析

根據(jù)前述分析可知，可以把K++Na+和離子視為常村煤礦頂板水、L7灰水和寒灰水3 種水樣的特征離子。依據(jù)質(zhì)量守恒定律，如果頂板水、L7灰水和寒灰水3 種水樣在混合過程中某種離子沒有因水樣混合后發(fā)生的各種水化學(xué)反應(yīng)而改變其形態(tài)和結(jié)構(gòu)，而仍以離子的形態(tài)全部溶解于水中，那么該種離子的總含量應(yīng)該為3 種水樣混合之前的各自該種離子含量之和［12-14］。查閱7 種水化學(xué)常規(guī)離子的溶解度可知，K+、Na+、Ca2+、Mg2+的鹵化物和硫酸鹽溶解度大，較易溶解在水中，而Ca2+、Mg2+的碳酸鹽溶解度小，較難溶解在水中，見表3［15］。

表3 某些鹽類的溶解度(g·L -1)Tab.3 Solubility of ions in water samples

綜上所述，依據(jù)頂板水、L7灰水和寒灰水3 種水樣混合前后水溶液中的K++Na+和SO2-4離子含量遵守質(zhì)量守恒定律，假定中央水倉中所取礦井水樣中的頂板水、L7灰水和寒灰水各自占比分別為x，y，z，考慮同一含水層不同平面位置水質(zhì)差異和中央水倉中的水樣是由井下各個(gè)涌水點(diǎn)水樣組成，在構(gòu)建以K++Na+和SO2-4離子含量為標(biāo)量、以3 種水樣占比為未知數(shù)的三元一次方程時(shí)，3 種水樣的K++Na+和SO2-4離子含量分別取表1 中各自水樣不同平面位置的K++Na+和SO2-4離子含量的平均值，見表4.

表4 各水樣特征離子含量平均值Tab.4 Average ions content of each sample

根據(jù)前述分析構(gòu)建以常村煤礦礦井涌水量構(gòu)成比例為未知數(shù)的三元一次方程如下

解三元一次方程式(1)得x =2%，y =74%，z=24%，表明常村煤礦頂板水、L7灰水和寒灰水各自占礦井總涌水量的比例分別為2%，74%，24%，根據(jù)常村煤礦2015 年5 月進(jìn)行井下聯(lián)合排水試驗(yàn)前實(shí)測的各含水層出水點(diǎn)涌水量統(tǒng)計(jì)資料(見表5)，可以看出，實(shí)測的井下頂板水、L7灰水和寒灰水涌水量占比與預(yù)測的各涌水量占比基本吻合。

表5 常村煤礦各涌水量實(shí)測占比與預(yù)測占比對比Tab.5 Comparison between measured and forecast values of the mine water in Changcun coal mine

5 結(jié) 論

1)常村煤礦L7灰水和寒灰水水化學(xué)特征相似程度較高，但頂板水因離子含量明顯偏高易與其區(qū)分開。

2)常村煤礦寒灰水和L7灰水水樣混合試驗(yàn)表明隨著寒灰水混合比例的增加，陽離子中K++Na+離子含量變化趨勢明顯，陰離子中離子含量變化趨勢明顯。綜合頂板水與L7灰水和寒灰水的水化學(xué)特征差異，可以把K++Na+和離子視為此3 種水樣的特征離子。

3)根據(jù)溶解度大的K++Na+和特征離子在水樣混合前后遵守質(zhì)量守恒原理，通過構(gòu)建并求解以礦井涌水量構(gòu)成比例為未知數(shù)的三元一次方程式預(yù)測常村煤礦頂板水、L7灰水和寒灰水在礦井涌水量中的占比分別為2%，74%，24%，與實(shí)測的各涌水量占比基本吻合。

4)為求更客觀真實(shí)地預(yù)測礦井涌水量構(gòu)成比例，因同一含水層同一平面位置不同剖面上水質(zhì)可能有差異，應(yīng)盡可能多地獲取各個(gè)充水含水層不同平面和不同剖面位置上的水質(zhì)資料。

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