海下采煤水質監控特征離子辨識與預警閾值研究

王文波 李 偉 李淑嫻

（1、龍口礦業集團有限公司，山東 龍口 265700 2、大連大學，遼寧 大連 116622）

引言

地下水賦存于含水巖層的空隙中，而且在不斷地運動著，在地下水的形成、聚集和運動過程中，不斷地與周圍介質相互作用，進行離子的交換，經過長期地質作用、離子交換作用、物理化學作用過程后，達到含水層水質離子成份的動態平衡。因而處于不同的地質水文地質條件下，含水層中的水化學成份在構成與含量上都有差別。研究海域煤系地層地下水與上覆第四系含水層及海水的地下水水化學特征，掌握煤系各含水層水質背景及主要離子含量。可以快速地判斷井下突水水源，及時采取防治水措施，減少或避免淹井事故的發生具有重要價值。

1 海域水文地質特征

海域地層是陸地井田向海下的自然延深，煤系地層、構造與陸地井田有相似性和可對比性。為中生代形成、新生代繼承和發展的斷陷型全隱蔽式老第三系煤田，主要含煤地層為老第三系黃縣組。海域地層自下而上為下第三系地層（E）、上第三系地層（N）和第四系地層（Q），其巖性主要為泥巖、砂巖、粘土巖、炭質頁巖、油頁巖和煤組成。影響海下采煤的水體主要有：海水、第四系含水層水及煤系泥灰巖含水層水、泥巖夾泥灰巖互層含水層水。

2 主要含水層情況及水化學特征

2.1 海水

北皂海域擴大區位于北皂煤礦陸地區域以北的渤海內，海水由南向北漸深，海水深度0～12m。海水是常年性的巨大的動態水體，也是海下煤炭開采的重大水害之一。北皂海域為渤海，海水的主要特征是 K++Na+、Mg2+、CL-和 SO42+離子含量較高，其中CL-含量一般在20000ppm，K++Na+含量一般在12000ppm，而HCO3-離子含量較低，遠低于煤系地層含水層。

2.2 第四系含水層水

第四系地層由含水的粗、中、細砂層和隔水的粘土、砂質粘土相間組成。從含隔水性分析，第四系自上而下可分為Ⅰ含、Ⅰ隔和Ⅱ含，為二含一隔結構。Ⅰ含為上部砂層，單位涌水量為0.1186～3.713L/s.m，富水性中等至強；Ⅱ含為中、下部含水層，粘土質含量較高，單位涌水量為0.249～1.094L/s.m，富不性中等；Ⅰ隔位于Ⅰ含和Ⅱ含之間，厚度大于3m，分布穩定，為隔水性能良好的粘土、砂質粘土，塑性指數IP=25.1，含粘量 η=(20.05～35.3)%，土樣滲透系數小于1.0×10-8～1.12×10-7cm/s，為良好的隔水層，在垂向上可以完全阻隔Ⅰ含和Ⅱ含之間的水力聯系。

本層分為上下兩個含水分層。上部含水層：在陸地直接接受大氣降水補給，在海域內可直接接受海水補給。K++Na+離子含量平均在130.4ppm，CL-含量平均158.6ppm。礦化度為2344.09mg/L,水質類型為 SO42+-CL--Na+(Mg2+)型水。下部含水層水：與上部含水層水離子含量相差非常大，CL-含量平均16898.3ppm，為上部含水層含量的106 倍，K++Na+離子含量平均在7882.3ppm，為上部含水層含量的60 倍，礦化度為33637.13mg/L，水質類型為CL-Na(Ca.Mg)型水，與海水相近。

2.3 泥灰巖含水層

含水層由鈣質泥巖與泥灰巖相間，泥灰巖呈灰色，質不純，含遂石結核和遂石條帶，裂隙及小溶洞。海域該層厚度2.95～5.50m，平均厚4.36m。其底界下距煤2 頂板距離為58.93～62.85m。在巷道直接揭露該含水層或由于斷層作用使其與可采煤層接觸或間距偏小時，該含水層會向井下充水。各種離子含量均不太高，K++Na+和CL-離子含量明顯低于海水，CL-含量一般在900～13000ppm，為海水含量的 1/2～2/3，礦化度為21160.0 mg/L，，水化學類型為CL-Na+K型水。

2.4 泥巖夾泥灰巖含水層

泥巖夾泥灰巖含水層，質較純、較硬，裂隙發育，一般厚7～8m。陸地鉆孔和巷道揭露最大涌水量60～75m3/h，據海域回風暗斜井施工的探放水孔實際觀測，最大涌水量為15m3/h，一般為6.6～7.0m3/h。該含水層距可采煤層煤2 頂板約44m。該層與泥灰巖含水層水質相近，由于二者相距較近，且水位標高相似，分析二者可能存在相互滲透和補給關系。礦化度為2814.98mg/L，水化學類型為HCO3·CL-Na 型水。

2.5 不同含水層水質特征分析對比

(1)海水Mg/Ca 摩爾比值為5，高于其它含水層1～2 倍；(2)海水和第四系下部含水層（Ⅱ含）礦化度遠高于煤系地層含水層，構成其差異的主要離子為 CL-、Na+離子；(3)SO42-、Br-離子在海水和第四系下部含水層（Ⅱ含）含量較高，而在煤系地層各含水層中的含量極低；(4)海水的HCO3-離子較低，煤系地層各含水層HCO3-離子值均高于其數倍至十幾倍。

3 特征離子的確定與辨識

為了確定具體的水質特征離子和預警閾值，將海水和煤2 頂板泥灰巖、泥巖夾泥灰巖二含水層混合水按體積比從1：9 到9：1 進行配比，得到配比后水樣9個，分別進行化驗分析。

3.1 陽離子變化趨勢

陽離子變化趨勢如圖3-1 所示。

由陽離子的變化趨勢圖中，可以看出，隨著海水比例的增加，Na+離子和Mg2+離子含量顯著增加，并且變化趨勢比其他離子明顯的多。因此在陽離子中，可以選擇Na+離子和Mg2+離子作為特征離子進行監測。

3.2 陰離子變化趨勢

陰離子變化趨勢如圖3-2 所示。

從陰離子變化趨勢圖中，可以看出，隨著海水比例的增加，Cl-和SO42-含量顯著增加，變化趨勢比其他離子明顯的多。因此在陰離子中可以選擇Cl-和SO42-作為特征離子進行監測，根據其離子含量的變化進行預警。

4 預警閾值研究

通過研究煤2 頂板二含水層和海水的水化學成分和特征，掌握了礦區煤2 以上各含水層（體）的水質背景資料，可以確定區分煤2 以上各含水層（體）的特征離子與特征指標，以海域煤2 以上各含水層（體）水質指標為背景，以特征離子與特征指標的變化幅度為閾值進行防止海水潰入預警：

≤10%綠色——安全狀態——正常工作

10 -30 %黃色——戒備狀態——加強觀測分析

30 -50 %橙色——緊急戒備狀態——密切關注、準備救援

≥50%紅色——危險報警——應急救援

5 結語

5.1 通過煤系地層含水層水樣與海水水樣的混合配比試驗，得出了含水層水質背景和不同比例的混合水中變化趨勢明顯的特征離子。陽離子選擇Na+離子和Mg2+離子、陰離子選擇Cl-離子和SO42-離子作為水質監控的辨識離子。

5.2 以特征離子的變化幅度為基礎，研究特征離子監控的預警閾值，為建立水質自動監測系統提供科學依據。

[1]水體下采煤的實踐與認識.煤炭科研參考資料.1975.

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