烏東煤礦地下水水化學特征及其指示

劉旭東，許 峰，石 磊，王世東，劉 基

(1.神華新疆能源有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830084；2.煤炭科學研究總院，北京 100013；3.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710054；4.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西 西安 710054)

煤礦開采受到煤層頂板直接充水含水層的威脅，同時也受到來自上部的間接充水含水層的影響[1，2]。準確判別含水層之間的水力聯系不僅有助于準確預測礦井涌水量，同時對后期制定科學合理的防治水措施至關重要[3，4]。自然中各含水層地下水的水化學成分或多或少存在差異，不同的含水層擁有其獨特的水化學特征[5，6]。近年來，利用水化學特征差異性判別突水水源[7，8]、含水層之間水力聯系[9，10]的研究多有報道。Li P等利用地下水水化學特征的差異性判別了紅墩子煤礦多層含水層之間的水力聯系[10]。劉基等利用深埋煤層礦區煤系地層地下水硫酸根離子高的特征，確定了煤系地層含水層與上覆第四系含水層無明顯水力聯系，為數值法預測礦井涌水量奠定了基礎[11]。這些學者對于含水層間水力聯系大部分停留在定性評價上，缺乏定量的評價。

烏東煤礦煤層開采直接充水含水層為西山窯組含水層，間接充水含水層為第四系含水層以及周圍地表水。煤礦井下開采需要預先布設排水系統，因此需要準確預測礦井涌水量的大小。而此項工作的基礎是準確判別西山窯組基巖含水層與第四系含水層及地表水是否有水力聯系以及其聯系程度。鑒于此，本文以烏東煤礦為研究對象，分別采集西山窯組基巖含水層、第四系含水層及地表水水樣，分析各水體水化學特征，采用多種定性和定量的方法綜合判別含水層之間的水力聯系及其聯系程度，為后期礦井涌水量預測及防治水措施制定提供參考。

1 研究區概況

烏東煤礦設計生產能力6.00Mt/a，礦井采用綜合機械化水平分段放頂煤采煤法，斜井、多水平、分區開拓方式。主要開采煤層為中侏羅統的西山窯組B3-6、B1-2。井田內地層由老至新有侏羅系下統三工河組(J1s)、侏羅系中統西山窯組(J2x)、頭屯河組(J2t)和第四系(Q)。含水層主要有第四系孔隙潛水含水層和中侏羅統西山窯組裂隙孔隙含水層。其中第四系孔隙潛水含水層富水性相對較強，基巖含水層富水性相對較弱。

礦區范圍內主要有鐵河和蘆河，其中蘆草溝水流較小，上游站日平均流量為0.031～0.190m3/s；下游站日平均流量為0～0.214m3/s。鐵廠溝上游站月平均流量為0.068～0.247m3/s；下游站月平均流量為0～0.148m3/s。

根據礦井充水因素分析，礦井煤層開采直接充水含水層為西山窯組含水層(基巖含水層J2)，間接充水含水層為第四系含水層(Q)以及周圍地表水，充水通道主要為導水裂縫帶及天然裂隙帶。

2 水樣采集與分析

圖1 地下水采樣點位置分布

為了保證測試結果的準確性和有效性，隨機選用2組地下水樣品進行了重復測試，并對前后兩組測試結果進行比對分析，以消除誤差。此外，通過分析計算電荷平衡誤差(CBE)來驗證分析數據的有效性，其計算公式為[12，13]：

式中，ma和mc分別是陰陽離子的毫克當量濃度，meq/L。

經過重復檢測和電荷平衡分析，15件樣品測試結果均有效且CBE在±5%范圍內。

3 結果與討論

3.1 一般水化學特征

所有采取的水樣測試結果見表1。由表1可知：

表1 水質測試結果 mg/L(pH除外)

1)所有地下水樣品的pH介于7.1～8之間(除了J2水樣，pH>9.2)，都為弱堿性水。西山窯基巖含水層的TDS絕大部分大于6000mg/L，第四系地下水絕大部分的TDS介于859～1707mg/L之間，地表河水TDS介于458～797mg/L之間。由此可見，隨著含水層埋深的加大，地下水TDS逐漸增大，地表水和第四系地下水TDS均低于基巖含水層地下水。

根據一般水化學特征可初步判斷，第四系地下水與地表水有一定的水力聯系，與基巖地下水水力聯系較弱。

3.2 水化學類型

圖2 Piper三線圖

根據水化學類型特征可以進一步確定，第四系地下水與地表水有一定的水力聯系，與基巖地下水水力聯系較弱。

3.3 水化學影響因素

3.3.1 水-巖作用

圖3 Gibbs圖

基巖地下水樣品均落于濃縮作用控制區域，地表水和第四系地下水均落于巖石風化-蒸發控制區域。這是由于基巖地下水埋深大，補給條件弱，徑流滯緩，受濃縮作用控制為主，地表水和第四系地下補給條件好，更新交替快，主要受巖石風化控制，但由于研究區氣候屬于干旱-半干旱氣候，蒸發強度大于降雨強度，水化學成分一定程度上受到蒸發作用的影響。從這里也可以看出，第四系地下水與地表水有一定的水力聯系，與基巖地下水水力聯系較弱。

3.3.2 陽離子交換作用

從圖3還可以看出，一部分地下水水化學樣品落于曲線外部，這可能由于地下水在徑流過程發生了陽離子反交換作用，導致地下水中的Na+濃度增大。

國外學者Schoeller提出了兩個指標(CAI-1和CAI-2)來判斷地下水和地表水中發生了什么樣的陽離子交換作用[7，16]，其計算公式為：

如果CAI-1和CAI-2均為正值，說明發生了陽離子交換作用，如反應式(4)；如果兩指標均為負值，說明發生了陽離子反交換作用，如反應式(5)[11]。

2Na++(Ca，Mg)X2(Ca，Mg)2++2NaX

(4)

(Ca，Mg)2++2NaX2Na++(Ca，Mg)X2

(5)

根據研究區水化學測試數據，繪制了CAI-1和CAI-2的關系圖，如圖4所示。由圖4可看出，CAI-1和CAI-2兩指標均為負值，說明了研究區地下水和地表水中均發生了陽離子反交換作用，即地下水和地表水中的Ca2+和Mg2+與圍巖中Na+發生了交換，導致水體中的Na+濃度增大。

圖4 CAI-1和CAI-2關系

3.4 水體間水力聯系

以上討論均得出了第四系地下水與地表水有一定的水力聯系，與基巖地下水水力聯系較弱的定性結論，但是到底它們之間的水力聯系程度多大，仍需要進行分析研究。

Cl-是含水層中較為常見的離子，其濃度一般只受地層本身的影響，其他因素對其濃度的影響較小。因此可以分析各含水層之間Cl-濃度的關系來判斷它們之間的水力聯系程度[16]。

含水層間水力聯系度K計算公式為：

式中，Cl1和Cl2分別代表不同含水層地下水中Cl-平均濃度。

如果K<0.2，代表兩含水層水力聯系強；如果0.20.4，代表兩含水層水力聯系低[10]。

根據研究區水化學測試數據，分別計算了第四系地下水和地表水、第四系和基巖地下水之間的聯系度，見表2。由表2可知，第四系地下水和地表水的聯系度為0.361，聯系程度為中等；第四系和基巖地下水之間的聯系度為0.404，聯系程度為低。這與之前得到的結論一致。

表2 含水層間水力聯系程度計算結果

4 結 論

本文為確定西山窯組基巖地下水、第四系地下水及地表水之間的水力聯系，采集了15件地下水和地表水水化學樣品進行分析，采用了多種方法，定性和定量分析了相鄰含水層之間的水力聯系。

2)基巖地下水主要的水化學類型為Cl·SO4-Na，地表水主要的水化學類型為HCO3·SO4-Na·Ca，第四系地下水主要的水化學類型為SO4·Cl·HCO3-Na和SO4·Cl·HCO3-Na·Ca。基巖地下水樣品受到濃縮作用影響，地表水和第四系地下水受到巖石風化-蒸發影響。同時研究區地下水和地表水中還發生了陽離子反交換作用。

3)多種指標分析發現，第四系地下水與地表水有一定的水力聯系，與基巖地下水水力聯系較弱。其中第四系地下水和地表水的聯系度為0.361，聯系程度為中等；第四系和基巖地下水之間的聯系度為0.404，聯系程度為低。