呼吉爾特礦區(qū)石拉烏素煤礦礦井涌水水源判別及定量分析

李運(yùn)江，王 偉，許 峰，黃 歡，4*，趙 慧

（1.內(nèi)蒙古昊盛煤業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017399；2.中煤科工西安研究院（集團(tuán)）有限公司，陜西西安710077；3.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室，陜西西安 710077；4.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；5.兗礦能源（鄂爾多斯）有限公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017010）

鄂爾多斯盆地北部深埋侏羅紀(jì)煤田區(qū)（包括呼吉爾特礦區(qū)、納林河礦區(qū)、新街礦區(qū)等）為重要的煤炭資源后備區(qū)，該區(qū)礦井具有采深大（＞600m）、水文地質(zhì)條件復(fù)雜等特點(diǎn)。石拉烏素煤礦位于呼吉爾特礦區(qū)東部，該礦主采煤層受其頂板多層巨厚復(fù)合含水層的影響，使得工作面開采過程中涌水較大，對(duì)工作面防排水系統(tǒng)造成較大壓力，如1208 工作面回采初期采空區(qū)出現(xiàn)兩次涌水量突增現(xiàn)象，增加量均達(dá)到200～300m3/h，采空區(qū)涌水量最大為1 000m3/h。由于對(duì)井下涌水主要充水含水層以及各含水層充水的貢獻(xiàn)度缺少系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)和定量化的研究，導(dǎo)致以往礦井防治水工作缺乏針對(duì)性。在煤礦井下涌水水源判別研究中，水文地球化學(xué)分析是一種十分簡(jiǎn)便、可行的研究手段［1-10］。為此，本次通過水質(zhì)全分析、同位素以及有機(jī)物檢測(cè)，獲取井下涌水與各含水層水化學(xué)特征，分析其水力聯(lián)系，定量化評(píng)價(jià)各含水層對(duì)于井下充水的貢獻(xiàn)度，從水化學(xué)角度揭示井下涌水來源，為煤礦防治水工作提供有力的理論支撐和基礎(chǔ)保障。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)特征

石拉烏素煤礦處于毛烏素沙漠與黃土高原的接壤地帶，井田面積約70.64km2，目前主采2-2煤層，分為南北兩翼開采，煤層上覆地層由老至新分別為侏羅系延安組、直羅組、安定組、白堊系志丹群以及第四系松散層，其中主要含水層為侏羅系直羅組含水層和白堊系志丹群含水層，主要隔水層為侏羅系安定組隔水層，以上地層組合形成典型的巨厚復(fù)合含水層。主采煤層與主要含（隔）水層空間關(guān)系詳如圖1所示。

以往勘探資料表明，侏羅系直羅組含水層含水層平均厚度153.23m，地下水位埋深為62.2～124.7m，水位標(biāo)高為+1 247.5～+1 274.7m，單位涌水量為0.008～0.016L/（s·m）-1，滲透系數(shù)為0.199m/d，富水性弱；白堊系志丹群含水層平均厚度350.81m，地下水為埋深為7.6～107.3m，水位標(biāo)高為+1 139.7～+1 328.7m，單位涌水量為0.008～0.243L/（s·m）-1，滲透系數(shù)為0.177m/d，富水性弱—中等。

2 水樣采集與檢測(cè)

2022 年1 月礦井對(duì)志丹群含水層開展抽水試驗(yàn)，抽水試驗(yàn)過程中采取水樣，同時(shí)采取井下疏放直羅組含水層水水樣、采空區(qū)水樣。開展水質(zhì)全分析15 組、同位素分析19 組、溶解性有機(jī)質(zhì)分析樣品10 組。水樣采集過程嚴(yán)格按照《煤炭資源地質(zhì)勘探地表水、地下水長(zhǎng)期觀測(cè)及水樣采取規(guī)程》執(zhí)行。

水質(zhì)全分析項(xiàng)目包括：礦化度、pH 值、Ca2＋、Mg2＋、Na＋、K＋、SO42-、Cl-與HCO3-。其中主要陽離子（Ca2＋、Mg2＋、Na＋、K＋）采用美國Perkin-Elmer 8300DV 型電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀檢測(cè)分析；主要陰離子SO42-、Cl-采用美國Thermo ICS-600型離子色譜儀檢測(cè)分析；HCO3-采用化學(xué)滴定法檢測(cè)分析。

同位素分析項(xiàng)目包括δD 和δ18O，通過液態(tài)水同位素分析儀，采用偏軸積分腔輸出光譜技術(shù)（OAICOS）方法檢測(cè)分析；溶解性有機(jī)質(zhì)種類采用三維熒光光譜指紋技術(shù)來測(cè)定，并通過TOC 值（總有機(jī)碳）來表征其含量。

3 水化學(xué)分析

3.1 主要離子及礦化度特征

通過檢測(cè)分析，獲取主要含水層與井下涌水中主要指標(biāo)含量結(jié)果見表1。

表1 研究區(qū)水樣主要離子含量分析結(jié)果Table 1 Analysis of main ion content in water sample

根據(jù)7 種主要陰陽離子濃度繪制Piper 三線圖，如圖2所示。志丹群含水層地下水的水化學(xué)類型為HCO3—Ca·Na 型；直羅組含水層地下水的水化學(xué)類型為SO4—Na及SO4·HCO3—Na型；礦井水的水化學(xué)類型SO4·HCO3—Na。同時(shí)，繪制了水樣主要離子Schoeller圖（圖3）。從Schoeller圖中顯示，礦井水與直羅組地下水的離子含量水平較為接近，同時(shí)部分離子（Cl-、Na+、Mg+）濃度介于志丹群含水層與直羅組含水層水之間，從水化學(xué)類型分析，礦井水為志丹群與直羅組含水層混合水的可能性較大。

圖2 主要水化學(xué)離子Piper三線圖Figure 2 Piper triple line diagram of major water chemicalions

圖3 研究區(qū)主要水化學(xué)離子Schoeller圖Figure 3 Schoeller diagram of major water chemical ions

總體而言，白堊系志丹群含水層地下水中離子含量均比較低，陽離子主要為Na+和Ca2+。隨著埋深的增加，與志丹群含水層相比，直羅組地下水中Na+含量呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)。相反，Ca2+和Mg2+含量呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。由此可以推測(cè)出Ca2+和Mg2+在淺層地下水向深層含水層補(bǔ)給過程中除了受水巖作用影響外，還受到陽離子交換作用的影響，即上部淺層地下水（志丹群含水層水）與有Na+和（或）K+的巖土發(fā)生陽離子交替吸附作用，使得深層地下水（直羅組含水層水）中Na+和K+濃度含量上升，Ca2+和Mg2+濃度含量下降［11-13］。

3.2 同位素特征

通過檢測(cè)分析得到19組樣品的δD和δ18O值，如表2 所示。各水源穩(wěn)定同位素δD（VSMOW）平均值在-85.92‰～-59.93‰，δ18O（VSMOW）平均值在-11.42‰～-7.64‰。通過前人研究得到本研究區(qū)域大氣降水線方程為δD=7.13δ18O-1.67‰［14］。依據(jù)表2，繪制研究區(qū)各水源中δD-δ18O關(guān)系圖，如圖4所示。

表2 研究區(qū)各類型水樣δD、δ18O值Table 2 Value of δD and δ18O in water sample ‰

圖4 研究區(qū)各水樣δD-δ18O關(guān)系圖Figure 4 Relationship between δD-δ18O in water sample

從圖4中可以看出，志丹群含水層地下水、直羅組含水層地下水δD 與δ18O 基本落在當(dāng)?shù)卮髿饨邓€上或其附近，說明地下水主要來自大氣降水補(bǔ)給，大氣降水沿第四系沙層裸露區(qū)入滲補(bǔ)給白堊系志丹群含水層，白堊系志丹群含水層也可能越流補(bǔ)給直羅組含水層。此外，礦井水δD 與δ18O 基本落在志丹群含水層水和直羅組含水層水之間，間接表明礦井水有可能受這兩種水源的補(bǔ)給。

3.3 三維熒光特征

本次研究采用測(cè)定TOC（總有機(jī)碳）值來表征溶解性有機(jī)質(zhì)的含量，檢測(cè)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 研究區(qū)各類型水樣中TOC值統(tǒng)計(jì)Table 3 Value of TOCin water sample

表3 顯示，志丹群含水層水的TOC 濃度值平均為3.64mg/L；直羅組含水層水的TOC 濃度值平均為3.76mg/L；礦井水的TOC 濃度值平均為4.473mg/L。直羅組含水層水中溶解性有機(jī)質(zhì)含量與志丹群含量基本一致，礦井水中含量稍高于含水層地下水。就水中溶解性有機(jī)質(zhì)總量而言，三個(gè)水源的TOC 平均濃度較接近。

由于水體中不同的有機(jī)物在特定波長(zhǎng)的紫外光激發(fā)照射下，會(huì)呈現(xiàn)不同波長(zhǎng)的熒光，本次研究采用三維熒光光譜指紋技術(shù)測(cè)定研究區(qū)各水源溶解性有機(jī)質(zhì)種類。試驗(yàn)過程中，通過照射獲得的熒光強(qiáng)度投影在平面坐標(biāo)內(nèi)，該平面坐標(biāo)的縱坐標(biāo)為激發(fā)波長(zhǎng)（EX），橫坐標(biāo)為發(fā)射波長(zhǎng)（EM），通過EX與EM 的大小將溶解性有機(jī)質(zhì)劃分為5種類型［15，16］，詳見表4。通過檢測(cè)分析，獲得了各水源三維熒光光譜圖，如圖5、圖6所示。

表4 基于三維熒光光譜的溶解性有機(jī)質(zhì)分類Table 4 Cassification of dissolved organic matter based on threedimensional fluorescence spectra nm

圖5 志丹群含水層水三維熒光光譜Figure 5 Three-dimensional fluorescence spectra of Zhidan Group aquifer water

圖6 直羅組含水層水與礦井水三維熒光光譜Figure 6 Three-dimensional fluorescence spectrum of aquifer water and mine water in Zhiluo Formation

由圖5可知，志丹群含水層水只有一處熒光峰，分別在EX/EM=300/375，位于Ⅳ區(qū)與V 區(qū)的交界處，屬于溶解性代謝產(chǎn)物與腐殖酸類物質(zhì)的混合。

圖6 中7～9 號(hào)為直羅組含水層地下水的三維熒光光譜，10 號(hào)為礦井水的三維熒光光譜。顯然直羅組地下水與礦井水的三維熒光光譜類似，均只有一個(gè)熒光峰，位于Ⅳ區(qū)與V 區(qū)的交界處EX/EM=300/375，與志丹群含水層地下水的熒光光譜特征一樣，屬于溶解性代謝產(chǎn)物與腐殖酸類物質(zhì)的混合。由此判斷，志丹群地下水、直羅組地下水及礦井水三者之間水力聯(lián)系密切，采煤擾動(dòng)溝通了上覆兩層含水層，使得志丹群、直羅組地下水經(jīng)導(dǎo)水通道進(jìn)入井下形成礦井水。

綜上所述，結(jié)合志丹群、直羅組地下水、礦井水水化學(xué)特征、同位素特征及三維熒光光譜特征綜合分析，認(rèn)為礦井水主要來源于志丹群含水層與直羅組含水層地下水。

4 井下涌水各水源參與度分析

根據(jù)前節(jié)對(duì)研究區(qū)礦井涌水水源的判別，定性揭示工作面采空區(qū)涌水主要來源為志丹群含水層與直羅組含水層地下水。為了進(jìn)一步定量查明志丹群含水層水與直羅組含水層水在礦井涌水中的參與比例，分別采用同位素方法和受體模型（Receptor Model）方法進(jìn)行了計(jì)算分析。

4.1 同位素分析

兩種不同的地下水混合后（二元混合），可利用δD和δ18O及其簡(jiǎn)單的線性關(guān)系確定二者比例，二元混合地下水（A與B混合）中A所占比例關(guān)系如圖7所示［17］。

圖7 混合地下水（二元混合）中地下水A所占百分?jǐn)?shù)Figure 7 Percentage of groundwater A in mixed groundwater（binary mixing）

由于研究區(qū)礦井涌水主要由直羅組含水層水和白堊系志丹群含水層水兩種水源組成，本次研究將δ18O 作為標(biāo)識(shí)參數(shù)，兩種水源混合后的δ18O 關(guān)系表達(dá)式［14］：

式中：δ為礦井水樣中δ18O值，‰；δzd為志丹群含水層水中δ18O值，‰；δzl為直羅組含水層水中δ18O值，‰；γzd為志丹群含水層水所占比例。

將表2中檢測(cè)數(shù)據(jù)帶入式（1）中計(jì)算分析，得出研究區(qū)南翼礦井涌水中志丹群含水層占31.18%，直羅組含水層占68.82%；研究區(qū)北翼礦井水中志丹群含水層占10%，直羅組含水層占90%。

4.2 受體模型分析

受體模型（Receptor Model）為定量源解析方法之一［18-19］，在水體污染源定量解析中應(yīng)用廣泛［20］，其主要通過對(duì)受體（目標(biāo)）樣品中的污染因子進(jìn)行計(jì)算從而確定各污染源的參與度（貢獻(xiàn)率）。此方法優(yōu)點(diǎn)為：一是無需關(guān)注（追蹤）目標(biāo)污染物遷移過程；二是不受污染源排放條件影響。

受體模型分析方法多樣，主要包括：化學(xué)質(zhì)量平衡法（CMB）、主成分分析法（PCA）、正定矩陣因子分析法（PMF）、最小二乘法（OLS）以及多元線性模型分析法（ME2）等，其中化學(xué)質(zhì)量平衡法（CMB 模型）在國內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛，尤其是在無機(jī)污染物的源分析方面應(yīng)用較多［21-22］。

本次研究建立CBM 模型對(duì)礦井涌水中志丹群含水層地下水與直羅組含水層地下水的參與度（貢獻(xiàn)率）進(jìn)行定量解析。設(shè)定研究區(qū)礦井涌水為受體，志丹群含水層地下水與直羅組含水層地下水為源頭水（由于人為因素為次要因素，本次分析計(jì)算時(shí)忽略人為因素的影響），同時(shí)假設(shè)礦井涌水（受體）與補(bǔ)給水源之間符合以下條件：

1）礦井涌水的水源主要包含志丹群含水層地下水與直羅組含水層地下水。

2）兩種補(bǔ)給水源中的各物質(zhì)含量差異明顯。

3）兩種補(bǔ)給水源中各物質(zhì)含量相對(duì)穩(wěn)定。

4）兩種補(bǔ)給水源中各物質(zhì)含量之間互不影響。

5）兩種地下水在形成礦井涌水途徑中相對(duì)獨(dú)立。

CBM模型表達(dá)式：

式中：Ni為礦井涌水中某物質(zhì)i的濃度，mg/L；Pij為某物質(zhì)i來源于第j類源的分?jǐn)?shù)；Cj為第j類源貢獻(xiàn)濃度，mg/L。其中Pij、Cj應(yīng)符合以下限值條件：

同時(shí)，補(bǔ)給水源中物質(zhì)的數(shù)量（m）必須小于或等于礦井涌水中種類數(shù)（n）時(shí)才有唯一解［23］。利用CMB模型進(jìn)行物源解析時(shí)至少選擇2種指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，由于Cl-具有很高的溶解度，其既不易與其他離子形成沉淀析出，也不易被巖土顆粒所吸附，是地下水中較為穩(wěn)定的離子。HCO3-作為輔助計(jì)算指標(biāo)。因此，本次研究選取Cl-、HCO3-作為計(jì)算指標(biāo)。

本次共采集志丹群含水層水樣6 組，直羅組含水層水樣3 組，礦井水樣6 組（表1）構(gòu)建受體模型時(shí)將6 組志丹群含水層與3 組直羅組含水層作為源頭水，將6組礦井水作為受體，共組合成研究區(qū)南翼礦井涌水和北翼礦井涌水各54組。

通過CMB 模型分析和計(jì)算，得出研究區(qū)北翼礦井涌水中來自于直羅組含水層比例在（75，100］的統(tǒng)計(jì)個(gè)數(shù)為37 個(gè)，統(tǒng)計(jì)占比為68.52%，由此說明研究區(qū)北翼礦井水中＞75%的水來自于直羅組含水層。研究區(qū)南翼礦井水中來自于直羅組含水層比例在（50，75］的統(tǒng)計(jì)個(gè)數(shù)為37 個(gè)，統(tǒng)計(jì)占比為68.52%，由此說明研究區(qū)南翼礦井水中直羅組含水層地下水占比在50%～75%。

5 結(jié)論

1）白堊系志丹群含水層地下水礦化度平均為237.05mg/L，水化學(xué)類型為HCO3—Ca·Na型；直羅組含水層地下水礦化度平均為1 371.09mg/L，水化學(xué)類型為SO4—Na及SO4·HCO3—Na型；礦井水礦化度平均為1 507.08mg/L，水化學(xué)類型為SO4·HCO3—Na型。

2）志丹群含水層地下水、直羅組含水層地下水δD 與δ18O 基本落在當(dāng)?shù)卮髿饨邓€上或其附近，說明地下水主要來自大氣降水補(bǔ)給；礦井水δD 與δ18O基本落在志丹群含水層水和直羅組含水層水之間，間接表明礦井水有可能受這兩種水源的補(bǔ)給。

3）白堊系志丹群含水層地下水、直羅組含水層地下水與礦井水的三維熒光光譜類似，均只有一個(gè)熒光峰，位于Ⅳ區(qū)與V 區(qū)的交界處EX/EM=300/375，屬于溶解性代謝產(chǎn)物與腐殖酸類物質(zhì)的混合。結(jié)果表明，志丹群地下水、直羅組地下水及礦井水三者之間水力聯(lián)系密切，采煤擾動(dòng)溝通了上覆兩層含水層，使得志丹群、直羅組地下水經(jīng)導(dǎo)水通道進(jìn)入井下形成礦井水。

4）同位素分析結(jié)果表明：井田南翼礦井涌水中志丹群含水層水占31.18%，直羅組含水層水占68.82%；井田北翼礦井水中志丹群含水層水占10%，直羅組含水層水占90%；受體模型計(jì)算結(jié)果表明：井田北翼礦井水中＞75%的水來自于直羅組含水層，井田南翼礦井水中直羅組含水層地下水占比在50%～75%。

5）通過主要離子、礦化度、同位素以及有機(jī)物測(cè)試結(jié)果綜合分析認(rèn)為，石拉烏素煤礦礦井水受白堊系志丹群和侏羅系直羅組含水層共同補(bǔ)給，其中南翼井下涌水中，白堊系含水層水所占比例高于北翼井下涌水，但不管是南翼還是北翼，水樣采集時(shí)，侏羅系直羅組含水層水是礦井涌水的最主要補(bǔ)給來源。