煤炭開(kāi)采對(duì)灰?guī)r水影響研究

謝 毫

（1.安徽省礦山生態(tài)修復(fù)工程實(shí)驗(yàn)室，安徽淮南 232001；2.煤礦生態(tài)環(huán)境保護(hù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，安徽淮南 232001）

0 引言

淮南礦區(qū)謝橋煤礦為加快井田深部煤炭開(kāi)采，實(shí)施了礦井二水平生產(chǎn)系統(tǒng)及相關(guān)安全設(shè)施建設(shè)，于2012年12月建成，提升生產(chǎn)能力至960萬(wàn)t/a。由于煤炭本身就受底板承壓灰?guī)r水的威脅［1-2］，在礦山開(kāi)采的擾動(dòng)下，易引起采動(dòng)裂縫、彎曲沉陷、介質(zhì)孔隙率、滲透能力及強(qiáng)度的變化，以及地下水位、水力梯度、水流狀態(tài)、水量的變化等現(xiàn)象［3］，從而改變地下水原有的補(bǔ)給、徑流和排泄循環(huán)關(guān)系，對(duì)礦井的安全開(kāi)采，以及地下水資源的保護(hù)利用產(chǎn)生了較強(qiáng)的影響。近年來(lái)，不少學(xué)者對(duì)淮南煤田不同礦井的水文地質(zhì)條件、水化學(xué)特征和突水水源識(shí)別等進(jìn)行了研究［2，4-8］，但同時(shí)就煤炭開(kāi)采對(duì)灰?guī)r水水化學(xué)指標(biāo)演化規(guī)律以及水文地質(zhì)影響的研究較少。以謝橋煤礦為研究區(qū)域，通過(guò)分析煤礦水文地質(zhì)資料、水文觀測(cè)數(shù)據(jù)及歷史水化學(xué)數(shù)據(jù)，以及煤礦東風(fēng)井-440m 井底車場(chǎng)的自流灰?guī)r水連續(xù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，研究煤礦灰?guī)r水在短時(shí)期和長(zhǎng)時(shí)期不同研究時(shí)間序列下的水質(zhì)、水位和水量隨時(shí)間變化趨勢(shì)，探討煤炭開(kāi)采對(duì)灰?guī)r水的影響關(guān)系，促進(jìn)礦區(qū)的防治水和灰?guī)r水資源的保護(hù)利用等工作。

1 地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

研究區(qū)為全隱蔽井田，地層全系鉆孔揭露，由老至新分別為寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系和新生界。井田含煤地層為上石炭統(tǒng)太原組和二疊系山西組與上、下石盒子組，其中二疊系山西組與上、下石盒子組為井田主要含煤地層。研究區(qū)煤炭層底板下伏石炭系太原組（C2Ⅰ層段、C2Ⅱ?qū)佣?、C2Ⅲ層段）的總厚度約為15m，與上覆山西組為整合接觸關(guān)系［2］。

礦區(qū)主要含水層由新生界松散孔隙含水層、二疊系砂巖裂隙含水層和灰?guī)r巖溶裂隙含水層等組成。其中太原組灰?guī)r巖溶裂隙含水層是淮南礦區(qū)的重要含水層，直接賦存在二疊系底部1煤下，是1煤層底板的突水水源［1］。太原組厚度在87.0～125.80m，平均106.39m，由灰?guī)r、泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖及薄煤層組成，其中含灰?guī)r12 層，累厚56.84m，占組厚53%。太原組灰?guī)r自上而下可分為三組，一是C2Ⅰ組灰?guī)r，含C21、C22、C23上、C23下灰?guī)r，其中C21、C22為薄層灰?guī)r，C23上、C23下厚度較大，分布穩(wěn)定，為1 煤開(kāi)采直接充水含水層組，平均組厚32.73m；二是C2Ⅱ組灰?guī)r，含C24、C25、C26、C27、C28、C29灰?guī)r，其中C25、C26相對(duì)較厚，C27、C29相對(duì)較?。蝗荂2Ⅲ組灰?guī)r，含C210、C211、C212灰?guī)r，其中C211灰?guī)r最厚、全區(qū)穩(wěn)定，C212分布不穩(wěn)定。根據(jù)謝橋礦補(bǔ)勘報(bào)告［9］可知：謝橋井田內(nèi)有27個(gè)鉆孔揭穿太原組，23個(gè)孔揭穿正常地段，厚度87.6～134.4m，平均111.06m，由灰?guī)r、泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖及薄煤層組成，其中含灰?guī)r13層，累厚65.19m，占組厚58.7%，水質(zhì)Cl—Na 型，礦化度2.19～2.57g/L，水溫22～38℃，富水性不均一，由弱—強(qiáng)，循環(huán)條件近于停滯。

2 樣品采集和數(shù)據(jù)分析

2022 年4 月至12 月，連續(xù)開(kāi)展了謝橋礦東風(fēng)井-440m井底車場(chǎng)的自流灰?guī)r水的現(xiàn)場(chǎng)采樣和測(cè)試分析工作，共計(jì)采集樣品8 批次。所有樣品均按照《水質(zhì)采樣技術(shù)指導(dǎo)》（HJ 494—2009）等標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行采集和固定封存，分析測(cè)試則是委托具備中國(guó)計(jì)量認(rèn)證/認(rèn)可（CMA）資質(zhì)的第三方檢測(cè)公司進(jìn)行。主要分析測(cè)試Ca2+，Mg2+，K+，Na+，Cl-，SO42-，CO32-，HCO3-等常量水化學(xué)指標(biāo)［9-11］；收集謝橋礦2013—2021 年灰?guī)r水水文地質(zhì)數(shù)據(jù)和水化學(xué)數(shù)據(jù)，并對(duì)收集到的水化學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行陰陽(yáng)離子檢驗(yàn)，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)果與討論

3.1 水化學(xué)指標(biāo)月變化趨勢(shì)

對(duì)謝橋礦東風(fēng)井-440m井底車場(chǎng)自流灰?guī)r水的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定灰?guī)r水水化學(xué)指標(biāo)月變化如圖1所示。

圖1 2022年水化學(xué)指標(biāo)月變化Figure 1 Monthly changes of hydrochemical indices in 2022

從圖1 可以看出，K+，Na+，Ca2+，Mg2+，Cl-，SO42-，HCO3-含量在短時(shí)期內(nèi)均成波狀起伏狀態(tài)，無(wú)明顯增大或減小傾向。由此可推測(cè)在短時(shí)期內(nèi)奧灰水的水化學(xué)指標(biāo)呈現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，各水化學(xué)指標(biāo)數(shù)值雖有波動(dòng)，但還是保持在一定范圍內(nèi)，未出現(xiàn)明顯的趨勢(shì)變化。

3.2 水化學(xué)指標(biāo)年變化趨勢(shì)

對(duì)謝橋礦東風(fēng)井-440m井底車場(chǎng)自流灰?guī)r水的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定灰?guī)r水水化學(xué)指標(biāo)年變化如圖2所示。

圖2 水化學(xué)指標(biāo)年變化Figure 2 Annual changes in hydrochemical indices

從圖2 可以看出，灰?guī)r水中水化學(xué)指標(biāo)含量有如下變化：

1）K+，Na+，Cl-，SO42-等水化學(xué)指標(biāo)含量呈波動(dòng)減小。K+，Na+，Cl-，SO42-等水化學(xué)指標(biāo)的含量在研究時(shí)期內(nèi)均呈現(xiàn)出減小趨勢(shì)，且K++Na+與Cl-數(shù)值變化趨勢(shì)基本一致，這與郝春明等對(duì)峰峰深層奧灰水水化學(xué)指標(biāo)含量逐年增高的研究結(jié)果相異［12］。這是因?yàn)榉宸迳顚訆W灰水的水化學(xué)特征主要是受水巖作用，而謝橋礦的灰?guī)r水除受水巖作用外，還受到大氣降水補(bǔ)水的影響。

根據(jù)對(duì)謝橋礦灰?guī)r水文地質(zhì)特征以及地下水的補(bǔ)給、徑流和排泄條件進(jìn)行研究確定［13-15］，張集謝橋井田附近存在面積較大的灰?guī)r露頭區(qū)，可以直接接受大氣降水的補(bǔ)給，雨水滲漏到各含水層通過(guò)導(dǎo)水?dāng)鄬印r溶裂隙向礦區(qū)內(nèi)徑流，是區(qū)內(nèi)灰?guī)r含水層的主要補(bǔ)給水源。在對(duì)潘謝礦區(qū)太灰水和奧灰水的氫氧穩(wěn)定同位素進(jìn)行研究分析后發(fā)現(xiàn)，兩含水層的氛盈余均低于全球大氣降水氖盈余平均值（10%）［16］，說(shuō)明地下水接受的是暖季大氣降水的補(bǔ)給，進(jìn)一步證明了大氣降水對(duì)灰?guī)r水的補(bǔ)給作用。

而謝橋礦長(zhǎng)期對(duì)灰?guī)r水的疏排，導(dǎo)致大氣降水對(duì)灰?guī)r水的補(bǔ)給量增大和補(bǔ)給占比增高，由于補(bǔ)水水源大氣降水中的K+，Na+，Cl-，SO42-等水化學(xué)指標(biāo)含量是要遠(yuǎn)小于灰?guī)r水中離子的含量，補(bǔ)給水匯入灰?guī)r水導(dǎo)致灰?guī)r水中的水化學(xué)指標(biāo)含量降低。同時(shí)也間接說(shuō)明了灰?guī)r水中的水化學(xué)指標(biāo)應(yīng)主要來(lái)源于地下水對(duì)巖鹽的溶解，而其中Ca2+，Mg2+和K+，Na+之間的陽(yáng)離子交替吸附作用均已處于穩(wěn)定和平衡狀態(tài)，在無(wú)外界干擾的情況下灰?guī)r水中的K++Na+，Cl-，SO42-數(shù)值應(yīng)保持一定的穩(wěn)定性。

2）Ca2+，Mg2+，HCO3-等水化學(xué)指標(biāo)含量穩(wěn)定在一定范圍。Ca2+，Mg2+含量在研究時(shí)期內(nèi)呈現(xiàn)出穩(wěn)定在一定數(shù)值范圍，無(wú)明顯的減小或增大趨勢(shì)，這是因?yàn)榛規(guī)r水中Ca2+，Mg2+最高質(zhì)量濃度分別為40.4、45.7mg/L，其含量相對(duì)較低；同時(shí)由于大氣降水在對(duì)灰?guī)r水的補(bǔ)給過(guò)程中會(huì)溶解部分碳酸鹽、硅酸巖和蒸發(fā)巖等巖鹽，促使了補(bǔ)給水中含有了Ca2+，Mg2+，推測(cè)其含量與灰?guī)r水中的Ca2+，Mg2+含量相近，故未對(duì)灰?guī)r水中Ca2+，Mg2+含量產(chǎn)生明顯的影響。

HCO3-含量在研究時(shí)期內(nèi)呈現(xiàn)出穩(wěn)定在一定數(shù)值范圍，無(wú)明顯的減小或增大趨勢(shì)，是因?yàn)榛規(guī)r水中存在有碳酸鹽巖和硅酸鹽巖溶解產(chǎn)生的HCO3-，推測(cè)作為灰?guī)r水補(bǔ)給水源的大氣降水由于吸收空氣中的CO2進(jìn)而產(chǎn)生了補(bǔ)給水中的HCO3-，補(bǔ)給水中的HCO3-含量與灰?guī)r水HCO3-含量相近，因此便產(chǎn)生了灰?guī)r水中HCO3含量未產(chǎn)生明顯變化的結(jié)果。

3.3 水位年變化趨勢(shì)

謝橋礦灰?guī)r水年水位變化趨勢(shì)如圖3所示。

圖3 水位年變化Figure 3 Annual variation of water level

從圖3可以看出年水位變化特點(diǎn)如下：

1）灰?guī)r水各觀測(cè)孔水位均不同。謝橋礦6個(gè)太灰水觀測(cè)孔和2個(gè)奧灰水觀測(cè)孔的水位始終存在差異，這表明了各觀測(cè)孔所代表的灰?guī)r巖溶裂隙含水單元所承受的水壓均不同，8 處巖溶裂隙含水單元應(yīng)為獨(dú)立的水文單元，即謝橋礦灰?guī)r含水層并非是一個(gè)完全貫通的整體，應(yīng)該分為多個(gè)獨(dú)立的巖溶裂隙含水單元，這與謝橋礦灰?guī)r水均屬于巖溶裂隙含水層的水文地質(zhì)條件相一致［15，17-19］。

2）灰?guī)r水水位整體呈持續(xù)下降的趨勢(shì)。這主要是由于謝橋、張集等煤礦在煤炭的開(kāi)采過(guò)程中不斷抽排灰?guī)r水，由于奧灰水對(duì)太灰水補(bǔ)給作用的存在［14，20］，奧灰水通過(guò)導(dǎo)水通道在對(duì)灰?guī)r水的補(bǔ)給過(guò)程中隨灰?guī)r水一并被疏排出去，同時(shí)由此還可推測(cè)出，灰?guī)r水的補(bǔ)給量是要小于疏干排水的抽排量。同時(shí)，可以看出C2-I 組和C2-II 組的水位雖然差異較大，但變化趨勢(shì)較相似，說(shuō)明C2-I 組和C2-II 組之間存在一定的水力聯(lián)系；C2-Ⅲ組含水層和奧灰水的水位不但較為接近，且變化趨勢(shì)也較一致，說(shuō)明C2-Ⅲ組和奧陶系灰?guī)r之間存在較為緊密的水力聯(lián)系。

3）灰?guī)r水各觀測(cè)孔水位對(duì)礦井突水事件響應(yīng)性相似。煤礦的突水事件以及礦井單位開(kāi)展的降壓疏排是導(dǎo)致水位突然下降的主要因素，通過(guò)對(duì)謝橋礦的礦井突水事件進(jìn)行分析確定，謝橋礦于2013年9月發(fā)生了4煤底板砂巖裂隙水突水，補(bǔ)ⅢC2-Ⅲ、補(bǔ)C2-I，C2-II，C2-Ⅲ等灰?guī)r水觀測(cè)孔，以及Ⅷ東O1+2、補(bǔ)D13O 奧灰觀測(cè)孔水位有明顯的變化響應(yīng)；2017年3—4 月發(fā)生了奧灰水和6 煤頂?shù)装迳皫r裂隙水突水，補(bǔ)D13C2-Ⅰ、補(bǔ)ⅢC2-Ⅲ灰?guī)r水觀測(cè)孔水位有明顯的變化響應(yīng)。由此可判定謝橋礦C2-I 組、C2-II組和C2-Ⅲ組與奧陶系灰?guī)r之間均存在一定的水力聯(lián)系，其灰?guī)r水整體可視為一個(gè)系統(tǒng)，此巖溶洞系由主桿溶洞、各級(jí)支脈溶洞和巖溶裂隙等組成［21］，各巖溶裂隙含水單元在巖溶洞系中所處的位置以及之間的親密關(guān)系等條件是決定灰?guī)r含水層各巖溶裂隙含水單元之間水力聯(lián)系的強(qiáng)弱的關(guān)鍵。

3.4 水量年變化趨勢(shì)

謝橋礦年平均涌水量變化如圖4所示。

圖4 涌水量年變化Figure 4 Annual variation of water inflow

從圖4 可以看出：謝橋礦的礦井水涌水主要為煤系水，其礦井涌水量年變化趨勢(shì)基本與煤系水水量年變化趨勢(shì)相平行，同時(shí)煤系水水量約占礦井總涌水量的2/3，灰?guī)r水涌水量占總涌水量不足1/3。

灰?guī)r水占比較低，其主要原因還是由于謝橋礦對(duì)灰?guī)r水開(kāi)展了大量注漿封堵工程，1993 年10 月至1995年9月，謝橋礦開(kāi)展了東風(fēng)井地面注漿堵水鉆探工程，注漿工程實(shí)施后，實(shí)測(cè)涌水量為344.5m3/h，減少井下涌水量195.5m3/h，堵水率達(dá)到36.3%；2005年8月至2007年10月，謝橋礦實(shí)施地面鉆孔注堵工程，工程結(jié)束后實(shí)測(cè)涌水量為74.2 m3/h，減水206.58m3/h，減水率73.6%；2011 年由于東風(fēng)井井底車場(chǎng)巷修，灰?guī)r水出水量逐漸增大，最大至125m3/h，近年來(lái)出水量逐漸緩慢下降，截至2022 年6 月水量穩(wěn)定在85m3/h左右。

4 結(jié)論

1）在短時(shí)期內(nèi)，灰?guī)r水中的K+，Na+，Cl-，SO42-，Ca2+，Mg2+，HCO3-等常量水化學(xué)指標(biāo)含量具備相對(duì)穩(wěn)定性。在長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，受灰?guī)r水補(bǔ)徑排的影響，K+，Na+，Cl-，SO42-等指標(biāo)的含量呈波動(dòng)減小趨勢(shì)，但Ca2+，Mg2+，HCO3-等指標(biāo)的含量表現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定，只在在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。

2）灰?guī)r水的水位變化揭示了謝橋礦灰?guī)r含水層應(yīng)為多個(gè)巖溶裂隙含水單元組成，雖然之間未能貫通，但仍存在水力聯(lián)系，整體可視為一個(gè)系統(tǒng)；巖溶裂隙含水單元在巖溶洞系中所處的位置以及之間的親密關(guān)系決定了巖溶裂隙含水單之間的水力聯(lián)系強(qiáng)弱。

3）謝橋礦對(duì)灰?guī)r水開(kāi)展的注漿封堵工程有效的控制住了灰?guī)r水的涌出，在謝橋礦礦井涌水中灰?guī)r水占總涌水量不足1/3。