礦井突水水源的判別方法

◇六盤水師范學院礦業(yè)與土木工程學院 周雅茹 高 穎 馮永兵 劉 影 趙子義 宋 淞

煤礦在發(fā)生重大突水之前，總會有相關(guān)預兆，通常可以通過水量變化來進行觀測，其量變到質(zhì)變的過程一般為“濕幫→滴水→淋水→流水→突水”。由于水量觀測不能精確地找出突水點，因此可結(jié)合水化學組分數(shù)學綜合分析、類型對比分析、水化學組分判別系列方法尋找突水水源，這樣可以預防和解決突水災害的相關(guān)問題，進而提出礦區(qū)井下突水防治的相關(guān)建議，給出遏制突水事故的有效方法。

1 概述

1.1 研究起因

礦井突水是一種在煤礦中常見且危害性極強的地質(zhì)災害。我國礦山疏干排水導致的礦井突水事故頻繁發(fā)生，據(jù)統(tǒng)計我國近30年來煤礦區(qū)因突水淹沒礦井近60次，直接經(jīng)濟損失約27億元。1984年開灤范各莊發(fā)生特大水災，此次水災造成近5億元損失。在河南焦作礦區(qū)，礦井突水發(fā)生事故共發(fā)生270余起，最大突水量高達243m3/min，突水淹井事故共發(fā)生19起，每次事故導致?lián)p失達數(shù)千萬元，礦區(qū)的排水量均高達8.86m3/s以上，平均每采1t煤就需排出60t水[1]，因此突水水源的判別和礦井突水的預防顯得尤為重要，應采取相應的措施進行礦井突水水源判別?？筛鶕?jù)豐富的經(jīng)驗和相關(guān)的新科技方法來提出礦井突水預防的方法和解決措施，從而降低經(jīng)濟損失以及保障工人的人身安全。

1.2 研究現(xiàn)狀

我國在改革開放以來煤礦行業(yè)逐漸發(fā)展起來。在煤礦開采的過程中，多次遇到礦井突水的問題，那時已經(jīng)有學者注意到礦井突水對煤礦開采的影響，在意識到礦井突水的嚴重性之后，開始了大量研究判別礦井突水水源的方法。到目前為止，在判別礦井突水水源的方法中，國內(nèi)許多學者已經(jīng)開始進行了探索和大量的科學研究[2]。對于突水水源的判別方法，國內(nèi)已經(jīng)取得了不小的成就，在此經(jīng)驗及基礎(chǔ)上，可以更高效地判別突水的水源。國外也非常重視礦井突水問題，他們使用了不同的方法進行研究，隨著時代和科技的進步，判別方法也得到更先進的條件進行完善和研究，更準確地判別出礦井突水的水源。

2 判別方法

判別礦井突水水源的方法有水源及水化學特征、水化學組分、水化學分析和水化學常量離子聯(lián)合微量元素。它們都有自己的特點，但也有局限性。我們需要根據(jù)礦井的實際水文地質(zhì)條件，將這些方法結(jié)合起來，提前做出突水預警，解決和預防突水災害的關(guān)鍵問題，為礦區(qū)井下突水防治提供建議，旨在有效遏制突水事故。

2.1 依據(jù)來源及水化學特征判別

地下水賦存情況多種多樣，它的交替條件及其復雜，導致各類含水層的水化學特征同樣有明顯的差異。從突水水源中選取六大常規(guī)離子：HCO3-、K++Na+、Ca2+、Mg2+、Cl－、SO42-作為突水水源的判別依據(jù)[3]，以此來判別礦井突水的來源，并通過大量的實踐證明理論判別結(jié)果同實際情況相差無異。

2.2 依據(jù)水化學分析法判別

對突水水源的地下水分布規(guī)律、化學特征進行研究分析[4-5]，在一定程度上能夠?qū)Φ叵滤膹搅?、排泄條件、賦存、補給進行研究分析，分析結(jié)果對判別礦井下突水水源、對井下突水進行防治都具有重要意義[4]。

邢東礦[5]在進行正常底板超前鉆孔時，發(fā)生突水。對礦井中的多個含水層的地下水進行水化學分析，將此處突水的出水點與背景值進行比對分析，結(jié)果表明該礦突水水源是奧灰?guī)r溶水。通過此實驗可得出，水化學類比分析法能夠準確地判別出突水水源的來源，故該方法能夠作為可靠的方法去判別礦井突水水源。

2.3 依據(jù)水化學組分判別

水化學組分是地下水在溶液中的當量濃度分布，它不僅能反映出水體化學性質(zhì)的演化過程，而且通過它能夠判別出地下水反應物質(zhì)的來源，一般用組分的當量濃度百分比來表示，并使用化學三線圖圖解進行分析研究[6]。由于各含水層中水形成的地質(zhì)環(huán)境、運輸、儲存過程中存在差異，不同含水層的地下水形成了不同的水化學特征。根據(jù)含水層中離子含量的差異，研究其范圍和相對平均值的變化，分析各含水層的水化學特征。在眾多研究突水的方法中，分析突水的水化學特征是確定突水水源的一種簡單而有效的方法，為礦井水治理提供了重要依據(jù)。

2.4 依據(jù)水化學常量離子聯(lián)合微量元素判別

在地下水中分布廣泛、含量較高的離子有:Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-。通過測試地下水水化學成分離子的含量，反映其在不同水樣中的分布特征，研究了地下水的運動方向和分布規(guī)律，根據(jù)水源水中化學離子濃度的差異，確定了突水水源。

根據(jù)水化學常量聯(lián)合微量元素判別突水水源，其方法為用倒錐形取水裝置，在4個礦區(qū)中的3個含水層獲取61組未經(jīng)污染的水樣，對其水樣中44種微量元素含量和常量離子進行測試，并建立相關(guān)突水水源的判別模型：Bayes判別模型[7]。水樣測試結(jié)合判別模型進行分析并判別出突水點。研究結(jié)果表明常量離子聯(lián)合微量元素及Bayes多類線性判別突水水源模型與其他判別模型相比，其判別結(jié)果更為準確，其準確率達92.9%。故此模型為煤礦突水水源判別提供了準確、有效的新方法。

3 結(jié)語

本文以礦區(qū)現(xiàn)有地下水資料和水化學試驗資料為基礎(chǔ)，嘗試建立突水水源判別模型，以指導不同含水層突水原因所在、突水水源位置、地下水徑流通道和水力聯(lián)系的研究。不同地區(qū)的地下水環(huán)境不同，研究方法也不同。因此，有必要根據(jù)當?shù)厮牡刭|(zhì)條件，分析含水層的水化學特征和突水情況。這是判斷礦井突水水源、探索礦井水文地質(zhì)條件的一種簡便有效的方法。為礦井水防治提供重要依據(jù)，從而為解決和進一步預防礦井突水防治的關(guān)鍵問題提出相關(guān)建議及有效遏制突水事故。