某煤礦礦區地下水水質化驗分析研究

劉紅莉

寧夏國土資源調查監測院，寧夏銀川 750001

0 引言

煤礦礦區地下水水質化驗對預防煤礦透水事故具有重要的作用，目前煤礦透水事故已經成為了繼瓦斯爆炸之后最容易發生的事故之一。2004年，內蒙古某煤礦發生了11 854m3/h的特大透水淹井事故，該事故造成13人死亡，2人失蹤，直接經濟損失達287.5萬元。為了判斷礦區透水事故的地下水來源和避免同樣事故的發生，本文對該礦礦區地下水水質進行了化驗分析研究。

為研究該礦區地下水系統的水化學特征，筆者在充分收集區內現有有關資料和研究前人工作成果內容的基礎上，開展了坑道和地表水文地質試驗、水文地質測繪、同位素測定、水質化驗等水質研究工作。

1 煤礦礦區地下水化驗研究的方法

礦物離子的含量在地下水化學特征及其分析指標中占有非常重要的地位，地下水研究工作者把巖石圈中容易遷移且含量豐度較高的元素離子或分子稱為標準型組分，并且根據標準型地下水組分(離子、分子等)的含量對地下水系統進行分類。同時，地下水中各類陽離子和陰離子的濃度總和也表明了該地區的地下水的礦化程度，通常地下水系統中含有HCO3-、Ca2+、Mg2+濃度較高的為低礦化水，含SO42-較高的為中礦化水，含Cl-較高的為高礦化水，其具體研究方法如下。

2.1 地下水硬度的計算方法

一般情況下，采用Ca2+和Mg2+濃度的總和表示地下水的硬度，因此，水的硬度主要與水中的Ca2+和Mg2+含量有關，故采用狀態方程式對水的總硬度與Ca2+和Mg2+進行關聯分析，找出引起水硬度變化的主要因素。經計算Mg2+對總硬度的關聯度為r1=0.959，Ca2+對總硬度的關聯度為r2=0.894，可見此地區地下水中，引起總硬度變化的主要因素是Mg2+，相關曲線如圖1所示。可見隨著Mg2+含量增加，水的硬度也隨之提高，兩者相關系數R=0.728，經相關性檢驗，當a=0.01時 R0.01（n-2）=0.342，R＞R0.01（n-2）=0.342，兩者線性相關性較好，故采用對地下水中Ca2+、Mg2+濃度進行計算就可得出其總硬度。

2.2 地下水礦化度的計算方法

礦化度表示水中各種鹽類總和，即水中全部陽離子和陰離子總和。地下水中，隨著礦化度變化，主要離子成分也隨之發生變化，通常情況下低礦化水常以HCO3-及Mg2+、Ca2+為主;高礦化水則以Cl-為主；中等礦化水中陰離子以SO42-為主。這主要由于各種鹽類在水中溶解度不同，氯鹽溶解度最大，硫酸鹽次之，碳酸鹽較小。分析地下水中SO42-、HCO3-、Cl-、Mg2+、Ca2+對礦化度指標的關聯程度，得到關聯度分別為r1=0.959，r2=0.946，r3=0.956，r4=0.950，r5=0.934，由于 r1＞r3＞r4＞r2＞r5，可知對礦化度變化起主要影響的是SO42-與Cl-，礦化度與Cl-和SO42-相關系數R分別為0.95和0.91，表現出了良好的線性相關關系好。

3 礦區地下水系統的組成和水化學特征

該礦區屬內蒙古煤礦的重要組成部分，常年降雨稀少，干旱多風。深入調查研究發現，本礦標準型組分定為Ca2+、Mg2+、Na+、HCO3-、Cl-、SO42-等六種陰陽離子，且含有HCO3-、Ca2+、Mg2+等離子濃度較高，為低礦化水。根據本礦地下水標準型組分、各礦礦井充水之間的關系以及地下含水層特征，將本區地下水系統分為以下三個含水層子系統。

3.1 松散孔隙含水層

一般情況下，松散孔隙含水層屬于被新生界松散層覆蓋得煤礦地層，該層特點是比較松散，一般厚度在200m～250m。該層自上而下包括三個隔水層和四個含水層，其中第三個隔水層厚度較大，占據整個松散空隙含水層得1/3左右，具有較好的隔水性能，將地表水與一、二、三含水層與第四含水層以及基巖地下水層隔開。其中，第四含水層直接覆蓋在煤層上，水可以通過基巖裂隙滲透到淺部煤層上，是開采時礦井的主要水源之一，需要不斷進行疏干處理，它對松散孔隙含水層有著直接的決定作用。

在本礦區中，第四含水層含有較高的Cl-，含有較低的SO2-4和HCO-，三種陽離子占有比較相近的比例，均在30%左右。表現為較高的硬度和較高的礦化程度特征，其水的pH在7.5～7.7之間，稍微偏堿性。另外，該層反映天然徑流條件較差，對其水質起到主要的過濾作用。

3.2 砂巖裂隙含水層

砂巖裂隙含水層富水性較弱，不能明顯的將其分割成含、隔水層，但自上而下也可將其劃分為四個隔水段和三個含水段。在這整個砂巖裂隙含水系統中主采煤層頂底板砂巖裂隙滲透出來的地下水是礦井充水的直接來源。

在本礦區整個含水層的水表現了大致相同化學特征，三種礦物陽離子中K+、Na+占據了非常高的比例，大約在92.5%～94.6%之間，陰離子中HCO3-占了較高的比例，其次是Cl-，SO42-含量較低。其水pH在8.4～8.7之間，水質偏堿性，表現出了較高的礦化度和較低的水硬度。

3.3 石灰巖巖溶裂隙含水層

在正常煤層開采情況下，石灰巖巖溶裂隙含水層距開采操作層較遠，其充水對煤礦礦層影響較小。但是當井巷工程遇到導水性斷層或巖溶陷落柱時，就有可能造成灰巖與煤層的間距縮短，隔水層變薄弱，此時，灰巖水很容易通過導水性斷層或巖溶陷落對礦坑直接充水或發生底鼓突水。而且這種情況下的灰巖透水具有水量豐富、水壓大、透水破壞性大等特點。因此，石灰巖巖溶裂隙含水層也是礦井安全生產的重要隱患之一。

在本礦區中，K+、Na+、Ca2+和Mg2+四種陽離子占有比較相近的比例，陰離子中Cl-占著主要的比例，約在56.44%。其pH在7.9左右，呈現出稍微的堿性。其水質表現為較高的硬度和較高的礦化程度，硬度在57.76德國度左右，礦化度為2.425g/L。

4 結論

煤礦礦區地下水水質化驗分析研究工作的目的是查清礦區內的水文地質條件，分析礦床的充水條件，預測各礦體在開采過程中的礦坑涌水量，減少或避免突水對礦山生產造成的危害，為保證煤礦開采提供理論依據，為保證煤礦安全生產提供基礎。本文在對本礦各層地下水化學特征分析研究的基礎上，考察了各含水層的水質特點，對今后井下涌水來源的分析判斷有著一定的參考價值，有利于礦井防治水患，安全生產。相信，隨著人們安全意識的不斷加強和我國科學技術的發展，人們會越來越重視煤礦礦區地下水水質化驗工作，地下水質化驗工作也會更好的為煤礦開采工作服務。

[1]楊少華.淺談礦區地下水環境影響評價[J].科技情報開發與經濟，2008.

[2]孟凡生，王業耀.煤礦開采環境影響評價中地下水問題探析[J].地下水，2007.