基于水化學特征組分測試的陷落柱突水水源判別

周 強

(1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013； 2.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京 100013)

礦井生產作業過程中常遇到涌水現象，煤礦水害事故往往具有不確定性、準確預測困難、危害大等特點，是煤炭企業重點預防的災害之一。礦井發現突水征兆或出現涌(突)水點后，快速、準確地判斷突水水源是首要任務，是礦井探放水、水害治理以及后續救援等工作的前提。突水水源的判別主要分為定性和定量兩類，而水化學分析判別法是突水水源定性判別的主要方法之一[1-5]。目前主要分析常規的無機組分，來判別各含水層的水化學特征，但是無機組分受到地質沉積構造[6-8]、地下水運移和長期水巖作用[9-10]的控制，往往相鄰含水層的水化學特征相似，突水事故發生時，難以判別其水源[11-12]；實際上，地下水中存在非常多的水質組分，有代表性的還包括特征微量元素、有機組分等[12-13]，其中有機組分與無機組分在地下運移演化規律正好相反；另外，對有機組分的檢測分析手段相對先進，包括熒光光譜、紅外光譜、氣相/液相—質譜等，三維熒光光譜是表征地下水中天然溶解性有機物的有效手段[14-16]。這些有機物結構中的官能團具有不同的熒光特性，當這些官能團受到特定波長的紫外光激發照射時，會發射不同波長的熒光，通過對激發和發射波長的同步快速掃描，地下水中不同類型的有機物形成特征熒光光譜。地下水中有機物成分復雜，利用3DEEM可以獲得激發波長和發射波長同時掃描的熒光峰，是一種非常靈敏的光譜指紋技術。

本文以山西某礦下組煤大巷掘進探水過程中陷落柱涌水為例，利用常規組分、特征元素和有機組分進行綜合特征分析[17-19]，研究太灰水、奧灰水和陷落柱水的水化學特征，以實現對陷落柱水的有效判別。

1 陷落柱發育的水文地質環境

山西某礦位于河東煤田中段，井田為一傾角平緩的單斜構造，煤層平均傾角5°，主要開采石炭系太原組的下組煤。煤層頂板巖性為太原組薄層灰巖和砂泥巖互層，底板為石炭系中統本溪組(主要隔水層)、奧陶系峰峰組和上馬家溝組，主采的9號煤層距離奧陶系頂界面最小距離為54.74 m，平均60.23 m。下組煤開采主要面臨著直接頂板石炭系太原組薄層灰巖水以及煤層底板奧陶系巖溶裂隙承壓水的威脅。

該礦下組煤大巷掘進探水過程中發現了一個長軸15 m、短軸為12 m的陷落柱，鉆孔有涌水現象，最大單孔涌水量30 m3/h，最大水壓為0.3 MPa。礦井先期施工了4個陷落柱產狀的探查孔，同時兼作陷落柱水的疏放、監測孔，經過7 d的觀測，鉆孔涌水量穩定在60 m3/h左右，未見明顯衰減。

2 水化學測試類別的選擇

由于礦井剛開展下組煤的掘進工作，未進行頂、底板含水層的水質測試工作，缺少含水層的水化學背景值基礎數據，因此無法通過簡單的水質分析定性比對方法判別陷落柱水源層位。

一般地，水化學檢測類別中，常規水質分析是基礎，是礦井掌握和積累水化學資料的基礎；當某含水層中存在獨特的化學元素時，該元素可作為含水層的特征組分或標志性元素，當檢測到該元素時或該元素達到某一賦存區間時，則可判定該層為水源層；水中含有有機質、放射性物質等，測試不同物質的不同物理、化學性質特征為突水水源判別提供了獨特的路徑。

為了查明該礦陷落柱的突水水源，研究采用常規水質分析、特征元素含量測定和三維熒光光譜分析手段，分析太灰、奧灰含水層水質特征，并判別陷落柱突水水源層。

3 水化學測試與分析

3.1 常規水質與特征元素測試

本次共采集水樣3組，分別為太灰水(井下太灰含水層)、奧灰水(水源井)和陷落柱水。取樣全部用2.5 L塑料桶，裝滿密封，及時進行水質指標的測試。其中，常規測試指標有pH值、碳酸鹽、氯化物、硫酸鹽、鉀、鈉、鈣、鎂、總硬度和溶解性總固體，特征元素有鋇、鈷、鉻、銅、釩、錳、鉬、鈧、銣、鉈和鍶。水質化驗結果見表1。

判定水質相似程度可用已有水源與待判水源水質的相似偏離度表征，水質相似偏離度越小，表明待判水源水質與已知水源水質關聯度越高。

(1)

通過計算太灰、奧灰含水層與陷落柱水質相似偏離度，常規水質指標pH值、總硬度、溶解性總固體、硫酸鹽、鈣，以及鈷、錳、鍶特征元素反映出陷落柱水與奧灰水關系更密切；陷落柱水質的其他指標數值介于太灰與奧灰之間，反映出奧灰、太灰混合水特征。

表1 灰巖含水層與陷落柱水特征組分測試結果Tab.1 Test results of characteristic components of limestone aquifer and collapse column water

3.2 有機水化學特征分析

地下水中含有無機質和有機質，而地下水補、徑、排各環節所處的地質、水文和物源等環境的差異，地下水中有機質的類別、數量、形態以及分布特征各有其特點。

在水源判別中，重點關注水中溶解性有機質(DOM)的類型、含量及光譜DNA。對水中DOM的測試主要是通過三維熒光光譜分析(3DEEM)來實現的。3DEEM將將熒光強度以等高線方式投影在以激發光波長和發射光波長為橫縱坐標的平面上從而獲得圖譜。該圖譜中，地下水中的DOM依據其成分劃分為Ⅰ—Ⅴ區，分別為酪氨酸、色氨酸、疏水性有機酸、含色氨酸的類蛋白質以及海洋性腐殖酸分區。

(1)太灰水。研究中，太灰水的DOM熒光光譜圖中出現了3個熒光峰(圖1)，太灰水中Ⅰ區(Ex=245.0 nm、Em=308.0 nm)熒光峰強度(簡稱FI)為237.1QSU；Ⅱ區(Ex=220.0nm、Em=330.0nm)FI=214.8 QSU；Ⅲ區(Ex=220.0 nm、Em=384.0 nm)FI=134.6 QSU。其中，Ⅰ區的熒光峰強度較強。

圖1 太灰水中DOM熒光光譜Fig.1 Fluorescence spectrum of DOM in Taiyuan Formation water

(2)奧灰水。奧灰水的DOM熒光光譜圖中出現了2個熒光峰(圖2)，奧灰水中Ⅰ區(Ex=250.0 nm、Em=308.0 nm)FI= 191.9 QSU；Ⅲ區(Ex=235.0 nm、Em=406.0 nm)FI=121.2 QSU；奧灰水中DOM熒光光譜特征也比較相似，其中Ⅰ區的熒光峰強度較強。

圖2 奧灰水中DOM熒光光譜Fig.2 Fluorescence spectrum of DOM in Ordovician limestone water

(3)陷落柱水。陷落柱水中Ⅰ區(Ex=245.0 nm、Em=306.0 nm)FI=212.5 QSU；Ⅱ區(Ex=225.0 nm、Em=336.0 nm)FI=354.8 QSU；Ⅲ區(Ex=225.0 nm、Em=400.0 nm)FI=348.9 QSU。從圖3可以明顯看出，陷落柱水中DOM的Ⅱ區和Ⅲ區熒光峰強度明顯比太灰水和奧灰高，可能與陷落柱內有機質相對比較豐富有關。

圖3 陷落柱水中DOM熒光光譜Fig.3 Fluorescence spectrum of DOM in collapse column water

DOM測試結果表明：①3類水樣中，陷落柱水中DOM熒光強度最高，主要是Ⅱ區和Ⅲ區熒光峰強度高，太灰水中熒光強度其次，奧灰水中熒光強度最弱；②太灰水熒光峰面積明顯大于奧灰水，據此可有效區別奧灰水和太灰水水源，為后續突水水源判別提供了新的鑒別方法；③陷落柱DOM含量表明，不受采動影響條件下(天然狀態下)，陷落柱水有機質聚集，水動力條件弱，與上下含水層水交換較弱。

綜上所述，根據對陷落柱突水水源的特征組分測試和有機水化學分析表明，陷落柱水同時兼備太原組灰巖和奧陶系灰巖水的水化學特征，太灰與奧灰存在水力聯系。

4 結論

(1)通過對水樣進行特征組分測試，pH值、總硬度、溶解性總固體、硫酸鹽、鈣、鈷、錳、鍶反映出陷落柱水與奧灰水關系更密切；陷落柱水質的其他指標數值介于太灰與奧灰之間，反映出奧灰、太灰混合水特征。

(2)通過對水樣有機水化學特征分析，3類水樣中，陷落柱水中DOM熒光強度最高，主要是Ⅱ區和Ⅲ區熒光峰強度高；太灰水中熒光強度其次，奧灰水中熒光強度最弱。太灰水熒光峰面積明顯大于奧灰水，據此可有效區別奧灰水和太灰水水源，為后續突水水源判別提供了新的鑒別方法。

(3)陷落柱DOM含量表明，在不受采動影響的條件下(天然狀態下)，陷落柱水有機質聚集，水動力條件弱，與上下含水層水交換較弱。陷落柱水同時兼備太原組灰巖和奧陶系灰巖水的水化學特征，太灰與奧灰存在水力聯系。

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