桃園礦區(qū)II1028工作面突水特征及水源識別

江少華　王來斌

摘 要：本文在研究桃園煤礦II1028工作面地質(zhì)條件及水文地質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，對桃園煤礦II1028工作面突水特征、水化學(xué)特征、含水層水位動態(tài)變化進行分析，并進行突水水源識別。結(jié)果表明，突水水質(zhì)與10煤上下砂巖裂隙含水層、太灰含水層的水質(zhì)相關(guān)，說明突水水源主要是來自于10煤上下砂巖裂隙水，太原組灰?guī)r含水層是主要補給水源。

關(guān)鍵詞：礦井突水;水源;水化學(xué)

中圖分類號：TD745文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）13-0061-04

Water Inrush Characteristics and Water Source Identification

of Working Face II1028 in Taoyuan Mining Area

JIANG Shaohua WANG Laibin

（School of Earth and Environment， Anhui University of Science and Technology，Huainan Anhui 232001）

Abstract： Based on the study of the geological conditions and hydrogeological characteristics of II1028 working face in Taoyuan Coal Mine， this paper analyzed the water inrush characteristics， hydrochemical characteristics， and the dynamic change of aquifer water level of II1028 working face in Taoyuan Coal Mine， and identifies the water inrush source. The results show that the water quality of the water inrush is related to the water quality of 10 coal upper and lower sandstone fracture aquifer and Taiyuan limestone aquifer， indicating that the water inrush source is mainly from 10 coal upper and lower sandstone fracture water， and the limestone aquifer of Taiyuan formation is the main supply water source.

Keywords： mine water inrush;water source;water chemistry

孫本魁[1]等人通過水源逐步判別法判斷了突水水源;桂和榮[2]、陳陸望[3]等人通過環(huán)境同位素，識別了突水水源;張瑞鋼[4]、王心義[5]等人應(yīng)用多元統(tǒng)計方法對煤礦的水文地質(zhì)條件進行探查，在提取水源樣本的前提下，應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計方法將水源樣本中特征離子作為分析變量，從而準確地判別了突水水源;閆志剛、王震等人分別采用灰色關(guān)聯(lián)法[6]、模糊數(shù)學(xué)方法[7]、支持向量機法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，選取六大常規(guī)離子作為判別突水水源的依據(jù)，準確判別礦井的突水來源，實踐證明理論判別結(jié)果與實際情況大致相同，這說明所使用的判別模型能適用于實踐;何召全[8]等人通過歐氏距離及遺傳距離聚類，將兩類突水水源的樣本進行歸類。本文以桃園煤礦1028工作面突水為例，探討突水特征及水源識別。

1 工作面地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

1.1 工作面地質(zhì)條件

10煤層位于山西組中部，平均厚度為2.96 m，傾角為18°～37°。根據(jù)鉆探與井巷揭露資料，該區(qū)發(fā)育了石炭-二疊煤系地層系統(tǒng)，地層為一走向北北東、傾向南東東的單斜構(gòu)造，巖層傾角為10°～15°。斷裂構(gòu)造發(fā)育，斷層均為正斷層，傾向以N30°～60°W，大部分為落差小于5 m的斷層。

1.2 工作面水文地質(zhì)條件

工作面開采過程中，主要充水含水層有四個方面：一是新生界松散第四含水層;二是10煤層上下砂巖裂隙含水層;三是太灰組灰?guī)r含水層;四是奧陶系灰?guī)r含水層。

1.2.1 新生界松散第四含水層。該含水層直接覆蓋在煤系地層之上，含水層純厚為0～39.90 m，平均厚為15 m。含水層巖性較復(fù)雜，由礫石、砂礫、半膠結(jié)礫巖、黏土質(zhì)礫石、砂層及黏土質(zhì)砂等組成。含水層單位涌水量為0.001 074～0.206 8/s·m，滲透系數(shù)為0.009～0.54 m/d，水質(zhì)為HCO3·SO4-Na型。此地帶雖然沉積了較厚的礫石、砂礫、黏土礫石，但受古地形控制，含水性不強。

1.2.2 10煤層上下砂巖裂隙含水層。該含水層一般由中、細砂巖組成，一般厚度為10～20 m。此層段砂巖裂隙發(fā)育不均，局部裂隙發(fā)育較好。10煤層上下抽水試驗表明，單位涌水量為0.000 95～0.549 L/（s·m），滲透系數(shù)為0.001 33～0.81 7 m/d，水質(zhì)為SO4·Cl-Na·Ca型。砂巖水主要以淋滲方式進入巷道，水量為5～10 m3/h，說明10煤層頂?shù)装迳皫r富水性較弱。

1.2.3 太原組灰?guī)r含水層。太原組主要由石灰?guī)r、泥巖、粉砂巖組成，井田鉆孔揭露其總厚為69.65 m，灰?guī)r4層，累計厚度為27.86 m，占太原組厚度的40%，灰?guī)r單層厚度為2.1～6.36 m，其中三灰、四灰厚度較大。抽水試驗資料表明，單位涌水量為1.351 1～1.924 L/（s·m），滲透系數(shù)為1.74～1.18 m/d，水質(zhì)類型為SO4·HCO3-Ca·Mg·Na型，富水性中等。

1.2.4 奧陶系灰?guī)r含水層。主要成分為石灰?guī)r，上部裂隙發(fā)育，有水蝕銹斑，局部溶洞、溶穴發(fā)育。據(jù)2011觀1孔抽水試驗資料，單位涌水量為0.718～0.727 L/（s·m），滲透系數(shù)為1.34～1.45 m/d，為富水性中等的含水層，是礦井其他含水層的補給源，也是礦井充水的間接含水層。

2 工作面突水特征

2.1 突水特征

2016年9月8日，工作面機巷回采至F28-1斷層處，05：47，工作面7#架煤壁底板沿斷層面出水，水量為5 m3/h，06：07增大至10 m3/h，08：50水量為30 m3/h，12：24水量為40 m3/h，后持續(xù)穩(wěn)定，出水渾濁，呈灰黑色，類似水泥漿液，出水沉淀物呈粉末狀，鹽酸滴定有氣泡產(chǎn)生，輕微硫化氫氣味。從工作面的突水情況來看，初始水量為4～10 m3/h，僅經(jīng)歷20 min，而水量為10～40 m3/h經(jīng)歷了377 min，然后持續(xù)一段時間穩(wěn)定為40 m3/h。最后逐漸衰減，至11月10日減小至20 m3/h，11月24日后水量穩(wěn)定為4.5 m3/h。Ⅱ1028工作面水量變化曲線如圖1所示。

3 突水水源識別

皖北礦區(qū)礦井突水水源主要有4種：新生界松散層第四含水層（簡稱“四含”）、二疊系煤系砂巖含水層（簡稱“煤系”）、石炭系太原組灰?guī)r含水層（簡稱“太灰”）和奧陶系灰?guī)r含水層（簡稱“奧灰”）。

3.1 含水層水位變化

工作面太灰及奧灰露頭附近布置了3個地面觀測孔，有1個太灰、2個奧灰地面觀測孔，其中98觀3孔為太原組（5～11灰）水文觀測孔，位于工作面西北方向32°，距離工作面0.68 km。11觀1孔為中奧陶系灰?guī)r水文觀測孔，位于工作面西北方向39°，距離工作面1.4 km。98觀1為奧陶系灰?guī)r水文觀測孔，位于工作面西南方向45°，距離工作面1.6 km。

工作面突水時，引起含水層的水位下降，II1028工作面突水后觀測孔變化曲線圖如圖2所示。地面98觀3太灰觀測孔出水前水位標高為-214 m，至23日08：00，水位為-236.08 m，累計下降22.08 m，太灰水位明顯下降。11觀1奧灰觀測孔水位標高為-7.77 m，至23日08：00，水位-8.83 m;98觀1奧灰觀測孔水位為-12.09 m，至23日08：00，水位為-12.77 m，出水前后奧灰水位均呈規(guī)律波動，水位下降不明顯。說明工作面突水主要為太灰水，而與奧灰水基本無關(guān)。

3.2 水化學(xué)資料分析

通過對桃園礦區(qū)進行水文地質(zhì)勘察及取樣，選取了9個突水水樣，4個含水層水樣。分別選取K++Na+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、Cl-、SO42-、TDS（溶解性總固體）為突水判別模型中突水水源的水質(zhì)指標，如表1所示。對水樣數(shù)據(jù)進行初始分析并量化處理，然后采用Aquachem軟件繪制地下水Piper三線圖（見圖3），了解及分析各含水層離子分布情況。通過分析可知，II1028工作面突水的水質(zhì)常規(guī)離子的陰離子（HCO3-、Cl-、SO42-）與太灰水、砂巖裂隙水、奧灰水接近，而與四含水差別較大。但從含水層水位變化看，已經(jīng)排除奧灰水，說明突水水源既有砂巖裂隙水，又有太灰水。

4 結(jié)論

通過分析II1028工作面突水涌水量、觀測孔水位變化和水質(zhì)常規(guī)離子含量等資料可以得知，工作面具有開始涌水量遞增速度較快、后持續(xù)穩(wěn)定等特點。太原組灰?guī)r含水層水文觀測孔（5～11灰）開始時水位降幅較大，隨后降幅逐漸減少，突水水樣水質(zhì)常規(guī)離子的陰離子與太灰水、10煤上下砂巖裂隙水接近，說明開始突水為10煤上下砂巖裂隙水，然后太原組灰?guī)r水逐漸進入補給，穩(wěn)定之后為太原組灰?guī)r水。

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收稿日期：2020-04-13

作者簡介：江少華（1994—），男，碩士，研究方向：礦井水文地質(zhì)與工程地質(zhì)。