海域下采煤淺層含隔水層結(jié)構(gòu)及水力聯(lián)系分析

楊飛　趙潔瓊　許甜甜　王艾迪　徐智敏

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院江蘇徐州221000）

海域下采煤淺層含隔水層結(jié)構(gòu)及水力聯(lián)系分析

楊飛趙潔瓊許甜甜王艾迪徐智敏

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院江蘇徐州221000）

海下采煤存在巨大的風(fēng)險(xiǎn)性，研究海域淺層含隔水層結(jié)構(gòu)及水力聯(lián)系對(duì)于確定海水的入滲下界面、合理的安全開(kāi)采上限以及對(duì)海下采煤防治工作的開(kāi)展具有重要的指導(dǎo)意義。論文以我國(guó)首個(gè)海下采煤的北皂煤礦為研究對(duì)象，在系統(tǒng)分析礦區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，提出了礦區(qū)第四系的"兩含夾一隔"的含隔水層結(jié)構(gòu)關(guān)系，并通過(guò)水化學(xué)分析、氫氧環(huán)境同位素示蹤等方法，分析了第四系各含水層與海水的水力聯(lián)系，并確定了海水的下滲界面，為北皂煤礦海域下采煤防治水工作的開(kāi)展提供了一定的依據(jù)。

海下采煤水化學(xué)分析同位素示蹤海水下滲界面

目前，對(duì)于濱海礦區(qū)海水下滲界面相關(guān)問(wèn)題的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)積累了大量的經(jīng)驗(yàn)。謝海峰[1]認(rèn)為北皂煤礦陸地與海域擴(kuò)大區(qū)內(nèi)第三系、第四系及含煤地層基本相似。通過(guò)研究表明，隨北皂煤礦開(kāi)采范圍的擴(kuò)大，地表下沉塌陷坑的積水中有漲潮時(shí)滲入的海水成分，這表明沖積層的塌陷坑是導(dǎo)通的，但由于井下涌水量并沒(méi)有增加，故一般情況下，海水僅與第四系松散層發(fā)生水力聯(lián)系，與下伏煤系地層泥灰?guī)r含水層無(wú)力聯(lián)系。為了進(jìn)一步確定海水下滲界面及水力聯(lián)系，通過(guò)分析該區(qū)第四系含隔水層結(jié)構(gòu)、地下水的水化學(xué)成份與海水的水質(zhì)成份對(duì)比和環(huán)境同位素示蹤在含水層的應(yīng)用，得出礦區(qū)淺層地下水流場(chǎng)的演化規(guī)律，這將對(duì)北皂煤礦海域下煤炭資源的開(kāi)發(fā)及水害防治的研究等具有重要意義。

1　海域擴(kuò)大區(qū)第四系含隔水層結(jié)構(gòu)

1.1水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)分析

區(qū)內(nèi)煤系上覆地層，從煤1至第四系底界，除泥灰?guī)r外，80%以上為粘土類巖石，易碎，具一定的可塑性和膨脹性，隔水性強(qiáng)。煤系中的泥巖、粘土巖與鈣質(zhì)泥巖，也具有吸水易碎，易膨脹，隔水性好等特點(diǎn)。

1.2主要含水層的富水性特征

該區(qū)第四系含砂、粘土質(zhì)砂2～6層，相間排列，累厚6.60 m～27.92 m，多分布在第四系的頂部和底部，在水文地質(zhì)上可分別歸納為“一含”和“二含”兩個(gè)含水層。

“一含”為上部砂層，最厚處17.83 m，據(jù)北皂礦井陸上勘探資料[3]可知，抽水試驗(yàn)單位涌水量0.1186 L/s·m～3.713 L/s·m，受海域海水和陸地降雨補(bǔ)給，富水性中等至強(qiáng)。

“二含”為中下部砂層，該層粘土質(zhì)含量較多，多為粘土質(zhì)砂，局部夾薄層粘土，最厚處10.07 m。“二含”砂層進(jìn)行簡(jiǎn)易抽水試驗(yàn)，單位涌水量約0.00019 L/s·m，說(shuō)明第四系底部砂層富水性弱。分析“一隔”的隔水作用。即海水與“二含”無(wú)水力聯(lián)系。

1.3含水層之間的水力聯(lián)系

通過(guò)鉆探取芯鑒定，“一隔”位于“一含”和“二含”之間，多為粘土或砂質(zhì)粘土，局部含較多的砂或云母碎片，巖性為砂質(zhì)粘土，層位穩(wěn)定。“一隔”全區(qū)分布，靠近海岸較厚，平均厚約20 m，厚度大于其上部和下部的砂層。該隔水層為相對(duì)隔水層，但厚度較大，在垂向上能阻斷“一含”和“二含”之間的水力聯(lián)系。

2　北皂煤礦地下水水化學(xué)特征研究

2.1含水層水質(zhì)分析

為進(jìn)一步探究北皂煤礦淺部的第四系松散層“兩含夾一隔”3層結(jié)構(gòu)之間的水力聯(lián)系性。采用水化學(xué)分析的研究方法通過(guò)分析研究礦區(qū)前期淺部含水層的水質(zhì)資料，對(duì)北皂礦井上下能夠取樣的含水層和海水進(jìn)行了水樣采集，對(duì)其進(jìn)行水質(zhì)簡(jiǎn)分析和特殊離子的分析。得到個(gè)含水層礦化度與水化學(xué)類型如下表：

2.2北皂煤礦海域海水特殊離子分析

海水具有穩(wěn)定的水化學(xué)組成，世界各大洋水的組分和含量變化不大。由北皂礦北部海水取樣分析資料，現(xiàn)將取得的水質(zhì)資料與大洋海水的平均值作對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)下表：

表1　海水成份對(duì)比表Tab..1 The contrast of seawater composition

2.3海水與第四系含水層的關(guān)系

以不同含水層水樣的主要離子毫摩爾百分?jǐn)?shù)含量繪制Piper圖，可以看出不同含水層水質(zhì)投影在菱形圖的不同區(qū)域。“二含”分布在菱形圖右上方且與海水水質(zhì)在菱形圖中的分布區(qū)域明顯不同，“一含”分布在菱形圖中部與海水水質(zhì)在菱形圖中的分布區(qū)域大致相平。這說(shuō)明“一含”與海水存在著水力聯(lián)系，而“二含”與海水無(wú)水力聯(lián)系。

3　應(yīng)用環(huán)境同位素研究淺部含水層的水力聯(lián)系

3.1H、D同位素標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用方法原理

在穩(wěn)定同位素研究中，把某一元素兩種同位素的豐度比用R表示。如D/H、18O/16O，在分析時(shí)只測(cè)定它的豐度比值而不測(cè)量單項(xiàng)同位素的絕對(duì)含量，通常用δ值表示，δ值定義如下：

其意義是樣品中一元素的兩種同位素豐度相對(duì)于某一對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)豐度的千分偏差。使用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)SMOW(平均大洋水)為標(biāo)準(zhǔn)，SMOW定義δD和δ18O值均為零作為其標(biāo)準(zhǔn)。

氫氧元素共有5個(gè)穩(wěn)定同位素（1H、D、16O、17O、18O），用于穩(wěn)定同位素研究的是D和18O。一般在水分子中氫氧的不同穩(wěn)定同位素可形成9種不同形式的水分子（H216O、HD16O、D216O、H218O、HD18O、D218O、H217O、HD17O、D217O）。這些同位素水分子，因質(zhì)量不同而具有不同的飽和蒸氣壓，在蒸發(fā)和冷凝過(guò)程中，重同位素水分子（D2O、H218O）優(yōu)先富集在液相中，而在氣相中貧化，導(dǎo)致液相和氣相之間氫氧同位素組成的差異，產(chǎn)生了同位素分餾。地下水受大氣降水的補(bǔ)給，而大氣中的水分主要來(lái)自海水蒸發(fā)，因此，地下水中輕同位素1H、16O偏大，而重同位素D、18O偏小，即降水中較之海水中的D和18O貧乏。

3.2北皂礦區(qū)地下水中D、18O和T特征

本次采用18O、D、T進(jìn)行各含水層地下水的分析研究。由資料知[4]，北皂礦井上下環(huán)境同位素取樣分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　北皂煤礦環(huán)境同位素水樣測(cè)試匯總表Tab.2 Summary of water samples environmental isotope test from Beizao mine

一個(gè)地區(qū)大氣降雨的δD和δ18O值應(yīng)當(dāng)收集該地區(qū)全年降水水樣混合后測(cè)定，以代表該地區(qū)降雨輸入值，但由于取樣困難，故采用1980年北京大學(xué)根據(jù)我國(guó)北京等八個(gè)地區(qū)資料得出中國(guó)雨水線公式:

將取樣的δD、δ18O值投到該中國(guó)雨水線圖上。可以看出“一含”水樣基本落在雨水線上，它反映出不同時(shí)間大氣降雨滲入“一含”含水層充分混合后的δD、δ18O值仍然符合雨水線的線性關(guān)系，充分說(shuō)明該含水層與大氣降雨關(guān)系密切，即“一含”與地表水體存在著水力聯(lián)系。而“二含”的δ值偏離雨水線則是由于該含水層屬于一個(gè)相對(duì)封閉的環(huán)境，地下水與含水層巖石中的18O發(fā)生同位素交換致使18O富集的結(jié)果。海水偏離雨水線是由于海水在蒸發(fā)和凝結(jié)過(guò)程改變其物態(tài)時(shí)，不斷地發(fā)生同位素分餾作用的結(jié)果。

取樣獲得北皂礦各含水層氚（T）含量分析如下：

“一含”地下水和地表海水的氚含量分別為23.17 2.75、22.72 2.86TU，根據(jù)“一含”δD和δ18O的豐度以及在雨水線上位置，其成因與大氣降水關(guān)系密切，因此“一含”和海水的氚含量也就代表了近期大氣降雨和海水中的氚含量水平。

“二含”地下水的氚含量是水樣中最高的，為26.31 2.89TU，如果該含水層地下水不是近期補(bǔ)給的，把地下水補(bǔ)給關(guān)系看作是活塞式補(bǔ)給，不考慮混合彌散作用的影響，則可能是66～71年大氣降水中氚（290.66～161.05TU）經(jīng)過(guò)多年的衰變達(dá)到該含水層現(xiàn)在的氚含量水平，其地下水居留年齡為近40年。

4　結(jié)論

通過(guò)論文研究，取得如下結(jié)論：

（1）影響龍口北皂煤礦海下采煤的第四系含水層由砂巖與泥巖的互層組成，其中第四系“一含”和“二含”的主要成分均為砂巖、泥質(zhì)砂巖，具備了導(dǎo)水的必要條件。

（2）經(jīng)水化學(xué)分析和海水特殊離子分析，“一含”與海水的離子成分大致相同，與海水存在溝通。“二含”與海水成分有很大差異，與海水無(wú)水力聯(lián)系。

（3）氫氧環(huán)境同位素示蹤實(shí)驗(yàn)論證了第四系“一含”為相對(duì)開(kāi)放的環(huán)境，大氣降雨參與了“一含”的水循環(huán)。第四系“二含”為相對(duì)封閉的環(huán)境，近期的大氣降水無(wú)法補(bǔ)給到“二含”，早期的大氣降水在“二含”滯留了近40年。

（4）經(jīng)多方面分析，北皂煤礦海域海水的下滲界面為第四系“一含”。因此，煤礦在開(kāi)采過(guò)程中除對(duì)其他礦井充水因素給予重視的同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)第四系“一含”的裂隙、導(dǎo)水?dāng)鄬印@孔封堵情況及開(kāi)采破碎帶范圍的檢查監(jiān)測(cè)，預(yù)防因自然或人為因素造成海水潰入礦井內(nèi)的惡性災(zāi)害事故。

[1]謝海峰.《對(duì)龍口礦區(qū)海下采煤安全性的認(rèn)識(shí)B》[J].煤炭工程2003 vol.12 38-40

[2]賈艷琨.《環(huán)境同位素在水文地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)研究中的應(yīng)用》[J].地球?qū)W報(bào)2005.26(z1)

[3]王兆忠.《山東省黃縣煤田北皂煤礦海域擴(kuò)大區(qū)補(bǔ)充勘查報(bào)告》[R].山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院2008.10

[4]孫守增.《龍口煤電有限公司北皂煤礦礦井水文地質(zhì)類型劃分報(bào)告》[R].濟(jì)南貝克礦山工程技術(shù)服務(wù)有限公司2013.7

P618.11[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2015）-7-129-2

楊飛（1993年～），男，研究方向?yàn)樗呐c水資源工程。