煤礦采空區(qū)積水水源的識別研究

任海峰 吳青海 李西民 嚴由吉

摘 要：為了能夠準確判別采空區(qū)積水水源，以陜西黃陵二號煤礦為例，在各含水層水質分析的基礎上，運用模糊綜合評判法和水化學特征分析法準確判別出采空區(qū)積水的水源。研究認為，在每個含水層采集了3個水樣，共計18個，并對各含水層水樣的K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-4、HCO-3、CO2-3、Fe3+、Fe2+各種陰陽離子進行了水質分析化驗，在此基礎上，選取各水樣陰陽例子濃度指標作為分類因素進行模糊綜合評判，依據最大隸屬度原則來確定積水水源，其結果為采空區(qū)積水來自侏羅系延安組含水層。對各含水層水樣進行水化學特征分析，并繪制水化學背景Piper三線圖和水源判別Piper三線圖，發(fā)現(xiàn)采空區(qū)積水水源以侏羅系直羅組和延安組含水層為主。再者，頂板導水裂隙帶是采空區(qū)充水的主要途徑，導水裂隙帶絕大部分在延安組發(fā)育，少數(shù)區(qū)段發(fā)育至直羅組底部。立足模糊綜合評判法和水化學特征分析法，結合導水裂隙帶發(fā)育高度，得出采空區(qū)積水主要水源是侏羅系延安組含水層，次要水源是侏羅系直羅組含水層底部。關鍵詞：采空區(qū)積水;水化學分析;模糊綜合評判;含水層;水源 中圖分類號：TD 741

文獻標志碼：A

文章編號：1672-9315（2021）02-0246-07

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2021.0208開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Idenfification of water source in coal mine goaf

REN Haifeng1，WU Qinghai1，LI Ximin2，YAN Youji1

（1.College of Safety Science and Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;

2.Shaanxi Huangling No.2 Coal Mine Co.，Ltd.，Huangling 721307，China）

Abstract：In order to accurately identify the water source of goaf ponding，taking Huangling No.2 Coal Mine as an example，the fuzzy comprehensive evaluation method and hydrochemical characteristic analysis method are used to discriminate the water source of goaf ponding，based on the water quality analysis of each aquifer.According to the research，three water samples were collected in each aquifer，a total of 18 samples，and the water quality of K+，Na+，Ca2+，Mg2+，Cl-，SO2-4，HCO-3，CO2-3，F(xiàn)e3+，F(xiàn)e2+ ions in each aquifer was analyzed.On this basis，the concentration indexes of Yin and Yang samples of each water sample were selected as classification factors for fuzzy comprehensive evaluation，and the product was determined according to the principle of maximum membership degree The result shows that the water in goaf comes from the aquifer of Yanan formation of Jurassic system.Then，the hydrochemical characteristics of water samples of each aquifer are analyzed，and the piper threeline map of hydrochemical background and the piper threeline map of water source discrimination are drawn.It is found that the main water sources in the goaf are aquifers of Jurassic Zhiluo Formation and Yanan formation.Moreover，the roof water diversion fracture zone is the main way to fill water in the goaf.Most of the water diversion fracture zones are developed in Yanan Formation，and a few sections are developed to the bottom of Zhiluo formation.Finally，the main source of water in goaf is the aquifer of Yanan formation of Jurassic system，and the secondary source is the bottom of the aquifer of Zhiluo Formation of Jurassic system.Key words：goaf water;hydrochemical analysis;fuzzy comprehensive evaluation;aquifer;water source

0 引 言隨著煤田開采逐漸由淺部轉向深部，采掘活動的影響范圍逐漸擴大，采空區(qū)積水對礦井安全生產的影響日益凸顯。采空區(qū)積水是威脅煤礦安全生產的嚴重水害因素，如何準確判別采空區(qū)積水的水源是預防礦井水害的關鍵性因素之一。水化學特征分析法、模糊綜合評判法是判別采空區(qū)積水的主要方法[1-3]。水化學特征分析法，可以判斷地下水的來源，揭示不同含水層間水力聯(lián)系，有助于認識區(qū)域地下水水化學特征[4-6]。

QUANG等應用水化學分析，揭示了德國魯爾地區(qū)煤礦地下水水文化學演變過程[7]。楊建通過對葫蘆素煤礦各含水層的水化學特征分析，判別了該礦礦井水來源[8]。郭瑞等在大量水化學資料分析的基礎上，將水化學分析與Fisher分析法結合判別水源[9]。VERMEULEN等在南非的一個煤礦采用水化學分析法分析采動是否破壞淺部含水層和較深含水層之間的水文地質屏障，從而確定了2個含水層之間潛在的導水區(qū)域[10]。ZHANG等采用水化學分析、Fisher判別分析等方法，對安徽古北煤礦突水水源進行了識別[11]。

DELIA等應用水化學分析法分析了地表水、地下水和礦井水之間的關系[12]，魏大勇等運用分形理論與模糊綜合評判方法對恒源礦底板突水的危險區(qū)域進行分區(qū)與預測[13]。GUAN等應用模糊綜合評價法和聚類分析法，對內蒙古民東一礦的突水水源進行了識別[14]。姬亞東基于聚類分析的模糊綜合評判法，對頂板涌水區(qū)進行了劃分[15]。李鳳蓮等為了提高水源判別準確率，提出一種改進的模糊綜合評判模型[16]。張紅梅等針對臥龍湖煤礦砂巖裂隙含水層水文地質條件，采用模糊聚類綜合評判方法對該含水層富水性進行了綜合評判[17]。代革聯(lián)等采用水質分析對比和系統(tǒng)聚類分析相結合的方法，判別了象山煤礦280排矸石門突水的水源[18]。水化學特征分析法、模糊綜合評判法具有各自的優(yōu)點，但是，水化學特征分析法受水文地質條件的干擾較大，模糊綜合評判法中樣本選取、權重系數(shù)確定對判定結果影響較大。單一分析法難以顧全各種影響因素，為了更加準確判別采空區(qū)積水水源，本研究立足于將模糊綜合評判方法和水化學特征分析方法有機結合起來，以陜西黃陵二號煤礦為例，綜合判別采空區(qū)積水的水源。

1 水文地質特征及水樣特征

1.1 水文地質特征黃陵二號煤礦地處陜北黃土高原南部，屬于黃隴侏羅系煤田，位于鄂爾多斯盆地南緣。侏羅系延安組為本區(qū)含煤地層，主采煤層為2#煤層，平均厚度2.32 m，層位穩(wěn)定且全區(qū)分布。開采方式為單水平、分盤區(qū)開采。地層總體傾向北西，地層傾角小于5°。按巖性組合及含水層水力性質埋藏條件等，該區(qū)含水層自上而下主要有：地表水、第四系、白堊系、侏羅系。第四系松散層含水層巖性為細砂，屬弱-極弱富水的含水層。白堊系洛河組含水層巖性以砂巖為主，富水性屬中等-強。侏羅系自上而下分為侏羅系直羅組、侏羅系延安組，富水性為弱-極弱。

1.2 水樣采集與特征分析前期采集水樣18個，并對各水樣的水質特征進行了化驗。第1～15號水樣分別采自于地表水、第四系松散層、白堊系洛河組、侏羅系直羅組、侏羅系延安組;第16～18號水樣采自于采空區(qū)積水。主要檢測指標包括：K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-4、HCO-3。各水樣水質特征見表1。

2 模糊綜合評判法判別水源模糊綜合評判法是一種基于模糊數(shù)學的綜合評判方法，該方法根據模糊數(shù)學的隸屬度理論把定性評判轉化為定量評判，即用模糊數(shù)學對受到多種因素制約的事物或對象做出一個總體的評判[19-20]。

選取采集的各個水樣陰陽例子濃度指標作為分類因素進行綜合評判，并建立影響因素集合U={Ca2+，Mg2+，Na++K+，SO2-4，HCO-3，Cl-};所以選取地表水、第四系水以及各含水層水樣陰陽例子濃度平均值作為對應水源的背景值。因侏羅系延安組與侏羅系直羅組含水層距離采空區(qū)相對更近，因此建立評判集合B={洛河組水Ⅰ，直羅組水Ⅱ，延安組水Ⅲ}，V={第四系水Ⅰ，直羅組水Ⅱ，延安組水Ⅲ}，F(xiàn)={地表水Ⅰ，直羅組水Ⅱ，延安組水Ⅲ}。因計算過程相同，就以評判集合B為例進行計算，并選取16、17、18號采空區(qū)水樣作為因素指標實測值（表2）。

2.1 建立權重模糊矩陣

E={e1，e2，e3，e4，e5，e6}，其中ei=（xi/ai）/

∑6i=1

xiai

（∑6i=1ei=1，

ei>0）

（1）

式中 ei為權重向量;xi為采空區(qū)積水樣中第i個因素指標實測值;ai為對應的第i個因素指標在3個已知含水層中的平均值。依據以上公式并以16號采空區(qū)水樣為例得出E1={0.10，0.05，0.22，006，0.09，0.48}。

2.2 確定隸屬度函數(shù)依據已知信息，采用專家推理法，確定隸屬度函數(shù)為梯形模糊分布函數(shù)。以16號水樣中的Ca2+為例進行計算，其隸屬度函數(shù)r采用降半階梯型分布函數(shù)。

r=

1x≤50.17

61.08-x61.08-50.1750.17

0x≥61.08

（2）

式中 x為采空區(qū)積水源因素指標實測值;r為Ca2+對Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ水源隸屬度。計算結果以矩陣形式表達。以采空區(qū)16號水樣為例，計算出Rca=（0，0.970 0，0.030 0）。同理，分別計算出Mg2+、Na++K+、SO2-4、HCO-3、Cl-作為影響因素的評判結果，進而求出模糊評價矩陣R1。

R1

=

00.870 90.129 1

00.970 00.030 0

001

00.868 20.131 8

0.382 50.617 50

001

2.3 模糊矩陣復合運算通過模糊矩陣復合運算得到16號水樣的綜合評判結果為

B1=E1R1=（0.03，0.24，0.72）同理分別求出17、18號采空區(qū)積水水樣的權重模糊矩陣E2和E3以及模糊評價矩陣R2和R3，得出綜合評判結果B2和B3。16、17、18號采空區(qū)積水水樣的評判結果見表3。

2.4 評判結果評判結果B1中0.72>0.24>0.03，其中003、0.24、0.72分別代表白堊系洛河組、侏羅系直羅組、侏羅系延安組水樣對于采空區(qū)水樣的隸屬度，依據最大隸屬度原則分析得出：16號水樣來源為侏羅系延安組。同理分析B2和B3可得17號、18號水樣來源均為侏羅系延安組，即采空區(qū)積水來自侏羅系延安組。各計算結果表明侏羅系延安組水樣的隸屬度最大，而侏羅系直羅組次之。但侏羅系直羅組水是否作為采空區(qū)積水來源之一，模糊綜合評判法因模糊性的干擾無法進行有效的判別，因此下文將進行進一步的驗證，并結合導水通道研究綜合判別水源。

3 水化學特征分析法判別水源含水層的巖性特征、水文地質條件以及賦存環(huán)境等對地下水化學成分的形成產生重要影響[21-23]。不同含水層因圍巖性質、循環(huán)條件等因素的作用，具有不同的水化學特征，通過分析各含水層的水化學特征并與采空區(qū)積水進行比較，進而判別水源[24-25]。

3.1 各含水層水化學特征分析

3.1.1 地表水水化學特征地表水屬于弱堿性水，礦化度較低。水質類型為HCO3-Mg·Ca、HCO3·SO4-Mg·Ca型水，與大氣降水具有相同的水質。

3.1.2 第四系含水層水水化學特征第四系含水層水為弱堿性，低礦化度。水化學類型為HCO3-Mg·Ca、HCO3-Na·Ca，水化學類型與地表水接近。

3.1.3 白堊系洛河組含水層水化學特征白堊系洛河組水質總體表現(xiàn)為低礦化度、弱堿性、重碳酸鈣型水特征。水質類型以HCO3·SO4-Na·Ca（Mg）、HCO3-Mg·Ca為主。該含水層與地表水、第四系松散層水力聯(lián)系非常密切，水循環(huán)較快，可以將地表水、第四系和白堊系含水層視為一個整體的淺部含水層。

3.1.4 侏羅系直羅組含水層水化學特征

侏羅系直羅組含水層水質呈弱堿性，礦化度較高，含水層水化學類型以SO4-Na、Cl-Na為主，其水化學特征與第四系和白堊系含水層存在顯著區(qū)別，說明本地區(qū)淺部含水層與深部含水層在地下水運移和水文地球化學演化等方面存在較大差異。

3.1.5 侏羅系延安組含水層水化學特征侏羅系延安組水質呈弱堿性，水質類型為SO4-Na、Cl-Na型。延安組水的礦化度在礦區(qū)含水層中最高。長期的滯流型地下水運移和水文地球化學演化過程中，形成了高礦化度、弱堿性、硫酸鈉（氯化鈉）型水。

3.1.6 采空區(qū)積水水化學特征采空區(qū)積水的水化學類型以SO4·Cl-Na、Cl·SO4-Na為主。水化學特征表明，采空區(qū)積水主要受深部含水層巖性、地下水運移、水巖作用綜合影響，以及頂板水進入采空區(qū)后，與巖石垮落物發(fā)生的水巖作用，導致采空區(qū)儲水形成了高礦化度、硫酸鈉（氯化鈉）型水，與淺部含水層（包括第四系和白堊系）存在較大差異，水質與侏羅系直羅組、侏羅系延安組接近。

3.2 采空區(qū)積水水源分析依據表1所有水樣數(shù)據，利用Aquachem軟件繪制水化學背景Piper三線圖和水源判別Piper三線圖，如圖1和圖2所示。

從圖1可分析出地表水主要處于菱形的左側，白堊系洛河組水和第四系水處于左中部，水質類型主要呈現(xiàn)出HCO3-Ca（Mg）的特點，可與地表水視為同一淺部含水層。而直羅組和延安組含水層水樣處于菱形的右側，水質類型呈現(xiàn)出SO4-Na型和Cl-Na型的特點。圖2直觀顯示出采空區(qū)積水樣位于菱形右端，水質類型為SO4-Na型和Cl-Na型，與侏羅系直羅組和侏羅系延安組含水層水樣相似。從兩圖分析可以得出：采空區(qū)積水水源來自侏羅系直羅組和延安組。采空區(qū)積水水化學特征與淺部含水層（地表水、第四系、白堊系）存在非常大的差異，與侏羅系直羅組和侏羅系延安組水化學特征相近，表明采空區(qū)積水水源以侏羅系直羅組和延安組含水層水為主。

4 導水通道判斷礦井充水分別受大氣降水、地表水和地下水等因素的影響，通過以上模糊綜合評判法和水化學特征分析得出，采空區(qū)積水水源與侏羅系的直羅組和延安組含水層有關，與淺部的地表水、第四系水、白堊系差異很大。這就排除了大氣降水和地表水作為礦井充水的可能性。調研地質資料可知，該礦未發(fā)現(xiàn)落差較大的斷層、巖溶陷落柱以及封閉質量不良的鉆孔等。由此推斷，該礦區(qū)采空區(qū)積水的主要導水通道是采空區(qū)上部的導水裂隙帶。根據《礦區(qū)水文地質工程地質勘探規(guī)范》（GB12719-91）中的冒落帶、導水裂隙帶最大高度經驗公式計算可得，導水裂隙帶最大高度為7.35～105.80 m，一般72 m。根據該礦的鉆孔資料，絕大部分鉆孔導水裂隙帶位于侏羅系延安組，僅西南部的4個鉆孔導水裂隙帶發(fā)育至侏羅系直羅組下段（表4），突破高度分別為6.30 m、6.18 m、517 m、6.63 m。

5 結 論1）模糊綜合評判法得出采空區(qū)積水來自侏羅系延安組含水層。2）水化學特征分析結果發(fā)現(xiàn)采空區(qū)積水水化學特征與侏羅系直羅組和延安組非常接近。3）導水裂隙帶是采空區(qū)積水的主要導水通道，導水裂隙帶主要在侏羅系延安組發(fā)育，少數(shù)區(qū)段發(fā)育至侏羅系直羅組底部。4）根據模糊綜合評判法以及水化學特征的分析結果，結合導水裂隙帶發(fā)育高度，能準確地判斷出采空區(qū)積水水源主要來自侏羅系延安組含水層，少部分來自直羅組含水層。

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