基于水化學(xué)特征分析的礦井突水水源判別

賀亮亮， 呂廣羅， 胡安焱， 楊 磊， 郭 云， 李貴娟

(1.陜西省一八六煤田地質(zhì)有限公司，西安 710065；2.長安大學(xué)，西安 710061；3.國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗室，西安 710021)

0 引言

近年來，陜西省黃隴煤田永隴礦區(qū)內(nèi)各煤礦生產(chǎn)過程中頂板涌突水事故時有發(fā)生，嚴(yán)重威脅礦井安全。礦井涌突水時的水源快速判別有助于及時掌握出水來源，為礦井水害防治措施的制定提供依據(jù)。目前，礦井突水水源判別的方法主要為對含水層水位、水溫的監(jiān)測、對突水水質(zhì)的化學(xué)分析和離子含量的統(tǒng)計分析，也即要求對不同含水層水的水化學(xué)特征有一個清晰的認(rèn)識。前人在對地下水化學(xué)特征方面開展過大量的研究，王強(qiáng)民等以榆神礦區(qū)為例，通過對不同礦井水樣品的測試分析，構(gòu)建了不同充水含水層水化學(xué)特征值，并識別了不同埋深煤礦的礦井水來源[1]；周斌等通過對隴東白堊系地下水水質(zhì)數(shù)據(jù)的分析研究，得出了白堊系含水層的水化學(xué)特征[2]；施龍青等通過對陽城煤礦不同含水層水樣的常規(guī)分析，采用Piper圖、灰色關(guān)聯(lián)度和三維高密度電法對斷層水源進(jìn)行了判別[3]。這些研究成果為礦井突水水源判別提供了可參考的經(jīng)驗和方法，但其大部分為定性研究，是將同一時代的含水層視為一組，對同一含水層不同層段的水化學(xué)特征以及垂向上的變化規(guī)律研究較少[4-12]。筆者在整理永隴礦區(qū)不同礦井以往的水質(zhì)化驗數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)，區(qū)內(nèi)同一含水層不同深度的水質(zhì)化驗數(shù)據(jù)存在一定差異，產(chǎn)生了利用這些差異來分析礦井涌突水來源的想法。由此，本次以永隴礦區(qū)麟游區(qū)內(nèi)以往水質(zhì)化驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對該區(qū)涉及煤礦安全生產(chǎn)的基巖含水層水化學(xué)特征進(jìn)行了綜合分析，并對區(qū)內(nèi)3次典型的礦井涌突水來源進(jìn)行了判別，研究成果可為永隴礦區(qū)相鄰礦井提供借鑒。

1 地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

永隴礦區(qū)麟游區(qū)位于鄂爾多斯盆地南緣，處于半干旱氣候帶，年降水量中等且相對集中。除溝谷中基巖局部出露外，大部分地段為第四系黃土和新近系紅土所覆蓋。地層由老到新依次有中三疊統(tǒng)銅川組(T2t)，下侏羅統(tǒng)富縣組(J1f)、中侏羅統(tǒng)延安組(J2y)、直羅組(J2z)、安定組(J2a)，下白堊統(tǒng)宜君組(K1y)、洛河組(K1l)、華池組(K1h)，新近系及第四系(N+Q)。延安組為本區(qū)含煤地層，含有2煤層、3煤層及各分支煤層。其中2煤和3煤為局部及大部可采煤層，也是各礦的主采煤層。區(qū)內(nèi)2煤層厚0.15～15.86m，平均可采厚度7.03m；3煤層厚0.55～26.83m，平均可采厚度11.57m。

依據(jù)含水介質(zhì)類型，可將區(qū)內(nèi)煤層頂板以上含水層劃分為三大含水系統(tǒng)，包括新生界松散孔隙含水系統(tǒng)、白堊系洛河組—宜君組孔隙-裂隙含水系統(tǒng)和侏羅系直羅組—延安組裂隙含水系統(tǒng)。不同含水系統(tǒng)因水文地質(zhì)條件的差異，具有不同的地下水化學(xué)特征，甚至同一含水系統(tǒng)內(nèi)不同層段的含水層水化學(xué)特征也不同。

麟游區(qū)各礦煤層厚、埋深大，多采用綜采放頂煤開采方式，對煤層頂板覆巖結(jié)構(gòu)破壞較大。煤層采后導(dǎo)水裂隙帶普遍能夠發(fā)育進(jìn)入白堊系洛河組含水層，造成延安、直羅、宜君、洛河組含水層水在垂向上的補(bǔ)給混和。本次主要研究受導(dǎo)水裂隙帶影響的含水層水化學(xué)特征，故暫不考慮新生界含水層。

1.1 白堊系孔隙-裂隙含水層

下白堊統(tǒng)洛河組砂礫巖孔隙、裂隙含水層，宜君組礫巖裂隙含水層為本區(qū)主要含水層，二者之間無穩(wěn)定隔水層。其總厚度199.4～349.84m，平均273.49m。主要由各粒級砂、礫巖組成，以中—粗粒砂巖為主要含水層段，中、粗粒砂巖厚度占比65%，礫巖厚度占比33%，泥巖類地層僅出現(xiàn)在局部區(qū)域。據(jù)區(qū)內(nèi)鉆孔抽水試驗及流量測井資料，主要出水層段3～5個，厚度33～57m。含水層單位涌水量0.09～0.19L/(s·m)，滲透系數(shù)0.002 3～0.222 3m/d，富水性弱—中等，水質(zhì)類型一般為HCO3—Na·Mg、HCO3·SO4—Na、HCO3·SO4—Na·Mg型。由于其厚度大，富水性較其他含水層強(qiáng)，靜態(tài)儲水量大，是區(qū)內(nèi)煤礦開采的主要含水層。

1.2 侏羅系泥巖隔水層

中侏羅統(tǒng)安定組泥巖隔水層為本區(qū)白堊系含水層與侏羅系含水層之間的穩(wěn)定隔水層，厚度87.3～180.3m，平均139.7m。主要由泥巖、砂質(zhì)泥巖夾中粗粒砂巖組成，泥巖類巖層厚度占比可達(dá)86%，故可較好的增強(qiáng)其隔水能力。

1.3 侏羅系裂隙含水層

中侏羅統(tǒng)直羅組砂巖裂隙含水層、延安組煤層及其頂板砂巖裂隙含水層為本區(qū)煤層直接充水含水層，厚度39.08～156.90m，平均105.40m，變化較大。主要由砂巖、泥巖兩大類巖性組成，總體呈砂泥巖互層組合結(jié)構(gòu)，泥巖厚度占比平均在60%左右。該含水層單位涌水量0.000 5～0.001 2L/(s·m)，滲透系數(shù)0.006 4～0.016 4m/d，富水性弱。直羅組含水層水質(zhì)類型多為SO4—Na、SO4·Cl—Na、Cl—Na型，延安組含水層多為Cl—Na型。整體具有埋藏深、裂隙不甚發(fā)育、補(bǔ)給來源缺乏、導(dǎo)水性差、徑流滯緩的特點(diǎn)，地下水賦存及儲運(yùn)條件不良，在煤層回采過程中以直接疏干為主。

2 礦井涌突水情況

2.1 A礦涌突水情況

2020年9月19日1：24，2001工作面83～90#架處頂板出現(xiàn)淋水，5：10擴(kuò)大至73～115#支架，總涌水量50m3/h左右；6：21涌水量增至280m3/h；7：00涌水量達(dá)到峰值570m3/h，此后水量逐漸減小。8:00～16:00涌水量約400m3/h，16:00～24:00涌水量減至380m3/h。9月20日0:00～8:00涌水量約260m3/h，16：00～24：00涌水量維持在210m3/h。9月21日涌水量維持在170m3/h左右。9月22日開始涌水量減至約80m3/h，出水過程中未發(fā)生潰泥潰砂現(xiàn)象。

2.2 B礦涌突水情況

2020年12月10日8:08，1309工作面41、42#架架間淋水，8:36淋水成線；115～116#架滴水，70～80#架片幫1～2m，頂板破碎；9:06工作面38～42#架淋黃泥水，32～37#架滴水；11:30工作面110#架后出水，涌水量約100m3/h，沿下口處向外流淌；16:18開啟2臺300m3/h水泵排水，水位不升不降，最大涌水量約500m3/h；之后水量逐漸變小，至12月14日，涌水基本穩(wěn)定。

2021年11月22日，1309工作面出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，水量28m3/h，涌水自工作面采空區(qū)一側(cè)涌出，水色清澈、有溫度、有刺鼻氣味；23日4：00，涌水量增大至580m3/h，涌水通過放水巷自流進(jìn)入盤區(qū)水倉，利用盤區(qū)水倉排水。由于涌水時工作面整體為俯采，對工作面正常生產(chǎn)影響較小。

3 地下水水化學(xué)特征

采用表1中的數(shù)據(jù)繪制Piper三線圖，可直觀的反映出不同含水層的水化學(xué)特征差異，見圖1。

表1 研究區(qū)地下水水化學(xué)特征分析Table 1 Groundwater hydrochemical features analytical results in study area mg/L

圖1 含水層水樣Piper三線圖Figure 1 Aquifer water sample Piper trilinear nomograph

3.1 白堊系洛河組—宜君組含水層

由表1和圖1可知，1～16號水樣為白堊系含水層水樣，礦化度在430～700mg/L，均小于1 000mg/L，為淡水。其中1～5號水樣為勘探階段民井調(diào)查時取得，水樣位置為洛河組含水層上段，水樣點(diǎn)落在Piper三線圖5區(qū)的左側(cè)，水質(zhì)類型為HCO3—Na·Ca·Mg型和HCO3—Ca·Mg型；6～8號水樣為各勘探階段所施工的水文鉆孔進(jìn)行抽水試驗時取得，水樣位置為洛河組含水層中段，水樣點(diǎn)落在Piper三線圖5區(qū)的右側(cè)，水質(zhì)類型為HCO3·Cl—Na·Mg型和HCO3—Na·Ca·Mg型；9～11號水樣位置為洛河組含水層下段，水樣點(diǎn)落在Piper三線圖上下9區(qū)中間的頂點(diǎn)附近，水質(zhì)類型為HCO3·Cl—Na·Mg型和HCO3·Cl—Na·Ca·Mg型；12～16號水樣為水文孔洛河—宜君組含水層進(jìn)行混合抽水試驗時取得，水樣位置為白堊系含水層底部，水樣點(diǎn)主要落在Piper三線圖7區(qū)左側(cè)頂點(diǎn)附近，水質(zhì)類型為HCO3·Cl—Na·Mg型和HCO3·SO4·Cl—Na·Mg型。

由此可知，由于白堊系洛河組—宜君組含水層厚度較大，自上而下表現(xiàn)出了不同的地下水化學(xué)特征，水樣點(diǎn)在Piper三線圖上表現(xiàn)為自菱形中間位置的左側(cè)隨深度的增加而向右側(cè)逐漸偏移的趨勢。也說明白堊系含水層在自然狀態(tài)下，垂向上不同層段的含水層水補(bǔ)給和運(yùn)移條件具有較大的不均一性。所以，單獨(dú)依靠礦化度與水質(zhì)類型并不能區(qū)分白堊系含水層水的具體層段，必須依靠水樣點(diǎn)在Piper三線圖菱形區(qū)的位置，并結(jié)合水化學(xué)特征庫來進(jìn)行判斷。

3.2 侏羅系直羅組—延安組含水層

由表1和圖1可知，20～23號水樣為侏羅系含水層水樣，礦化度在2 204～6 274mg/L，按礦化度分類屬于微咸水—咸水，均為勘探階段所施工的水文鉆孔抽水試驗時取得，水樣位置為直羅組含水層和延安組含水層。水樣點(diǎn)落在Piper三線圖7區(qū)的右側(cè)，而且明顯可以看出，直羅組與延安組含水層混合水樣點(diǎn)向左側(cè)偏移，水質(zhì)類型為SO4·Cl—Na型和Cl—Na型，此位置地下水化學(xué)性質(zhì)以堿金屬和強(qiáng)酸為主，海水和許多鹵水均位于該區(qū)右側(cè)頂點(diǎn)附近，也說明該含水層水運(yùn)移條件差，為長期滯留地下水。

3.3 綜合分析

4 礦井涌突水水源分析

本次研究過程中收集了永隴礦區(qū)麟游區(qū)已經(jīng)生產(chǎn)的兩個礦井的涌突水水樣數(shù)據(jù)，以對涌突水出水來源進(jìn)行判別分析，將該部分水樣數(shù)據(jù)投在Piper三線圖上。由圖2可知，A礦涌突水水樣點(diǎn)均落在Piper三線圖菱形區(qū)7區(qū)的右側(cè)頂點(diǎn)附近，與直羅組—延安組含水層水化學(xué)特征相符，水質(zhì)類型為SO4—Na型和Cl—Na型，表明涌突水來源為侏羅系含水層水。B礦第一次涌突水水樣點(diǎn)均落在Piper三線圖菱形區(qū)7區(qū)的右側(cè)，但與直羅組—延安組含水層水化學(xué)特征點(diǎn)相比向左側(cè)部分偏移，處于混合水樣點(diǎn)17～18號位置的下方。水質(zhì)類型為Cl—Na型，但礦化度明顯偏低，表明涌突水來源主要為直羅組—延安組含水層水，白堊系含水層水部分參與。B礦第二次涌突水水樣點(diǎn)全落在菱形區(qū)7區(qū)的右側(cè)頂點(diǎn)附近，與直羅組—延安組含水層水化學(xué)特征相符，水質(zhì)類型為Cl—Na型，表明涌突水來源為侏羅系含水層水。

圖2 礦井涌(突)水水樣點(diǎn)Piper三線圖Figure 2 Mine water inrush (bursting) water samplingpoint Piper trilinear nomograph

為驗證Piper三線圖法分析結(jié)果的正確性，以表1中統(tǒng)計的7種水質(zhì)指標(biāo)為基礎(chǔ)，采用系統(tǒng)聚類分析法對34組化驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了分類。采用Q型聚類分析，以平方歐式距離衡量不同水樣的相似性，將水樣數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS軟件進(jìn)行運(yùn)算，得到水樣聚類分析譜系圖，見圖3。

由圖3可以看出，當(dāng)平方歐式距離小于3時，B礦第一次涌突水水樣27～30與水樣1～19分為一類，表明這次涌突水混合了白堊系含水層水；B礦第二次涌突水水樣31～34與水樣22分為一類，表明這次涌突水來源為侏羅系含水層水，且為直羅組與延安組含水層的混合水。A礦前期涌突水水樣24～25與水樣23分為一類，后期涌突水樣26與水樣21分為一類，表明這次涌突水來源前期為侏羅系直羅組—延安組含水層，后期則主要來自于延安組含水層。分析結(jié)果與Piper三線圖法一致，也與礦井實(shí)際涌突水情況一致。

圖3 水樣聚類分析譜系Figure 3 Water sample cluster analytical hierarchy

5 結(jié)論

1)通過對永隴礦區(qū)麟游區(qū)不同含水層以往水質(zhì)數(shù)據(jù)的分析，得到了本區(qū)主要含水層白堊系含水層及煤層直接充水含水層侏羅系含水層的水化學(xué)特征。發(fā)現(xiàn)白堊系含水層不同層段的水樣點(diǎn)散落在Piper三線圖菱形區(qū)的左側(cè)及中部，大致在5區(qū)范圍附近，且隨埋藏濃度的增加而逐漸向右偏移；侏羅系含水層水樣點(diǎn)則主要落在Piper三線圖菱形區(qū)7區(qū)右側(cè)頂點(diǎn)附近。

2)利用得到的麟游區(qū)水化學(xué)特征及系統(tǒng)聚類分析法對A、B兩礦的涌突水出水來源進(jìn)行了判別。認(rèn)為A礦涌突水來源為侏羅系含水層；B礦第一次涌突水來源主要為侏羅系含水層，且有白堊系含水層水參與，第二次涌突水來源為侏羅系含水層水，判別結(jié)果與礦井實(shí)際涌突水情況一致。