基于Piper圖的離子庫分區(qū)和突水水源動態(tài)轉(zhuǎn)化及判別*

楊 飛 石志遠(yuǎn) 鄭士田 王 琦 徐智敏

（1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司；2.陜西省煤礦水害防治重點(diǎn)實驗室；3.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院）

2020 年以來，新冠疫情蔓延令全球能源出現(xiàn)了供給失衡，煤炭作為我國能源結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，其安全生產(chǎn)事關(guān)我國的能源供應(yīng)與經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定增長［1-2］。近期國內(nèi)礦井突水事故頻發(fā)，給社會帶來不良影響的同時也嚴(yán)重阻礙了煤炭行業(yè)安全生產(chǎn)。突水事故發(fā)生后，對突水水源、通道的快速判別往往是災(zāi)后治理及救援的基礎(chǔ)，也是煤礦防治水工作實踐中的關(guān)鍵和重要環(huán)節(jié)［3-4］。

多年來，水化學(xué)分析方法被廣泛應(yīng)用于礦井水害防治工作中的多個環(huán)節(jié)，在礦井水害檢測及預(yù)警、突水水源判別、確定水力聯(lián)系及檢驗注漿效果等方面取得了十分理想的效果［5-8］。特別在水源判別上，廣大水文地質(zhì)工作者形成了以水化學(xué)離子為基礎(chǔ)的多種圖解分析方法（如Piper 圖、Durov 圖、Gibbs 圖、Schoeller 圖和矩形圖等），使得圖解分析方法不斷得到創(chuàng)新完善［9-13］。相較于其他圖解分析方法，Piper圖不僅可以展現(xiàn)了不同含水層同一時期的水質(zhì)類型情況，還可以展現(xiàn)同一含水層不同時期的水質(zhì)類型動態(tài)變化情況，有助于研究含水層間的水力聯(lián)系和內(nèi)在水質(zhì)運(yùn)移演化規(guī)律，對突水水源的判別也有科學(xué)的指導(dǎo)意義［14-15］。此外，Piper 圖也可有效應(yīng)用于地下水的類型判別和地下水混合作用分析計算［16］。

本研究以徐莊礦20組歷史水樣的水化學(xué)資料為基礎(chǔ)，建立了該礦的Piper 圖離子庫分區(qū)。通過對比7331 工作面突水水源不同時間點(diǎn)在離子庫分區(qū)圖的位置變化情況，確定了突水過程中突水水源的動態(tài)轉(zhuǎn)化路徑，并根據(jù)離子守恒對突水水源的構(gòu)成進(jìn)行了動態(tài)判別。

1 研究區(qū)概況及充水水源

徐莊礦位于蘇、魯交界的微山湖畔，主采煤層為山西組7#、8#煤層，采區(qū)范圍內(nèi)關(guān)鍵地層無缺失，大部分區(qū)域均能夠發(fā)育較為完整的“三帶”。經(jīng)實測煤層開采后，導(dǎo)水裂隙帶最大高度不超過86.2 m，底板破壞帶最大深度不大于42.5 m。因此，煤層回采受影響的含水層僅有下石盒子組底界砂巖含水層和7#煤層頂板砂巖含水層。但由于太原組L4灰?guī)r含水層在采區(qū)內(nèi)承壓0.85～4.35 MPa，突水系數(shù)超臨界，因此L4灰?guī)r含水層也是其主要充水水源（圖1）。

2 離子庫分區(qū)構(gòu)建

本研究基于徐莊礦歷史上采集的巷道、采空區(qū)淋水和老塘水等20 組水樣數(shù)據(jù)（表1）構(gòu)建Piper圖水化學(xué)離子庫分區(qū)?；舅悸肥菍λ畼恿蟪Ｒ?guī)離子濃度進(jìn)行多元統(tǒng)計和劃分，通過離子濃度分差異性分析，并結(jié)合采樣點(diǎn)所處環(huán)境確定水樣來源及所屬含水層。依據(jù)含水層離子濃度范圍在Piper圖中繪制出對應(yīng)的含水層離子濃度分區(qū)。最后利用現(xiàn)有水樣信息對含水層的離子庫分區(qū)進(jìn)行檢驗和校正。

2.1 離子系統(tǒng)聚類分析

利用SPSS 軟件對篩選的20 組水樣（表1）進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析，將六大常規(guī)離子（K+Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-）濃度值作為變量采用“Ward 方法”進(jìn)行聚類，得到樹譜關(guān)系圖（圖2）。由圖2 可知：20 個水樣被分為了A（5、6、10、19）、B（1、3、9）、C（2、4、8、12、13、14、15、16、17、20）和D（7、11、18）4類，其中A、B兩組之間具有良好的相似性，C、D兩組之間具有良好的相似性。

對于A 組中5#、6#水樣均來自于-750 m 集中回風(fēng)巷，10#水樣來自于Ⅱ（3）下采區(qū)補(bǔ)充運(yùn)輸巷L(fēng)4灰?guī)r含水層，19#水樣來自于Ⅱ（3）下采區(qū)-750 m 西軌道巷錨眼；對于B 組中1#、3#、9#水樣全部來自于Ⅱ（3）下采區(qū)采區(qū)-850 m 西翼皮帶大巷；對于C、D 兩組除了12#水樣外，其余12 組水樣數(shù)據(jù)均采集于7331 和7332 工作面附近的7#煤層頂板砂巖含水層及下石盒子組底界砂巖含水層。

根據(jù)圖2的分類關(guān)系，可以確定A、B組水樣全部來源于太原組L4灰?guī)r含水層；C、D組水樣幾乎全部來源于砂巖含水層，但由于采區(qū)缺乏實際揭露的7#煤層頂板砂巖含水層及下石盒子組底界砂巖含水層水質(zhì)資料，暫時無法客觀區(qū)分C、D 組的具體來源。僅能得到的結(jié)論是：A、B 組水樣為L4灰?guī)r水，C、D 組水樣為砂巖水。其中A 和B 組被分為2 個亞組，可能是由于A、B取樣點(diǎn)所處的水文地質(zhì)單元不同造成的。

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2.2 離子濃度差異分析

為進(jìn)一步確定A、B、C、D 4 組水樣的來源，需對其氧化/還原環(huán)境離子濃度進(jìn)行比較分析，將（A、B）組、C 組及D 組的離子濃度范圍進(jìn)行統(tǒng)合分析，可繪制得如圖3 所示的箱型圖。通過對A 和B、C 和D 組離子濃度差異性對比可發(fā)現(xiàn)，K+Na+、SO42-離子濃度存在巨大差異，Cl-、HCO3-離子濃度存在較為明顯差異，Ca2+、Mg2+離子離子濃度差異不明顯。其中K+Na+、SO42-離子濃度A 和B 組遠(yuǎn)大于C、D 組；Ca2+、Mg2+離子的濃度，A 和B 組與C、D 組差異不大；Cl-、HCO3-離子濃度，C、D組跨度范圍略大于A和B組。

造成這些差異的原因是，當(dāng)水樣中K+Na+、SO42-、Cl-離子濃度較高時，表明該水樣來源于較為強(qiáng)烈的還原環(huán)境中，尤其對于大埋深、水源補(bǔ)給單一的含水層，其K+Na+、SO42-、Cl-離子濃度往往偏高，A 和B 組水樣中一多半采樣點(diǎn)位于Ⅱ（3）下采區(qū)，采區(qū)內(nèi)L4灰?guī)r平均埋深超過-700 m，基本印證了A和B組水樣來源于L4灰?guī)r的事實。水樣中HCO3-離子濃度較高時，表明該組水樣來源于較為強(qiáng)烈的氧化環(huán)境，這種情況往往出現(xiàn)在埋深較淺、水源補(bǔ)給多樣的含水層。C、D 組水樣中HCO3-離子濃度遠(yuǎn)高于A 和B 組，其中C 組HCO3-離子濃度為D 組的3～4 倍，下石盒子分界砂巖埋深較7#煤層頂板砂巖淺，可以認(rèn)定C 組水樣來源于下石盒子組底界砂巖含水層，D 組水樣來自于7#煤層頂板砂巖含水層。

2.3 離子庫的分區(qū)及檢驗

通過上述分析，礦井各主要充水含水層的離子濃度取值范圍已得到明確，可據(jù)此在Piper 圖上對其水源進(jìn)行分區(qū)，形成礦井充水水源離子庫的分區(qū)圖，如圖4所示。

為進(jìn)一步檢驗離子庫分區(qū)圖的準(zhǔn)確性，可選取該礦2018年6月15日獲取的各含水層觀測孔水樣離子濃度（表2）進(jìn)行離子庫分區(qū)檢驗校正，校驗水樣在離子庫分區(qū)圖中的位置如圖5 所示。由圖5 可知：S245-1 位于Piper 三線圖得7#煤層頂板砂巖含水區(qū)，S245-2 和S245-4 位于太原組L4灰?guī)r水區(qū)，而S245-3不屬于其中任何一個分區(qū)，檢驗結(jié)果與構(gòu)建的分離子庫分區(qū)圖一致，基本印證了其準(zhǔn)確性。至此，基于Piper 三線圖的離子庫分區(qū)已構(gòu)建，今后礦井一旦出現(xiàn)突水，只需將突水點(diǎn)水樣離子濃度繪制進(jìn)Piper 三線離子庫分區(qū)圖中，即可快速判別其水源信息并制定相應(yīng)的治理方案。

3 突水水源動態(tài)判別

3.1 突水過程動態(tài)分析

2013 年10 月10 日徐莊礦7331 工作面回采期間發(fā)生突水，11月7日突水量達(dá)到最大值385 m3/h，2014年2月突水量逐漸穩(wěn)定到40 m3/h。通過對不同時間段突水水樣的水化學(xué)離子濃度分析，將其繪制到Piper離子庫分區(qū)圖中（圖6），11月21日之前水樣（1#～3#水樣）中各離子濃度基本相同，屬于圖中的7#煤層頂板砂巖水分區(qū)；12 月16 日水樣（4#水樣）與前述水樣（1#～3#水樣）離子濃度差異較大，位于圖中砂巖混合水分區(qū)，2014 年2 月7 日水樣（5#水樣）與之前所有的水樣（1#～4#水樣）均不相同，屬于圖中上石盒子砂巖水分區(qū)，說明其突水水源隨時間存在一個動態(tài)轉(zhuǎn)化的過程。如圖6 箭頭所指，其轉(zhuǎn)化路徑為7#煤層頂板砂巖水轉(zhuǎn)變?yōu)樯皫r混合水，再轉(zhuǎn)變?yōu)樯鲜凶由皫r水。

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3.2 突水水源定量判別

為進(jìn)一步探究突水水源在動態(tài)變化中的構(gòu)成，可利用混合溶液中離子守恒方法進(jìn)行定量判別。幾種水源經(jīng)過混合，溶液中的元素組分與含量應(yīng)當(dāng)不變。但由于Ca2+、Mg2+和HCO3-含量易受溶液pH 的影響而發(fā)生變化，K+Na+、SO42-和Cl-組分含量受其他離子的影響較小，可近似認(rèn)為混合溶液中K+Na+、SO42-和Cl-離子含量保持不變。

同時考慮地下水運(yùn)移過程中的溶濾、濃縮及陽離子交替吸附作用。根據(jù)礦井突水流速快、流量大的特性，其溶濾、濃縮作用可以忽略，但陽離子交替吸附極有可能導(dǎo)致水中Ca2+、Mg2+含量減少而K+Na+含量增多，對判別結(jié)果產(chǎn)生影響，因此本研究采用SO42-和Cl-來計算混合砂巖水中各充水水源所占的比例.假設(shè)突水水源中7#煤層頂板砂巖水占比X、上石盒子砂巖水占比Y，根據(jù)水樣離子濃度表（表3）則可列方程

經(jīng)計算求得7#煤層頂板砂巖水占比26.96%，上石盒子砂巖水占比73.04%。

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3.3 水源判別結(jié)果驗證

通過對回采中突水流量—工作面推進(jìn)距離關(guān)系曲線（圖7）與工作面推進(jìn)距離—頂、底板破壞深度關(guān)系曲線（圖8）的對比分析可知：當(dāng)工作面推進(jìn)至65 m前，頂板冒裂帶高度尚未波及上石盒子砂巖含水層，工作面內(nèi)正常涌水8～10 m3/h全部來自于煤層頂板砂巖含水層；工作面推進(jìn)至80 m 時，工作面發(fā)生突水，頂板冒裂帶高已發(fā)育至上石盒子砂巖含水層，此時突水源為頂板砂巖和上石盒子砂巖組合成的混合水，且隨著頂板冒裂帶高度不斷上升，突水水源中上石盒子砂巖水的比例不斷提升；工作面推進(jìn)至480 m時，突水水量減小并穩(wěn)定在40 m3/h，此時頂板冒裂帶早已貫穿上石盒子砂巖含水層且已達(dá)到穩(wěn)定，突水水量中7#煤層頂板砂巖水量為8～10 m3/h，占比為20%～25%，上石盒子砂巖水量為30～35 m3/h，占比為75%～80%，實際觀測結(jié)果與離子守恒判別方法基本一致。

4 結(jié) 論

（1）對徐莊礦往獲取20 組水樣數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類劃分，認(rèn)為A組和B組水樣來源于太原組L4灰含水層，C組和D 組水樣來源于砂巖含水層。通過離子濃度差異性分析，確定了C 組和D 組水樣分別來源于下石盒子組底界砂巖含水層和7#煤層頂板坡上清理的危巖體，不足可用周邊村、鎮(zhèn)上（運(yùn)距約10 km）建筑垃圾進(jìn)行回填，其上種植喬木復(fù)綠。

邊坡處攀援植物（如爬山虎）綠化效果好，見效快且造價低，故削坡后形成的坡面采用攀援植物（如爬山虎）復(fù)綠。設(shè)計種植穴規(guī)格為0.3 m×0.3 m×0.3 m（長×寬×深），爬山虎設(shè)計株間距為0.5 m，設(shè)計綠化率80%，設(shè)計養(yǎng)護(hù)期為2 a。

宕口底盤復(fù)綠主要復(fù)墾為有林地。設(shè)計于宕口底盤上種植喬木，樹穴直接于覆土上開挖，開挖量不小于1.0 m3。結(jié)合周圍植被情況，設(shè)計種植側(cè)柏，株間排距為3 m×3 m，種植距離距離邊坡坡腳2.0 m，距排水溝0.76 m。復(fù)墾林地區(qū)域播撒草籽復(fù)綠，可選用狗尾巴草、蒲公英、牛筋草、白茅等混合草籽進(jìn)行撒播種植。

4 結(jié) 語

結(jié)合宿州市某廢棄石料廠地質(zhì)背景條件、地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀，制定了切實可行的地質(zhì)災(zāi)害治理方案，采用分階削坡、回填覆土、噴播復(fù)綠、修筑截排水溝、布置道路、警示牌、監(jiān)測點(diǎn)等方式，對治理區(qū)的地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行工程治理，可有效預(yù)防區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，根治水土流失、粉塵污染等，提高區(qū)內(nèi)植被覆蓋率，使礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)逐步恢復(fù)，明顯改善治理區(qū)及周邊生態(tài)環(huán)境，具有明顯的生態(tài)效益。