基于水化學和氫氧同位素特征的小屯煤礦充水條件研究
2021-07-26 05:04:10南生輝劉英鋒周天威張光明
安全與環境工程 2021年4期
樊 娟，南生輝，劉英鋒，周天威，張光明
(1.西安科技大學地質與環境學院,陜西 西安 710054；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；3.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西 西安 710077；4.武漢中地環科水工環科技咨詢有限責任公司，湖北 武漢 430073；5.貴州大方煤業有限公司小屯煤礦，貴州 大方 551600)
我國黔北地區煤礦以二疊系煤層開采為主，其頂板多見二疊系長興組灰巖等，礦區內煤礦受構造抬升、河流切割等原因的影響多數位于當地最低侵蝕基準面以上，其地形條件有利于礦井排水，礦井水文地質條件相對簡單，但同時因為地下水循環交替迅速，上覆巖溶強徑流帶或斷層帶容易形成地下水徑流的集中或優先通道，開采過程中形成的采動裂隙、陷落柱等也可能構成充水通道，使礦井面臨著更大的防排水壓力和嚴重水害威脅的可能，致使礦區內煤礦水害事故頻發。
掌握水文地質條件、分析礦井充水因素是煤礦防治水工作的基礎和前提。水文地球化學和同位素分析等方法因其具有快速、準確、經濟等優點，在判斷礦井突水水源方面得到了廣泛的運用，可為礦井涌水量預測、水害防治提供依據。水化學和氫氧同位素方法主要包括特征離子和離子比值比較法、多元統計方法、數學判別模型法等。本文以小屯煤礦為例，在水文地質調查的基礎上，劃分了小屯煤礦含水層的結構，系統采集不同含水層或可能充水來源的地下水樣品，分析了不同含水層地下水的水化學類型與水化學組成特征，以此討論礦井可能的充水來源或不同含水層地下水與礦井地下水之間的水力聯系，以為礦井后期防排水工作提供依據。
1 研究區概況
小屯煤礦位于貴州省畢節市境內，緊鄰大方縣城。研究區地處貴州高原西部，主要屬于以構造剝蝕山地地貌為主的低中山丘陵地貌。研究區地形總體表現為北高南低，北部地區最大高程約為1 951 m，西南地區最低高程為1 088 m，地表多數標高在1 350 m以上，煤系地層出露標高為1 350～1 620 m。研究區屬暖溫帶濕潤季風氣候，多年平均降雨量為1 155 mm，降水多集中在4～9月份，占全年降水量的78.8%，年平均氣溫為11.8℃。研究區內無較大河流，僅研究區西側有對江-白布河，其余多為地表季節性溪流。
1.1 基礎地質條件
小屯煤礦構造上位于沿北東走向的大方背斜東南翼(見圖1)，礦區總體呈一寬緩的單斜構造，地層傾向南東，傾角一般約為8°～10°。研究區南部地區斷層較發育，北部地區沿走向和傾向發育寬緩褶皺，構造復雜程度屬第二類即中等構造。小屯煤礦由新至老主要分布有三疊系下統夜郎組九級灘段(Ty
)、三疊系下統夜郎組玉龍山段(Ty
)、三疊系下統夜郎組沙堡灣段(Ty
)、二疊系上統長興-大隆組(Pch
+d
)、二疊系上統龍潭組(Pl
)地層。礦區外圍是二疊系峨眉山組(Pβ
)玄武巖、二疊系棲霞-茅口組(Pq
+m
)灰巖，則分布于礦區西側。其中，二疊系上統龍潭組(Pl
)為小屯煤礦主要含煤地層，由粉砂巖及煤層組成，屬海陸交互相含煤建造，共含煤4層，從上到下編號為：6、6、6、7，其中6煤層為小屯井田主要可采煤層。
圖1 研究區水文地質簡圖及采樣點分布圖
1.2 含水巖組劃分
合理劃分研究區含水巖組是認識地下水系統地質結構的關鍵，也是充分辨識礦井充水條件的基礎。根據地層巖性及地下水賦存特征，研究區可劃分為若干巖溶含水層和相對隔水層，如表1所示。
表1 研究區含水巖組劃分
對于二疊系上統龍潭組(Pl
)含煤地層來說，地表受剝蝕影響出露不全，富水性極弱，礦井中主要表現為滲水、滴水等。二疊系上統龍潭組(Pl
)煤層底板之下主要為二疊系峨眉山組(Pβ
)玄武巖地層，僅淺部含風化裂隙水，在礦區西側部分出露，可視為相對隔水層，其將二疊系上統龍潭組(Pl
)煤層與下伏二疊系中統棲霞-茅口組(Pq
+m
)灰巖巖溶裂隙含水層間隔開來，使得下伏巖溶水不會影響到6煤層的開采。同時，二疊系上統龍潭組(Pl
)煤層頂板上覆有二疊系上統長興-大隆組(Pch
+d
)和三疊系下統夜郎組玉龍山段上亞段(Ty
)巖溶裂隙復合含水層組。二疊系上統長興-大隆組(Pch
+d
)巖溶裂隙含水層雖厚度較小、地表出露規模有限、富水性中等，但直接與二疊系上統龍潭組煤層接觸，構成礦區的直接充水含水層。三疊系下統夜郎組玉龍山段上亞段(Ty
)巖溶裂隙含水層被三疊系下統夜郎組沙堡灣段(Ty
)和三疊系下統夜郎組玉龍山段下亞段(Ty
)組成的相對隔水層與二疊系上統長興-大隆組(Pch
+d
)巖溶裂隙含水層分割開，該層巖溶裂隙極為發育，地表常見溶洞、落水洞、巖溶漏斗等巖溶形態，入滲補給條件較好，地表多見泉點排泄，富水性較強，在礦區東南側形成九股水暗河出口，是該含水層的主要排泄出口。1.3 礦井充水條件
研究區僅西側分布對江-白布河，河床出露于二疊系中統棲霞-茅口組(Pq
+m
)灰巖地層，標高約為1 088～1 260 m，低于二疊系上統龍潭組(Pl
)地層標高(1 350～1 620 m)，同時研究區內二疊系中統棲霞-茅口組(Pq
+m
)灰巖地層下伏于二疊系上統龍潭組(Pl
)地層，不會構成對一采區礦井的主要充水威脅。此外，礦井采空區局部存在積水，但對當前采掘生產的影響較小。根據觀測資料，研究區礦井涌水量雖存在滯后現象，但仍與降雨量顯著相關，表明大氣降水仍是礦區的主要補給來源。大氣降水通過入滲補給充水含水層，進而補給礦區，主要構成間接充水水源。
從礦區巖溶含水層結構上來說，研究區煤層開采后的直接充水含水層為二疊系上統長興-大隆組(Pch
+d
)碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層、二疊系上統龍潭組(Pl
)碎屑巖裂隙水含水層，兩者對礦井涌水的影響不可忽視。同時，煤層開采后形成的采動裂隙等也可能使得上覆強徑流巖溶含水層的地下水涌入礦井，需進一步分析這些充水來源對礦井涌水的影響。2 樣品采集與測試
為了查明小屯煤礦礦區內不同含水層地下水的水化學性質及其相互聯系，于枯水期(2019年12月)在礦區地表沖溝、地下水露頭點、礦井排水點等共采集水樣42件，包含10件地表水樣品、23件地下水樣品(其中采自Ty
、Ty
、Pch
+d
、Pl
地層的裂隙水樣品分別為3件、18件、1件、1件)、9件井下樣品(也稱礦井水，井下樣品取自研究區一采區，由于五采區尚未開采，故未布設采樣點位)，按此順序依次命名為Group1～Group6。其中，井下樣品有2處取自巷道的頂板滲水，其余7處取自井下巷道的混合水樣。水樣采集現場利用美國In-Situ SMARTroll手持式多參數水質監測儀記錄水溫、pH值、電導率等指標。水樣采用瓶裝法現場采集，采集前先將取樣瓶用所采水樣清洗3次后再進行樣品采集。其中，采集氫氧同位素樣品時，將水裝滿不留氣泡。所有樣品于瓶身貼上標簽，低溫保存并運回實驗室進行分析測定。
3 結果與討論
3.1 水化學類型特征
研究區各取樣點水樣中水化學組成Piper三線圖見圖2，各取樣點水樣中水化學組成和氫氧同位素特征統計結果見表2。
圖2 研究區各取樣點水樣中水化學組成的Piper三線圖
由圖2和表2可見：研究區不同類型或不同含水層樣品間表現出較為明顯的水化學組成差異。從總礦化度(TDS)分析來看，地表水樣品(Group1)中TDS的變化范圍為79.7～271.5 mg/L，平均值為163.9 mg/L出露于三疊系下統夜郎組九級灘段(Ty
)和玉龍山段(Ty
)、二疊系上統長興-大隆組(Pch
+d
)地下水樣品(Group2～Group4)中TDS的平均值分別為66.3 mg/L、126.2 mg/L、150.7 mg/L，而出露于二疊系上統龍潭組(Pl
)地下水樣品(Group5)中TDS的平均值為539.5 mg/L，礦井水樣品(Group6)中TDS的變化范圍則為241.2～1 883.8 mg/L，平均值為1 030.8 mg/L(見表2)；從水化學類型分析來看，地表水樣品與三疊系下統夜郎組九級灘段(Ty
)和玉龍山段(Ty
)、二疊系上統長興-大隆組(Pch
+d
)地下水樣品均以HCO-Ca型為主要水化學類型，僅個別樣品表現為HCO·SO-Ca型，而二疊系上統龍潭組(Pl
)地下水樣品則表現為SO-Ca·Mg型，礦井水樣品則主要表現為SO·HCO-Na型或HCO·SO-Na型，僅有一處樣品表現為SO·HCO-Ca型(見圖2)。
表2 研究區各取樣點水樣中水化學組成和氫氧同位素特征統計結果
研究區各取樣點水樣中硫酸鹽濃度與Na/Ca、Mg/Ca比值的關系，見圖3和圖4。
圖3 研究區各取樣點水樣中硫酸鹽濃度與Na/Ca比值的關系圖
圖4 研究區各取樣點水樣中硫酸鹽濃度與Mg/Ca比值的關系圖
由圖3和圖4可見，礦井水在表現出高硫酸鹽組成的同時，也表現出顯著高于其他地下水樣品的Na/Ca、Mg/Ca比值;除偏高的硫酸鹽組成外，研究區礦井水中還具有顯著偏高的Na，礦井水中Na的最高濃度為515.9 mg/L，平均濃度為319.9 mg/L，成為礦井水中最主要的陽離子組成，也由此決定了礦井水的水化學類型。
研究區二疊系上統龍潭組(Pl
)煤系地層以泥質粉砂巖等為主，長石等硅酸鹽礦物和鹽巖等的溶解過程是地下水中Na的主要來源[見反應式(3)]，但礦井水中Na/Cl比值遠遠大于1，因此偏高的Na/Ca、Mg/Ca比值共同指示了礦井水經歷了較為強烈的陽離子交換吸附作用[見反應式(4)～(7)]。具體化學反應式如下：
(1)
(2)
(3)
CAI-1=[γ
(CI)-γ
(Na)]/γ
(CI)(4)
(5)
(Na)(巖石)+(Ca+Mg)(水)=(Ca+Mg)(巖石)+(Na)(水)
(6)
(Na)(水)+(Ca+Mg)(巖石)=(Ca+Mg)(水)+(Na)(巖石)
(7)
反應式(4)、(5)中，CAI-1和CAI-2為氯堿指數，通常用來表征離子交換的方向和強度。
3.2 硝酸鹽組成特征
地下水中硝酸鹽主要來源于農業施肥、生活污水和工業廢水排放等人類活動。研究區各取樣點水樣中硝酸鹽濃度與TDS的關系，見圖5。
圖5 研究區各取樣點水樣中硝酸鹽濃度與TDS的關系圖
3.3 氫氧同位素特征
一般地下水中氫氧同位素組成主要受到補給來源、高程等的影響，受徑流循環過程中水-巖相互作用等干擾較弱。本文選取貴陽大氣降水線為參照，繪制了研究區各取樣點水樣中氫氧同位素組成的關系圖，見圖6。
圖6 研究區各取樣點水樣中氫氧同位素組成的關系圖
由圖6可見，研究區各取樣點均分布在貴陽大氣降水線附近，表明研究區主要以大氣降水為主要補給來源；但不同組別取樣點表現出明顯的氫氧同位素組成的差異。其中，研究區地表水樣品中δ
D、δ
O的平均值分別為-55.1‰、-8.7‰，相較其他組別樣品氫氧同位素組成偏重，可能主要受地表蒸發作用的影響；三疊系夜郎組九級灘段地下水樣品中δ
D、δ
O的平均值分別為-53.9‰、-9.1‰，三疊系夜郎組玉龍山段地下水樣品中δ
D、δ
O的平均值則分別為-56.8‰、-9.0‰，兩者氫氧同位素組成較為近似，指示其補給高程或范圍較為一致；然而，二疊系長興-大隆組、龍潭組地下水樣品中δ
D、δ
O分別為-60.3‰、-58.4‰，相較其他組別樣品氫氧同位素組成偏輕；礦井水中δ
D的變化范圍為-64.0‰～-57.1‰，平均值為-58.9‰，δ
O的變化范圍為-10.6%～-9.1%，平均值為-9.7‰，與二疊系長興-大隆組、龍潭組地下水樣品中氫氧同位素組成較為近似。從氫氧同位素組成分析，研究區礦井水樣品與二疊系長興-大隆組、龍潭組地下水樣品氫氧同位素組成近似，指示礦井水與其具有較為一致的補給范圍或者具有密切的水力聯系，這符合二疊系長興-大隆組、龍潭組作為煤層頂板充水含水層的結構特征。值得注意的是，礦井水與二疊系玉龍山段地下水在氫氧同位素組成分布仍存在一定的交疊，表明礦區仍可能受到上覆三疊系夜郎組玉龍山段巖溶裂隙含水層充水的影響，但從其組成特征與交疊程度分析，上覆三疊系夜郎組玉龍山段巖溶裂隙水對礦井充水的影響程度可能并不顯著。可考慮通過進一步的取樣調查與分析評價來確定不同水源對礦區充水的影響程度與位置。
4 結 論
(1) 在水文地質結構上，小屯煤礦煤層所在二疊系龍潭組碎屑巖裂隙含水層的富水性較弱，二疊系長興-大隆組等地層構成了礦區二疊系龍潭組煤層的直接充水含水層，其厚度較小、富水性中等，上覆三疊系夜郎組玉龍山段巖溶裂隙含水層受三疊系沙堡灣組相對隔水層的控制，與直接充水含水層及煤層間隔開，經采動裂隙等途徑方可能進入礦井并影響礦井。
(4) 氫氧同位素組成特征表明：研究區礦井水較為富集輕同位素，主要與二疊系長興-大隆組、龍潭組等直接充水含水層的氫氧同位素組成相近，其兩者之間水力聯系密切；而與上覆三疊系夜郎組玉龍山段巖溶裂隙含水層交疊較少，表明一采區礦井水受上覆三疊系夜郎組玉龍山段巖溶裂隙水的影響較小。
