新疆東溝煤礦充水水源識別及水文地球化學(xué)特征研究

史秋艾

(中煤地生態(tài)環(huán)境科技有限公司，北京 100070)

0 引言

含水層中的地下水與圍巖及其他含水層存在著溶濾作用、混合作用和陽離子交替吸附作用等各種水文地球化學(xué)作用,使得不同水源的水化學(xué)特征存在著差異，同一水源的地下水水化學(xué)特征相近，不同水源的含水層即便是兩個(gè)有一定程度水力聯(lián)系的含水層，它們中的地下水水化學(xué)特征也會表現(xiàn)出一定程度的差異[1]。我們可以利用這些化學(xué)特征的差異對含水層的充水水源進(jìn)行識別[2]。水源識別技術(shù)目前被廣泛應(yīng)用于礦井頂?shù)装逵?突)水的治理中，通過準(zhǔn)確判別充水水源制定相應(yīng)的防治水措施，保障礦井的安全生產(chǎn)。

在礦井涌(突)水水源判別中常采用同位素測定法、灰色關(guān)聯(lián)度法、Piper三線圖法、元素類別法、距離判別法、模糊數(shù)學(xué)法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等[3]，但在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)采用單一方法判別水源的準(zhǔn)確率不高，姜鵬提出了采用綜合評判的方法對水源進(jìn)行判別，并以高莊煤礦為例驗(yàn)證了綜合評判法使得水源識別的結(jié)果更為準(zhǔn)確[4]。因此，本次采用Piper三線圖、聚類分析、灰色關(guān)聯(lián)度三種方法對小東溝煤礦1602工作面淋水水源、B6煤頂板水充水水源進(jìn)行綜合判別，結(jié)合煤礦的水文地質(zhì)條件及礦井充水因素分析，認(rèn)為礦井主要受采空區(qū)積水、火燒區(qū)積水、上部砂巖裂隙水及第四系潛水的威脅。針對礦井在B6煤層B1602首采工作面南北兩條巷道中部頂板出現(xiàn)的淋水問題，為保障煤礦安全，本次選取東溝河水、雨水、東溝煤礦觀2孔和觀3孔、第四系孔隙水、煤礦三煤組、二煤組、一煤組以及本次取樣采集的B4煤以及B6煤頂板水、礦井周邊九萬噸老窯積水、中侏羅統(tǒng)西山窯組燒變巖潛水進(jìn)行分析確定充水水源[5]。

1 地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

井田內(nèi)發(fā)育地層由老至新為下侏羅統(tǒng)三工河組、中侏羅統(tǒng)西山窯組，第四系。含煤地層為侏羅系西山窯組，主采煤層為B6煤。B6煤可采厚度為2.36～3.9m，平均厚3.19m，頂板為粗砂巖、細(xì)砂巖與泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖互層。煤礦主要含水層有第四系孔隙潛水含水層、中侏羅統(tǒng)西山窯組燒變巖潛水含水層、中侏羅統(tǒng)西山窯組砂巖含水層[6]。第四系孔隙潛水含水層主要分布在西部小東溝河兩岸，呈南北向條帶狀分布，可通過巖石裂隙補(bǔ)給下覆基巖含水層和火燒區(qū)含水層，從而與之發(fā)生水力聯(lián)系。西山窯組基巖含水層屬弱─強(qiáng)富水性含水層，受本區(qū)構(gòu)造及巖性影響，淺部(南部)含水層由于水的靜水壓力小，水力聯(lián)系不甚密切，向中、北部含水層的靜水壓力逐漸增大，加之本區(qū)巖層多以砂巖為主，隔水性相對較差，因此中、北部基巖含水層的水力聯(lián)系逐漸密切。區(qū)內(nèi)火燒區(qū)分布范圍小，主要分布在礦區(qū)的南部和小東溝河附近，因燒變巖含水層與基巖含水層直接接觸，致使燒變巖水沿基巖裂隙直接滲透補(bǔ)給基巖含水層，兩含水層聯(lián)系密切。

2 水文地球化學(xué)特征

2.1 地表水

2.2 第四系孔隙水

2.3 中侏羅統(tǒng)西山窯組砂巖裂隙

中侏羅統(tǒng)西山窯組砂巖裂隙水樣品共6個(gè)，分別是以往采集呼圖壁縣東溝煤礦三煤組、二煤組、一煤組以及本次取樣采集的B4煤以及B6煤頂板水，主要成分含量見圖1c。

2.4 老空水

表1 老空水主要成分

2.5 中侏羅統(tǒng)西山窯組燒變巖潛水

2.6 1602首采工作面淋水

表2 礦井水主要成分

a.地表水及雨水

b.第四系孔隙水

c.西山窯組砂巖裂隙水

d.燒變巖潛水

3 B6煤頂板充水水源識別

在選取常規(guī)水化學(xué)指標(biāo)作為特征因子基礎(chǔ)上，分別建立Piper三線圖、系統(tǒng)聚類分析和灰色關(guān)聯(lián)度判別模型，并對各判別模型判別效果進(jìn)行分析，為東溝煤礦防治水工作提供依據(jù)。

3.1 利用Piper三線圖識別突水水源

根據(jù)水樣中常規(guī)水化學(xué)指標(biāo)的測試結(jié)果，各含水層的水樣被點(diǎn)繪在圖上(圖2)。

圖2 研究區(qū)水質(zhì)綜合Piper三線圖Figure 2 Piper trilinear diagram of water quality in study area

3.2 基于聚類分析方法識別淋水水源

聚類分析是一種多元分析技術(shù)，將所研究的對象視為同一空間中的點(diǎn)，運(yùn)用數(shù)學(xué)方法研究點(diǎn)與點(diǎn)之間的疏密關(guān)系，從而得到所研究的對象間的相似關(guān)系，把關(guān)系密切的點(diǎn)歸為一群，否則歸為不同類，最終實(shí)現(xiàn)了對研究對象的分類[7-8]。聚類分析算法的種類很多，其中比較常用且應(yīng)用比較成功的一種系統(tǒng)聚類法。本次采用聚類分析法對礦區(qū)水樣進(jìn)行了分析，結(jié)果見圖3。

圖3 礦區(qū)各取樣點(diǎn)水化學(xué)特征系統(tǒng)聚類分析Figure 3 Cluster analysis of hydrochemical characteristics of sampling points in the mining area

由圖3可知，B6煤開采產(chǎn)生的頂板淋水與三煤組砂巖裂隙水、B6煤頂板水等砂巖裂隙水水化學(xué)特征的歐式距離較近，因此推測B6煤開采產(chǎn)生的頂板淋水推測是來自中侏羅統(tǒng)西山窯組砂巖裂隙水。

3.3 灰色關(guān)聯(lián)度判別淋水水源

灰色關(guān)聯(lián)度方法是根據(jù)不同因素間動態(tài)過程的相似性或相異程度來衡量因素間發(fā)展態(tài)勢的一種量化方法，即將研究對象(突水點(diǎn)的水質(zhì))及影響因素的因子值(常規(guī)水化學(xué)指標(biāo))視為一條線上的點(diǎn)，與待識別對象及影響因素的因子值所繪制的曲線進(jìn)行比較，比較它們之間的貼進(jìn)度，并分別量化，計(jì)算出研究對象與待識別對象各影響因素之間的貼近程度的關(guān)聯(lián)度，通過比較各關(guān)聯(lián)度的大小來判斷待識別對象與研究對象的影響程度[9-11]。

本文以所有水樣的常規(guī)水化學(xué)當(dāng)量濃度及pH值作為參考序列，將雨水、地表水、第四系孔隙水、燒變巖潛水、老空水和西山窯組砂巖裂隙水各類型水樣的濃度、礦化度和pH值平均值作為因素序列，參考序列示例及因素序列見表3。

表3 參考序列及因素序列

根據(jù)分析結(jié)果可知，與Piper三線圖和聚類分析相比，灰色關(guān)聯(lián)度模型對B6煤開采產(chǎn)生的頂板淋水的水源識別效果有了大幅提高。其中老空水與特征序列(頂板淋水)的關(guān)聯(lián)度較好，達(dá)到了0.841；中侏羅統(tǒng)西山窯組砂巖裂隙水以及第四系孔隙水，其與頂板淋水的關(guān)聯(lián)度均大于0.8。因此，進(jìn)一步推測B6煤開采產(chǎn)生的頂板淋水可能是來自礦區(qū)老空水、煤系砂巖裂隙水以及第四系孔隙水，其補(bǔ)給率分別為0.343、0.330、0.327。

4 結(jié)論

基于上述所建立Piper三線圖、系統(tǒng)聚類分析和灰色關(guān)聯(lián)度判別模型，對各種方法綜合分析，首先根據(jù)Piper三線圖，由于頂板淋水水樣點(diǎn)距其它水樣點(diǎn)較遠(yuǎn)，水質(zhì)類型差異較大，因此推測B6煤開采產(chǎn)生的頂板淋水可能是來自多種水源的混合水。根據(jù)各水樣點(diǎn)水化學(xué)特征的系統(tǒng)聚類分析，由于各水樣點(diǎn)的水化學(xué)特征較為相似，而B6煤開采產(chǎn)生的頂板淋水水質(zhì)特征與中侏羅統(tǒng)西山窯組砂巖裂隙水的水質(zhì)特征相對距離較近。最后通過灰色關(guān)聯(lián)度判別模型，進(jìn)一步研究了頂板淋水的來源，老空水、中侏羅統(tǒng)西山窯組砂巖裂隙水以及第四系孔隙水與特征序列(頂板淋水)的關(guān)聯(lián)度較好。因此，工作面開采產(chǎn)生的頂板淋水推測主要來源于導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高發(fā)育以及地層擾動導(dǎo)致的西山窯組煤系砂巖水補(bǔ)給，疑似導(dǎo)水性斷層導(dǎo)通礦區(qū)老空水補(bǔ)給以及上部孔隙水補(bǔ)給。

基于上述結(jié)論，由于工作面頂板淋水推測存在老空水補(bǔ)給，為了工作面的正常、安全開采，還需要及時(shí)對1602工作面附近斷層進(jìn)行導(dǎo)、富水性探測，并按照《煤礦防治水細(xì)則》中的相關(guān)規(guī)定在工作面及九萬噸采空區(qū)間預(yù)留足夠的防隔水煤柱。