烏東煤礦地下水水化學(xué)特征及其指示

劉旭東，許 峰，石 磊，王世東，劉 基

(1.神華新疆能源有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830084；2.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；3.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710054；4.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點實驗室，陜西 西安 710054)

煤礦開采受到煤層頂板直接充水含水層的威脅，同時也受到來自上部的間接充水含水層的影響[1，2]。準(zhǔn)確判別含水層之間的水力聯(lián)系不僅有助于準(zhǔn)確預(yù)測礦井涌水量，同時對后期制定科學(xué)合理的防治水措施至關(guān)重要[3，4]。自然中各含水層地下水的水化學(xué)成分或多或少存在差異，不同的含水層擁有其獨特的水化學(xué)特征[5，6]。近年來，利用水化學(xué)特征差異性判別突水水源[7，8]、含水層之間水力聯(lián)系[9，10]的研究多有報道。Li P等利用地下水水化學(xué)特征的差異性判別了紅墩子煤礦多層含水層之間的水力聯(lián)系[10]。劉基等利用深埋煤層礦區(qū)煤系地層地下水硫酸根離子高的特征，確定了煤系地層含水層與上覆第四系含水層無明顯水力聯(lián)系，為數(shù)值法預(yù)測礦井涌水量奠定了基礎(chǔ)[11]。這些學(xué)者對于含水層間水力聯(lián)系大部分停留在定性評價上，缺乏定量的評價。

烏東煤礦煤層開采直接充水含水層為西山窯組含水層，間接充水含水層為第四系含水層以及周圍地表水。煤礦井下開采需要預(yù)先布設(shè)排水系統(tǒng)，因此需要準(zhǔn)確預(yù)測礦井涌水量的大小。而此項工作的基礎(chǔ)是準(zhǔn)確判別西山窯組基巖含水層與第四系含水層及地表水是否有水力聯(lián)系以及其聯(lián)系程度。鑒于此，本文以烏東煤礦為研究對象，分別采集西山窯組基巖含水層、第四系含水層及地表水水樣，分析各水體水化學(xué)特征，采用多種定性和定量的方法綜合判別含水層之間的水力聯(lián)系及其聯(lián)系程度，為后期礦井涌水量預(yù)測及防治水措施制定提供參考。

1 研究區(qū)概況

烏東煤礦設(shè)計生產(chǎn)能力6.00Mt/a，礦井采用綜合機械化水平分段放頂煤采煤法，斜井、多水平、分區(qū)開拓方式。主要開采煤層為中侏羅統(tǒng)的西山窯組B3-6、B1-2。井田內(nèi)地層由老至新有侏羅系下統(tǒng)三工河組(J1s)、侏羅系中統(tǒng)西山窯組(J2x)、頭屯河組(J2t)和第四系(Q)。含水層主要有第四系孔隙潛水含水層和中侏羅統(tǒng)西山窯組裂隙孔隙含水層。其中第四系孔隙潛水含水層富水性相對較強，基巖含水層富水性相對較弱。

礦區(qū)范圍內(nèi)主要有鐵河和蘆河，其中蘆草溝水流較小，上游站日平均流量為0.031～0.190m3/s；下游站日平均流量為0～0.214m3/s。鐵廠溝上游站月平均流量為0.068～0.247m3/s；下游站月平均流量為0～0.148m3/s。

根據(jù)礦井充水因素分析，礦井煤層開采直接充水含水層為西山窯組含水層(基巖含水層J2)，間接充水含水層為第四系含水層(Q)以及周圍地表水，充水通道主要為導(dǎo)水裂縫帶及天然裂隙帶。

2 水樣采集與分析

圖1 地下水采樣點位置分布

為了保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性，隨機選用2組地下水樣品進行了重復(fù)測試，并對前后兩組測試結(jié)果進行比對分析，以消除誤差。此外，通過分析計算電荷平衡誤差(CBE)來驗證分析數(shù)據(jù)的有效性，其計算公式為[12，13]：

式中，ma和mc分別是陰陽離子的毫克當(dāng)量濃度，meq/L。

經(jīng)過重復(fù)檢測和電荷平衡分析，15件樣品測試結(jié)果均有效且CBE在±5%范圍內(nèi)。

3 結(jié)果與討論

3.1 一般水化學(xué)特征

所有采取的水樣測試結(jié)果見表1。由表1可知：

表1 水質(zhì)測試結(jié)果 mg/L(pH除外)

1)所有地下水樣品的pH介于7.1～8之間(除了J2水樣，pH>9.2)，都為弱堿性水。西山窯基巖含水層的TDS絕大部分大于6000mg/L，第四系地下水絕大部分的TDS介于859～1707mg/L之間，地表河水TDS介于458～797mg/L之間。由此可見，隨著含水層埋深的加大，地下水TDS逐漸增大，地表水和第四系地下水TDS均低于基巖含水層地下水。

根據(jù)一般水化學(xué)特征可初步判斷，第四系地下水與地表水有一定的水力聯(lián)系，與基巖地下水水力聯(lián)系較弱。

3.2 水化學(xué)類型

圖2 Piper三線圖

根據(jù)水化學(xué)類型特征可以進一步確定，第四系地下水與地表水有一定的水力聯(lián)系，與基巖地下水水力聯(lián)系較弱。

3.3 水化學(xué)影響因素

3.3.1 水-巖作用

圖3 Gibbs圖

基巖地下水樣品均落于濃縮作用控制區(qū)域，地表水和第四系地下水均落于巖石風(fēng)化-蒸發(fā)控制區(qū)域。這是由于基巖地下水埋深大，補給條件弱，徑流滯緩，受濃縮作用控制為主，地表水和第四系地下補給條件好，更新交替快，主要受巖石風(fēng)化控制，但由于研究區(qū)氣候?qū)儆诟珊?半干旱氣候，蒸發(fā)強度大于降雨強度，水化學(xué)成分一定程度上受到蒸發(fā)作用的影響。從這里也可以看出，第四系地下水與地表水有一定的水力聯(lián)系，與基巖地下水水力聯(lián)系較弱。

3.3.2 陽離子交換作用

從圖3還可以看出，一部分地下水水化學(xué)樣品落于曲線外部，這可能由于地下水在徑流過程發(fā)生了陽離子反交換作用，導(dǎo)致地下水中的Na+濃度增大。

國外學(xué)者Schoeller提出了兩個指標(biāo)(CAI-1和CAI-2)來判斷地下水和地表水中發(fā)生了什么樣的陽離子交換作用[7，16]，其計算公式為：

如果CAI-1和CAI-2均為正值，說明發(fā)生了陽離子交換作用，如反應(yīng)式(4)；如果兩指標(biāo)均為負值，說明發(fā)生了陽離子反交換作用，如反應(yīng)式(5)[11]。

2Na++(Ca，Mg)X2(Ca，Mg)2++2NaX

(4)

(Ca，Mg)2++2NaX2Na++(Ca，Mg)X2

(5)

根據(jù)研究區(qū)水化學(xué)測試數(shù)據(jù)，繪制了CAI-1和CAI-2的關(guān)系圖，如圖4所示。由圖4可看出，CAI-1和CAI-2兩指標(biāo)均為負值，說明了研究區(qū)地下水和地表水中均發(fā)生了陽離子反交換作用，即地下水和地表水中的Ca2+和Mg2+與圍巖中Na+發(fā)生了交換，導(dǎo)致水體中的Na+濃度增大。

圖4 CAI-1和CAI-2關(guān)系

3.4 水體間水力聯(lián)系

以上討論均得出了第四系地下水與地表水有一定的水力聯(lián)系，與基巖地下水水力聯(lián)系較弱的定性結(jié)論，但是到底它們之間的水力聯(lián)系程度多大，仍需要進行分析研究。

Cl-是含水層中較為常見的離子，其濃度一般只受地層本身的影響，其他因素對其濃度的影響較小。因此可以分析各含水層之間Cl-濃度的關(guān)系來判斷它們之間的水力聯(lián)系程度[16]。

含水層間水力聯(lián)系度K計算公式為：

式中，Cl1和Cl2分別代表不同含水層地下水中Cl-平均濃度。

如果K<0.2，代表兩含水層水力聯(lián)系強；如果0.20.4，代表兩含水層水力聯(lián)系低[10]。

根據(jù)研究區(qū)水化學(xué)測試數(shù)據(jù)，分別計算了第四系地下水和地表水、第四系和基巖地下水之間的聯(lián)系度，見表2。由表2可知，第四系地下水和地表水的聯(lián)系度為0.361，聯(lián)系程度為中等；第四系和基巖地下水之間的聯(lián)系度為0.404，聯(lián)系程度為低。這與之前得到的結(jié)論一致。

表2 含水層間水力聯(lián)系程度計算結(jié)果

4 結(jié) 論

本文為確定西山窯組基巖地下水、第四系地下水及地表水之間的水力聯(lián)系，采集了15件地下水和地表水水化學(xué)樣品進行分析，采用了多種方法，定性和定量分析了相鄰含水層之間的水力聯(lián)系。

2)基巖地下水主要的水化學(xué)類型為Cl·SO4-Na，地表水主要的水化學(xué)類型為HCO3·SO4-Na·Ca，第四系地下水主要的水化學(xué)類型為SO4·Cl·HCO3-Na和SO4·Cl·HCO3-Na·Ca?；鶐r地下水樣品受到濃縮作用影響，地表水和第四系地下水受到巖石風(fēng)化-蒸發(fā)影響。同時研究區(qū)地下水和地表水中還發(fā)生了陽離子反交換作用。

3)多種指標(biāo)分析發(fā)現(xiàn)，第四系地下水與地表水有一定的水力聯(lián)系，與基巖地下水水力聯(lián)系較弱。其中第四系地下水和地表水的聯(lián)系度為0.361，聯(lián)系程度為中等；第四系和基巖地下水之間的聯(lián)系度為0.404，聯(lián)系程度為低。