基于水化學(xué)和氫氧同位素特征的小屯煤礦充水條件研究

樊 娟，南生輝，劉英鋒，周天威，張光明

(1.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院,陜西 西安 710054；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；3.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710077；4.武漢中地環(huán)科水工環(huán)科技咨詢有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430073；5.貴州大方煤業(yè)有限公司小屯煤礦，貴州 大方 551600)

我國黔北地區(qū)煤礦以二疊系煤層開采為主，其頂板多見二疊系長興組灰?guī)r等，礦區(qū)內(nèi)煤礦受構(gòu)造抬升、河流切割等原因的影響多數(shù)位于當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面以上，其地形條件有利于礦井排水，礦井水文地質(zhì)條件相對(duì)簡單，但同時(shí)因?yàn)榈叵滤h(huán)交替迅速，上覆巖溶強(qiáng)徑流帶或斷層帶容易形成地下水徑流的集中或優(yōu)先通道，開采過程中形成的采動(dòng)裂隙、陷落柱等也可能構(gòu)成充水通道，使礦井面臨著更大的防排水壓力和嚴(yán)重水害威脅的可能，致使礦區(qū)內(nèi)煤礦水害事故頻發(fā)。

掌握水文地質(zhì)條件、分析礦井充水因素是煤礦防治水工作的基礎(chǔ)和前提。水文地球化學(xué)和同位素分析等方法因其具有快速、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，在判斷礦井突水水源方面得到了廣泛的運(yùn)用，可為礦井涌水量預(yù)測、水害防治提供依據(jù)。水化學(xué)和氫氧同位素方法主要包括特征離子和離子比值比較法、多元統(tǒng)計(jì)方法、數(shù)學(xué)判別模型法等。本文以小屯煤礦為例，在水文地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，劃分了小屯煤礦含水層的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)采集不同含水層或可能充水來源的地下水樣品，分析了不同含水層地下水的水化學(xué)類型與水化學(xué)組成特征，以此討論礦井可能的充水來源或不同含水層地下水與礦井地下水之間的水力聯(lián)系，以為礦井后期防排水工作提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

小屯煤礦位于貴州省畢節(jié)市境內(nèi)，緊鄰大方縣城。研究區(qū)地處貴州高原西部，主要屬于以構(gòu)造剝蝕山地地貌為主的低中山丘陵地貌。研究區(qū)地形總體表現(xiàn)為北高南低，北部地區(qū)最大高程約為1 951 m，西南地區(qū)最低高程為1 088 m，地表多數(shù)標(biāo)高在1 350 m以上，煤系地層出露標(biāo)高為1 350～1 620 m。研究區(qū)屬暖溫帶濕潤季風(fēng)氣候，多年平均降雨量為1 155 mm，降水多集中在4～9月份，占全年降水量的78.8%，年平均氣溫為11.8℃。研究區(qū)內(nèi)無較大河流，僅研究區(qū)西側(cè)有對(duì)江-白布河，其余多為地表季節(jié)性溪流。

1.1 基礎(chǔ)地質(zhì)條件

小屯煤礦構(gòu)造上位于沿北東走向的大方背斜東南翼(見圖1)，礦區(qū)總體呈一寬緩的單斜構(gòu)造，地層傾向南東，傾角一般約為8°～10°。研究區(qū)南部地區(qū)斷層較發(fā)育，北部地區(qū)沿走向和傾向發(fā)育寬緩褶皺，構(gòu)造復(fù)雜程度屬第二類即中等構(gòu)造。小屯煤礦由新至老主要分布有三疊系下統(tǒng)夜郎組九級(jí)灘段(T

y

)、三疊系下統(tǒng)夜郎組玉龍山段(T

y

)、三疊系下統(tǒng)夜郎組沙堡灣段(T

y

)、二疊系上統(tǒng)長興-大隆組(P

ch

+

d

)、二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P

l

)地層。礦區(qū)外圍是二疊系峨眉山組(P

β

)玄武巖、二疊系棲霞-茅口組(P

q

+

m

)灰?guī)r，則分布于礦區(qū)西側(cè)。其中，二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P

l

)為小屯煤礦主要含煤地層，由粉砂巖及煤層組成，屬海陸交互相含煤建造，共含煤4層，從上到下編號(hào)為：6、6、6、7，其中6煤層為小屯井田主要可采煤層。

圖1 研究區(qū)水文地質(zhì)簡圖及采樣點(diǎn)分布圖

1.2 含水巖組劃分

合理劃分研究區(qū)含水巖組是認(rèn)識(shí)地下水系統(tǒng)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，也是充分辨識(shí)礦井充水條件的基礎(chǔ)。根據(jù)地層巖性及地下水賦存特征，研究區(qū)可劃分為若干巖溶含水層和相對(duì)隔水層，如表1所示。

表1 研究區(qū)含水巖組劃分

對(duì)于二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P

l

)含煤地層來說，地表受剝蝕影響出露不全，富水性極弱，礦井中主要表現(xiàn)為滲水、滴水等。二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P

l

)煤層底板之下主要為二疊系峨眉山組(P

β

)玄武巖地層，僅淺部含風(fēng)化裂隙水，在礦區(qū)西側(cè)部分出露，可視為相對(duì)隔水層，其將二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P

l

)煤層與下伏二疊系中統(tǒng)棲霞-茅口組(P

q

+

m

)灰?guī)r巖溶裂隙含水層間隔開來，使得下伏巖溶水不會(huì)影響到6煤層的開采。同時(shí)，二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P

l

)煤層頂板上覆有二疊系上統(tǒng)長興-大隆組(P

ch

+

d

)和三疊系下統(tǒng)夜郎組玉龍山段上亞段(T

y

)巖溶裂隙復(fù)合含水層組。二疊系上統(tǒng)長興-大隆組(P

ch

+

d

)巖溶裂隙含水層雖厚度較小、地表出露規(guī)模有限、富水性中等，但直接與二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M煤層接觸，構(gòu)成礦區(qū)的直接充水含水層。三疊系下統(tǒng)夜郎組玉龍山段上亞段(T

y

)巖溶裂隙含水層被三疊系下統(tǒng)夜郎組沙堡灣段(T

y

)和三疊系下統(tǒng)夜郎組玉龍山段下亞段(T

y

)組成的相對(duì)隔水層與二疊系上統(tǒng)長興-大隆組(P

ch

+

d

)巖溶裂隙含水層分割開，該層巖溶裂隙極為發(fā)育，地表常見溶洞、落水洞、巖溶漏斗等巖溶形態(tài)，入滲補(bǔ)給條件較好，地表多見泉點(diǎn)排泄，富水性較強(qiáng)，在礦區(qū)東南側(cè)形成九股水暗河出口，是該含水層的主要排泄出口。

1.3 礦井充水條件

研究區(qū)僅西側(cè)分布對(duì)江-白布河，河床出露于二疊系中統(tǒng)棲霞-茅口組(P

q

+

m

)灰?guī)r地層，標(biāo)高約為1 088～1 260 m，低于二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P

l

)地層標(biāo)高(1 350～1 620 m)，同時(shí)研究區(qū)內(nèi)二疊系中統(tǒng)棲霞-茅口組(P

q

+

m

)灰?guī)r地層下伏于二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P

l

)地層，不會(huì)構(gòu)成對(duì)一采區(qū)礦井的主要充水威脅。此外，礦井采空區(qū)局部存在積水，但對(duì)當(dāng)前采掘生產(chǎn)的影響較小。

根據(jù)觀測資料，研究區(qū)礦井涌水量雖存在滯后現(xiàn)象，但仍與降雨量顯著相關(guān)，表明大氣降水仍是礦區(qū)的主要補(bǔ)給來源。大氣降水通過入滲補(bǔ)給充水含水層，進(jìn)而補(bǔ)給礦區(qū)，主要構(gòu)成間接充水水源。

從礦區(qū)巖溶含水層結(jié)構(gòu)上來說，研究區(qū)煤層開采后的直接充水含水層為二疊系上統(tǒng)長興-大隆組(P

ch

+

d

)碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層、二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P

l

)碎屑巖裂隙水含水層，兩者對(duì)礦井涌水的影響不可忽視。同時(shí)，煤層開采后形成的采動(dòng)裂隙等也可能使得上覆強(qiáng)徑流巖溶含水層的地下水涌入礦井，需進(jìn)一步分析這些充水來源對(duì)礦井涌水的影響。

2 樣品采集與測試

為了查明小屯煤礦礦區(qū)內(nèi)不同含水層地下水的水化學(xué)性質(zhì)及其相互聯(lián)系，于枯水期(2019年12月)在礦區(qū)地表沖溝、地下水露頭點(diǎn)、礦井排水點(diǎn)等共采集水樣42件，包含10件地表水樣品、23件地下水樣品(其中采自T

y

、T

y

、P

ch

+

d

、P

l

地層的裂隙水樣品分別為3件、18件、1件、1件)、9件井下樣品(也稱礦井水，井下樣品取自研究區(qū)一采區(qū)，由于五采區(qū)尚未開采，故未布設(shè)采樣點(diǎn)位)，按此順序依次命名為Group1～Group6。其中，井下樣品有2處取自巷道的頂板滲水，其余7處取自井下巷道的混合水樣。

水樣采集現(xiàn)場利用美國In-Situ SMARTroll手持式多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀記錄水溫、pH值、電導(dǎo)率等指標(biāo)。水樣采用瓶裝法現(xiàn)場采集，采集前先將取樣瓶用所采水樣清洗3次后再進(jìn)行樣品采集。其中，采集氫氧同位素樣品時(shí)，將水裝滿不留氣泡。所有樣品于瓶身貼上標(biāo)簽，低溫保存并運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析測定。

3 結(jié)果與討論

3.1 水化學(xué)類型特征

研究區(qū)各取樣點(diǎn)水樣中水化學(xué)組成Piper三線圖見圖2，各取樣點(diǎn)水樣中水化學(xué)組成和氫氧同位素特征統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

圖2 研究區(qū)各取樣點(diǎn)水樣中水化學(xué)組成的Piper三線圖

由圖2和表2可見：研究區(qū)不同類型或不同含水層樣品間表現(xiàn)出較為明顯的水化學(xué)組成差異。從總礦化度(TDS)分析來看，地表水樣品(Group1)中TDS的變化范圍為79.7～271.5 mg/L，平均值為163.9 mg/L出露于三疊系下統(tǒng)夜郎組九級(jí)灘段(T

y

)和玉龍山段(T

y

)、二疊系上統(tǒng)長興-大隆組(P

ch

+

d

)地下水樣品(Group2～Group4)中TDS的平均值分別為66.3 mg/L、126.2 mg/L、150.7 mg/L，而出露于二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P

l

)地下水樣品(Group5)中TDS的平均值為539.5 mg/L，礦井水樣品(Group6)中TDS的變化范圍則為241.2～1 883.8 mg/L，平均值為1 030.8 mg/L(見表2)；從水化學(xué)類型分析來看，地表水樣品與三疊系下統(tǒng)夜郎組九級(jí)灘段(T

y

)和玉龍山段(T

y

)、二疊系上統(tǒng)長興-大隆組(P

ch

+

d

)地下水樣品均以HCO-Ca型為主要水化學(xué)類型，僅個(gè)別樣品表現(xiàn)為HCO·SO-Ca型，而二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P

l

)地下水樣品則表現(xiàn)為SO-Ca·Mg型，礦井水樣品則主要表現(xiàn)為SO·HCO-Na型或HCO·SO-Na型，僅有一處樣品表現(xiàn)為SO·HCO-Ca型(見圖2)。

表2 研究區(qū)各取樣點(diǎn)水樣中水化學(xué)組成和氫氧同位素特征統(tǒng)計(jì)結(jié)果

研究區(qū)各取樣點(diǎn)水樣中硫酸鹽濃度與Na/Ca、Mg/Ca比值的關(guān)系，見圖3和圖4。

圖3 研究區(qū)各取樣點(diǎn)水樣中硫酸鹽濃度與Na/Ca比值的關(guān)系圖

圖4 研究區(qū)各取樣點(diǎn)水樣中硫酸鹽濃度與Mg/Ca比值的關(guān)系圖

由圖3和圖4可見，礦井水在表現(xiàn)出高硫酸鹽組成的同時(shí)，也表現(xiàn)出顯著高于其他地下水樣品的Na/Ca、Mg/Ca比值;除偏高的硫酸鹽組成外，研究區(qū)礦井水中還具有顯著偏高的Na，礦井水中Na的最高濃度為515.9 mg/L，平均濃度為319.9 mg/L，成為礦井水中最主要的陽離子組成，也由此決定了礦井水的水化學(xué)類型。

研究區(qū)二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P

l

)煤系地層以泥質(zhì)粉砂巖等為主，長石等硅酸鹽礦物和鹽巖等的溶解過程是地下水中Na的主要來源[見反應(yīng)式(3)]，但礦井水中Na/Cl比值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1，因此偏高的Na/Ca、Mg/Ca比值共同指示了礦井水經(jīng)歷了較為強(qiáng)烈的陽離子交換吸附作用[見反應(yīng)式(4)～(7)]。具體化學(xué)反應(yīng)式如下：

(1)

(2)

(3)

CAI-1=[

γ

(CI)-

γ

(Na)]/

γ

(CI)

(4)

(5)

(Na)(巖石)+(Ca+Mg)(水)=(Ca+Mg)(巖石)+(Na)(水)

(6)

(Na)(水)+(Ca+Mg)(巖石)=(Ca+Mg)(水)+(Na)(巖石)

(7)

反應(yīng)式(4)、(5)中，CAI-1和CAI-2為氯堿指數(shù)，通常用來表征離子交換的方向和強(qiáng)度。

3.2 硝酸鹽組成特征

地下水中硝酸鹽主要來源于農(nóng)業(yè)施肥、生活污水和工業(yè)廢水排放等人類活動(dòng)。研究區(qū)各取樣點(diǎn)水樣中硝酸鹽濃度與TDS的關(guān)系，見圖5。

圖5 研究區(qū)各取樣點(diǎn)水樣中硝酸鹽濃度與TDS的關(guān)系圖

3.3 氫氧同位素特征

一般地下水中氫氧同位素組成主要受到補(bǔ)給來源、高程等的影響，受徑流循環(huán)過程中水-巖相互作用等干擾較弱。本文選取貴陽大氣降水線為參照，繪制了研究區(qū)各取樣點(diǎn)水樣中氫氧同位素組成的關(guān)系圖，見圖6。

圖6 研究區(qū)各取樣點(diǎn)水樣中氫氧同位素組成的關(guān)系圖

由圖6可見，研究區(qū)各取樣點(diǎn)均分布在貴陽大氣降水線附近，表明研究區(qū)主要以大氣降水為主要補(bǔ)給來源；但不同組別取樣點(diǎn)表現(xiàn)出明顯的氫氧同位素組成的差異。其中，研究區(qū)地表水樣品中

δ

D、

δ

O的平均值分別為-55.1‰、-8.7‰，相較其他組別樣品氫氧同位素組成偏重，可能主要受地表蒸發(fā)作用的影響；三疊系夜郎組九級(jí)灘段地下水樣品中

δ

D、

δ

O的平均值分別為-53.9‰、-9.1‰，三疊系夜郎組玉龍山段地下水樣品中

δ

D、

δ

O的平均值則分別為-56.8‰、-9.0‰，兩者氫氧同位素組成較為近似，指示其補(bǔ)給高程或范圍較為一致；然而，二疊系長興-大隆組、龍?zhí)督M地下水樣品中

δ

D、

δ

O分別為-60.3‰、-58.4‰，相較其他組別樣品氫氧同位素組成偏輕；礦井水中

δ

D的變化范圍為-64.0‰～-57.1‰，平均值為-58.9‰，

δ

O的變化范圍為-10.6%～-9.1%，平均值為-9.7‰，與二疊系長興-大隆組、龍?zhí)督M地下水樣品中氫氧同位素組成較為近似。

從氫氧同位素組成分析，研究區(qū)礦井水樣品與二疊系長興-大隆組、龍?zhí)督M地下水樣品氫氧同位素組成近似，指示礦井水與其具有較為一致的補(bǔ)給范圍或者具有密切的水力聯(lián)系，這符合二疊系長興-大隆組、龍?zhí)督M作為煤層頂板充水含水層的結(jié)構(gòu)特征。值得注意的是，礦井水與二疊系玉龍山段地下水在氫氧同位素組成分布仍存在一定的交疊，表明礦區(qū)仍可能受到上覆三疊系夜郎組玉龍山段巖溶裂隙含水層充水的影響，但從其組成特征與交疊程度分析，上覆三疊系夜郎組玉龍山段巖溶裂隙水對(duì)礦井充水的影響程度可能并不顯著。可考慮通過進(jìn)一步的取樣調(diào)查與分析評(píng)價(jià)來確定不同水源對(duì)礦區(qū)充水的影響程度與位置。

4 結(jié) 論

(1) 在水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)上，小屯煤礦煤層所在二疊系龍?zhí)督M碎屑巖裂隙含水層的富水性較弱，二疊系長興-大隆組等地層構(gòu)成了礦區(qū)二疊系龍?zhí)督M煤層的直接充水含水層，其厚度較小、富水性中等，上覆三疊系夜郎組玉龍山段巖溶裂隙含水層受三疊系沙堡灣組相對(duì)隔水層的控制，與直接充水含水層及煤層間隔開，經(jīng)采動(dòng)裂隙等途徑方可能進(jìn)入礦井并影響礦井。

(4) 氫氧同位素組成特征表明：研究區(qū)礦井水較為富集輕同位素，主要與二疊系長興-大隆組、龍?zhí)督M等直接充水含水層的氫氧同位素組成相近，其兩者之間水力聯(lián)系密切；而與上覆三疊系夜郎組玉龍山段巖溶裂隙含水層交疊較少，表明一采區(qū)礦井水受上覆三疊系夜郎組玉龍山段巖溶裂隙水的影響較小。