利用水化學(xué)特征識別朱莊煤礦突水水源

朱樂章

(淮北礦業(yè)股份有限公司孫疃煤礦，安徽省淮北市，235121)

礦井突水作為煤礦五大災(zāi)害之一，關(guān)系著井下作業(yè)人員的生命安全，制約著礦井的發(fā)展。我國東部礦井淺層煤炭資源逐漸枯竭，隨著開采深度的增加，受煤層底板隱伏垂向?qū)ǖ劳{，礦井突水的隱患也不斷加大。目前，突水水源識別方法包括常規(guī)水化學(xué)分析法、水質(zhì)模型法、微量元素法、環(huán)境同位素法、地下水動態(tài)觀測法等。通過研究區(qū)域地下水補(bǔ)給、徑流、排泄規(guī)律，結(jié)合水文地質(zhì)條件，分析水化學(xué)特征成為一種快速判別突水水源的方法。

朱莊煤礦現(xiàn)主采5#煤層與6#煤層，砂巖含水層、灰?guī)r含水層均可能成為煤層出水的水源，礦區(qū)垂向?qū)畼?gòu)造發(fā)育，因此面對礦井突水需及時判定突水水源，通過采集各含水層水樣進(jìn)行水質(zhì)分析，結(jié)合Gibbs圖、Piper圖、舒卡列夫分類，快速判定不同類型的礦井突水水源，為下一步突水治理提供參考依據(jù)。

1 主采煤層概況

朱莊煤礦位于安徽省淮北市屬閘河礦區(qū)，井田主要含煤地層為二疊系山西組和下石盒子組，礦井含煤7層，其中可采煤層4層，分別為3#、4#、5#、6#煤層，其中4#、5#、6#煤層為礦井主要可采煤層。

5#煤層厚度為0.1～6.37 m，平均厚度為2.44 m。煤層結(jié)構(gòu)簡單，局部可見1～2層夾矸，頂板多為灰色泥巖及粉砂巖，含植物葉片化石，次為砂巖，底板多為深灰色泥巖，粗粒砂巖。

6#煤層位于山西組中下部、太原組頂部第一層石灰?guī)r之上50 m左右，與5#煤層間距55～80 m。煤層厚度為0～6.75 m，平均煤厚2.51 m。與煤層頂直接接觸常有0.5～1.0 m的炭質(zhì)泥巖和煤線，俗稱偽頂，向上多為灰黑色粉砂巖或泥巖，與偽頂組成6#煤層的復(fù)合頂板。

2 主要充水含水層概況

(1)下石盒子組5#煤層底板砂巖裂隙含水層。該含水層底板埋深245.90～764.70 m，平均埋深410.60 m；砂巖厚度1.4～37.10 m，平均厚度21.50 m。巖性以中、細(xì)粒砂巖為主。砂巖裂隙不發(fā)育，具有不均一性。含水層(段)以5#煤層底板以下的粗粒砂巖為主。該含水層地下水處于封閉～半封閉環(huán)境，以儲存量為主，是開采5#煤層直接充水含水層，對5#煤層的開采影響較大。該含水層(段)的突水通道主要為采動裂隙。

(2)山西組6#煤層頂、底板砂巖裂隙含水層。該含水層底板埋深303.71～807.61 m，平均埋深504.40 m；砂巖厚度2.29～50.22 m，平均厚度22.60 m。巖性以淺灰～深灰色夾少量灰綠色中、細(xì)砂巖、巖漿巖為主，夾灰色粉砂巖及泥巖。砂巖裂隙不發(fā)育，具有不均一性。受礦井排水的影響，地下水呈承壓～無壓，其水位逐年下降，變化較大，水位變化范圍為-150～-250 m。該含水層地下水處于封閉～半封閉環(huán)境，以儲存量為主，具有補(bǔ)給量不足、以靜儲量為主的特征。該含水層是6#煤層開采時直接充水含水層，對6#煤層的開采影響較大，特別是對深部巷道的掘進(jìn)影響更大。根據(jù)井下突水點(diǎn)資料，該層突水多發(fā)生于6#煤層底板。

(3)太原組石灰?guī)r巖溶裂隙含水層。上段一灰～四灰層含水層是6#煤層開采的主要充水含水層，也是6#煤層開采時防治水的主要對象。根據(jù)鉆探資料及礦井開采水文地質(zhì)資料分析，灰?guī)r內(nèi)溶洞及溶蝕裂隙發(fā)育，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)該段有0.6 m的溶洞。相比較三灰、四灰?guī)r溶發(fā)育程度高于一灰、二灰。橫向上存在巖溶發(fā)育帶，造成區(qū)內(nèi)富水性極不均一。中下段中的五灰～十二灰灰埋藏較深，巖溶裂隙不太發(fā)育，水動力條件相對較差，距主采煤層較遠(yuǎn)，為間接含水層段。太灰?guī)r溶裂隙發(fā)育不均一，富水性差異較大，但總的來看，太灰含水層富水性較強(qiáng)，是6#煤層安全生產(chǎn)的重大隱患。2001—2011年礦井共發(fā)生過3次6#煤層底板太灰突水，都是由于斷層溝通太灰含水層引起的。

(4)奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層。該層總厚度大于500 m。該層含水層巖溶裂隙發(fā)育十分不均，一般淺部巖溶裂隙發(fā)育，向深部逐漸減弱。奧灰水位平均標(biāo)高為10.91 m。奧灰含水層在礦區(qū)范圍內(nèi)為埋藏型，在本礦東部為裸露型。該含水層(段)因距6#煤層200 m以上，一般情況下6#煤層開采時對礦井無突水威脅，但由于朱莊礦區(qū)導(dǎo)水構(gòu)造斷裂發(fā)育，導(dǎo)致奧灰水與太灰水的溝通，因而不排除在斷層或巖溶陷落柱溝通情況下發(fā)生突水的可能性。奧灰厚度較大，淺部巖溶裂發(fā)育，富水性強(qiáng)。具有水壓高、水量大的特征，是礦井安全生產(chǎn)的重要隱患之一。

3 主要含水層水化學(xué)特征

3.1 5#煤層底板砂巖含水層

5#煤層底板砂巖含水層是5#煤層底板的直接充水水源，選取5#煤層底板砂巖水樣進(jìn)行水質(zhì)分析，主要離子含量見表1。由表1可以看出，陽離子以Na+為主，Na+含量150.40～667.25 mg/l；陰離子以 HCO3-為主，HCO3-含量440.15～1110.45 mg/l。

3.2 6#煤層頂、底板砂巖含水層

6#煤層頂、底板砂巖含水層是6#煤層開采的直接充水水源，分別選取6#煤層頂、底煤底板砂巖水樣進(jìn)行水質(zhì)分析，主要離子含量見表2。由表2可以看出，陽離子以Na+為主，Na+含量208.44～256.77 mg/l；陰離子以 HCO3-為主，HCO3-含量433.76～546.54 mg/l。

表1 5#煤層底板砂巖主要離子含量

表2 6#煤層頂?shù)装迳皫r水主要離子含量

3.3 6#煤層底板灰?guī)r含水層

6#煤層底板灰?guī)r含水層也是6#煤層底板的直接充水水源，選取6#煤層底灰?guī)r水樣進(jìn)行水質(zhì)分析，主要離子含量見表3。由表3可以看出，陽離子以Ca2+、Mg2+為主，Ca2+含量51.60～98.25 mg/l, Mg2+含量24.93～ 32.77 mg/l；陰離子以 HCO3-為主，HCO3-含量312.60～367.05 mg/l。

3.4 不同含水層主要離子含量對比

對比分析可知，導(dǎo)致5#煤層、6#煤層出水的不同含水層主要離子含量平均值見表4。

從離子組成上分析，5#煤層底板砂巖含水層陽離子以Na+為主，陰離子以HCO3-為主，SO42-次之；6#煤層頂?shù)装迳皫r含水層陽離子以Na+為主，陰離子以HCO3-為主；相比較而言，5#煤層、6#煤層砂巖含水層具有相似的離子組成；6#煤層底板灰?guī)r含水層陽離子以Ca2+、Mg2+離子為主，陰離子以HCO3-為主。

另外，6#煤層底板灰?guī)r水的硬度平均值為296.34德國度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于5#煤層砂巖水的57.08德國度與6#煤層砂巖水的10.06德國度；6#煤層底板灰?guī)r水的TDS平均值為385.07 mg/l，小于5#煤層砂巖水的921.79 mg/l與6#煤層砂巖水的569.66 mg/l。

由此可見，可以將離子含量結(jié)合硬度與TDS作為判別煤層出水不同水源的依據(jù)。

表3 6#煤層底板灰?guī)r水主要離子含量

表4 不同含水層離子平均含量

4 煤層出水水源判別方法研究

4.1 利用主要離子識別突水水源

通過對5#煤層、6#煤層不同含水層進(jìn)行水質(zhì)分析，得到主要離子含量，并得到水化學(xué)樣品的毫克當(dāng)量百分比，見圖1。由表4與圖1可以得出，5#煤層頂板和6#煤層頂?shù)装迳皫r含水層Na+超過80%，而6#煤層底板灰?guī)r含水層Ca2++Mg2+的毫克當(dāng)量百分比超過80%；砂巖含水層水化學(xué)類型以HCO3-Na型水為主，而灰?guī)r含水層以HCO3-Ca-Mg型水為主；因此，可以將主要離子的毫克當(dāng)量百分比作為礦井突水水源識別的依據(jù)。

圖1 各含水層主要離子含量圖

4.2 Piper三線圖識別突水水源

將不同含水層各樣品投點(diǎn)至Piper圖上，如圖2所示。可以看出，從陰離子方面較難區(qū)分山巖含水層與灰?guī)r含水層，但從陽離子方面可以看到，砂巖含水層位于陽離子三角形右下方，而灰?guī)r含水層位于左中方；在菱形圖上可以看出，砂巖含水層位于菱形的下方，該區(qū)域以Na++K+以及HCO3-+CO32-為主，而灰?guī)r含水層位于菱形的左中部，該區(qū)域以Ca2++Mg2+以及HCO3-+CO32-為主。因此，通過Piper圖可以直觀地反應(yīng)水源類型。

圖2 各含水層Piper圖

4.3 Gibbs圖識別突水水源

1970年Gibbs通過將水體中Na+/(Na++Ca2+)的毫克當(dāng)量比值(無量綱)作為橫軸，TDS(mg/l)作為縱軸設(shè)計(jì)了一種半對數(shù)坐標(biāo)圖，該圖被用于解釋河水中水化學(xué)的影響因素，即巖石風(fēng)化影響、蒸發(fā)影響以及降水因素，通過應(yīng)用Gibbs圖可以分析河水中的離子起源和地下水中水體的影響因素。將各含水層的水化學(xué)樣品數(shù)據(jù)投到Gibbs圖上，如圖3所示。

圖3 各含水層Gibbs圖

由圖3可以看出，各含水層大部分水樣投點(diǎn)位于中部的巖石風(fēng)化影響區(qū)，但是5#煤層底板砂巖含水層與6#煤層頂?shù)装迳皫r含水層位于Gibbs圖的中后部，而6#煤層底板灰?guī)r含水層位于Gibbs圖的中前部。因此，根據(jù)水化學(xué)樣品在Gibbs圖中不同的投點(diǎn)區(qū)域，也可以識別水源類型。

5 結(jié)論

(1)砂巖含水層Na+毫克當(dāng)量百分比超過80%，水化學(xué)類型以HCO3-Na型水為主；灰?guī)r含水層Ca2++Mg2+毫克當(dāng)量百分比超過80%，灰?guī)r含水層以HCO3-Ca-Mg型水為主。因此可以根據(jù)毫克當(dāng)量百分比的差異與水化學(xué)類型的不同進(jìn)行煤層出水水源識別。

(2)砂巖含水層位于Piper圖陽離子三角形的右下方，菱形的下方；而灰?guī)r含水層位于陽離子三角形和菱形的左中部，因此可以通過Piper圖分辨水源類型。

(3)砂巖含水層水樣一般位于Gibbs圖中后部，而灰?guī)r含水層一般位于Gibbs圖中前部，因此通過Gibbs圖可以直觀識別出水水源。

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