沙曲一號(hào)煤礦礦井水化學(xué)組成研究

趙新民

(華晉焦煤有限責(zé)任公司 沙曲一號(hào)煤礦， 山西 柳林 033300)

1 礦井概況

沙曲一號(hào)煤礦可采煤層有2號(hào)、3+4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)、8(8+9、8+9+10)號(hào)煤層，全井田帶壓開采，礦井水文地質(zhì)類型中等，太灰水靜水位平均標(biāo)高為+568 m，奧灰水靜水位平均標(biāo)高+780 m，現(xiàn)開采煤層為2號(hào)、4(3+4)號(hào)、5號(hào)(上組煤)，生產(chǎn)水平+400 m. 井田范圍內(nèi)上組煤承奧灰水1.774～7.027 MPa，突水系數(shù)0.020 2～0.062 2 MPa/m，目前礦井正常涌水量55 m3/h(不含生產(chǎn)水)。另外礦井地質(zhì)類型屬極復(fù)雜，為瓦斯突出礦井,2021年度礦井絕對(duì)瓦斯涌出量220.5 m3/min, 礦井相對(duì)瓦斯涌出量38.6 m3/t. 高承壓水、煤與瓦斯突出是該礦井最顯著特征。

隨著礦井開拓范圍不斷擴(kuò)大，開采深度逐漸向下延深，礦井水對(duì)礦井的威脅越來越突顯。對(duì)沙曲一號(hào)煤礦造成威脅的水源主要來自厚層灰?guī)r巖溶水(太灰、奧灰)，不同水源存在環(huán)境和水交替強(qiáng)弱的信息在水化學(xué)特征上的表現(xiàn)不同，因此通過對(duì)本區(qū)內(nèi)的主要含水層水化學(xué)特征的對(duì)比分析，快速判別生產(chǎn)過程中涌水水源，特別是對(duì)奧灰水的辨識(shí)，從而指導(dǎo)礦井迅速、準(zhǔn)確地制定治理措施，對(duì)該區(qū)域防治礦井突水具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)價(jià)值。

2 礦井各充水水源的常規(guī)水化學(xué)組成

水化學(xué)組成受控于多種因素，但主要集中于補(bǔ)給水源組成、圍巖巖性和水的混合作用，對(duì)于某個(gè)局部區(qū)域而言，其補(bǔ)給水源基本上是穩(wěn)定單一的，沙曲一號(hào)煤礦多次水文勘探也查明各含水層沒有水力聯(lián)系。因此水化學(xué)特征的分析研究，是判別礦井突水來源的有效方法?，F(xiàn)依據(jù)礦井水文歷史臺(tái)賬數(shù)據(jù)和新采集的水樣數(shù)據(jù)定量分析該區(qū)域內(nèi)的煤系地層(二疊系)砂巖裂隙水、太灰水(太原組灰?guī)r巖溶裂隙水)、奧灰水(奧陶系灰?guī)r巖溶水)及采空區(qū)積水4個(gè)主要充水水源離子特征、來源及形成機(jī)理。

2.1 煤系地層砂巖裂隙水水化學(xué)組成

沙曲井田地表出露有P2sh、P2s地層，因溝谷切割砂巖含水層中地下水或基巖風(fēng)化帶砂巖地下水多以侵蝕下降泉的形式排泄至溝谷，涌水量0.006 4～1.862 4 L/s，單位涌水量0.000 1～0.055 L·s-1·m-1，滲透系數(shù)0.001 8～0.57 m/d. 二疊系砂巖裂隙水可分為淺層基巖風(fēng)化裂隙水、深層裂隙承壓水，砂巖裂隙水的水化學(xué)類型有明顯的垂直分帶性，井田內(nèi)及周邊水文孔及礦井抽水試驗(yàn)層段均采取水樣進(jìn)行水質(zhì)全分析測試，主要離子成分含量及指標(biāo)見表1.

表1 沙曲一號(hào)煤礦煤系地層含水層常規(guī)水化學(xué)組成表 /mg/L

由表1可看出，二疊系砂巖裂隙水水化學(xué)類型主要以HCO3·SO4-Na·Mg型、HCO3·SO4-Na型為主,其次為HCO3-Na型，礦化度0.372～2.084 g/L，總硬度11.44～905.64 mg/L(CaCO3計(jì))，pH值7.17～9.10. 水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果中礦化度和總硬度差異很大的原因:1) 淺層基巖風(fēng)化裂隙水、深層裂隙承壓水自身的補(bǔ)、徑、排條件的差異。2) 巖石裂隙發(fā)育程度、埋深大小、富水性強(qiáng)弱不同，當(dāng)含水層埋深較淺、裂隙發(fā)育、富水性強(qiáng)時(shí)，其水質(zhì)礦化度、硬度減小，反之隨含水層埋藏加深，地下水補(bǔ)給條件變差，地下水交替滯緩，溶濾作用加強(qiáng)，地層鹽分明顯增加，礦化度增高，水質(zhì)變差。

2.2 太原組巖溶水水化學(xué)組成

太原組巖溶水涌水量0.058～0.361 L/s，單位涌水量0.000 64～0.014 L·s-1·m-1，滲透系數(shù)0.002 68～0.002 78 m/d. 水質(zhì)全分析測試，主要離子成分及指標(biāo)見表2.

表2 沙曲一號(hào)煤礦太灰含水層常規(guī)水化學(xué)組成表 /mg/L

由表2可知，太原組巖溶含水層的水化學(xué)類型較為單一，主要類型為HCO3-Na型、HCO3·Cl-Na型，礦化度1.190～3.486 g/L，總硬度14.83～1 292.69 mg/L(CaCO3計(jì))，pH值6.82～9.22.與上覆二疊系水化學(xué)分析資料相比，太灰水水化學(xué)類型及主要離子含量與上覆二疊系深層裂隙水基本相近，其陽離子均以Na+含量居首位，但礦化度總體上有所增高，反映出太灰水含水層水補(bǔ)給徑流時(shí)間較長。

2.3 奧陶系灰?guī)r巖溶水水化學(xué)組成

奧陶系灰?guī)r巖溶水涌水量0.006 7～0.694 L/s，單位涌水量0.000 14～0.028 2 L·s-1·m-1，滲透系數(shù)0.000 43～0.598 m/d. 根據(jù)井田內(nèi)及周邊鉆孔對(duì)奧陶系含水層采取水樣做分析測試，除AH7、AH12號(hào)水質(zhì)為O2s巖溶裂隙含水層水外，其它鉆孔為O2f巖溶裂隙含水層水，分析結(jié)果見表3. 本區(qū)巖溶含水層含水介質(zhì)為碳酸鹽巖與硫酸鹽巖混合建造的海相沉積地層，主要礦物成分為方解石、白云石和石膏，這就決定了地下水中Cl-、SO42-、Na+、Ca2+的大量存在。因此，區(qū)內(nèi)地下水主要類型為Cl·SO4-Na型、SO4·Cl-Na·Ca型、Cl-Na型，礦化度為0.413～10.69 g/L，總硬度為159.16～2 148.21 mg/L，pH值6.88～8.43.

表3 沙曲一號(hào)煤礦奧灰含水層常規(guī)水化學(xué)組成表 /mg/L

奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙水由于自身補(bǔ)、徑、排條件的差異，水化學(xué)特征存在明顯的差異。在灰?guī)r埋藏的淺部，巖溶裂隙發(fā)育，地下水交替作用強(qiáng)烈，逕流速度快，含水層富水性好，其礦化度、硬度明顯減小，水質(zhì)好，如AH8、AH9埋藏最淺，反之，在灰?guī)r深埋區(qū)，巖溶裂隙不發(fā)育，地下水交替緩慢，徑流條件差，經(jīng)長期與圍巖發(fā)生溶濾作用，溶解含水層中的化學(xué)成分，地下水的礦化度也隨之增高，導(dǎo)致地下水硬度升高，水質(zhì)變差。

2.4 采空區(qū)積水水化學(xué)組成

礦井未受到小窯破壞，采空區(qū)積水主要由自身采掘活動(dòng)形成，根據(jù)礦井在采空區(qū)積水疏放過程中采取水樣做分析測試，分析結(jié)果見表4.

表4 沙曲一號(hào)煤礦采空區(qū)積水常規(guī)水化學(xué)組成表 /mg/L

由表4可知，采空區(qū)積水的水化學(xué)主要類型為HCO3-Na型，礦化度1.532～2.628 g/L，總硬度28.68～93.02 mg/L(CaCO3計(jì))，PH值8.34～8.73.采空區(qū)積水水化學(xué)類型及主要離子含量與上覆二疊系深層裂隙水和太灰水相比基本相近，其陽離子均以Na+含量居首位，總硬度比較均一，但礦化度總體上較前兩者有所增高。

3 各充水水源水化學(xué)主要特征分析

由表1，2，3，4計(jì)算可得沙曲一號(hào)煤礦各充水水源常規(guī)水化學(xué)平均組成，見表5.

表5 沙曲一號(hào)煤礦各充水水源常規(guī)水化學(xué)平均組成表 /mg/L

1) 煤系地層砂巖裂隙水主要特征分析。

二疊系砂巖地層富水性極弱。賦存于其中的地下水由于徑流比較滯緩，在與圍巖長期接觸過程中，水中的Ca2+逐漸與圍巖中的鉀長石、鈉長石，以及黏土礦物中吸附的鈉發(fā)生離子交換，從而使陽離子逐漸由補(bǔ)給的第四系地下水中的Ca2+為主，逐漸變?yōu)橐訬a+為主；使得陰離子保持了以HCO3-為主，形成了以HCO3-Na型為主的地下水。

2) 太原組巖溶水主要特征分析。

3) 奧陶系灰?guī)r巖溶水主要特征分析。

4) 采空區(qū)積水主要特征分析。

礦井采空區(qū)積水主要來自生產(chǎn)用水以及頂板二疊系砂巖水和底板太灰水的補(bǔ)給。由于礦井開采時(shí)間短，所以形成的積水呈堿性。

4 結(jié) 論

通過對(duì)本區(qū)域內(nèi)二疊系砂巖裂隙水、太灰水、奧灰水和采空區(qū)積水離子特征、來源及形成機(jī)理的分析和研究，可以清楚得出4種水源的水質(zhì)特征。

1) 二疊系砂巖裂隙水相對(duì)于其它3種水源礦化度最低，平均陰陽離子占比中Mg2+含量占比最高、Cl-含量占比最低。

2) 灰水礦化度和采空區(qū)積水相近，大約是二疊系砂巖裂隙水的兩倍。