高家堡煤矿煤层顶板水水化学特征及其水害防治技术_任邓君.pdf

第 47 卷 增刊 1 煤田地质与勘探 Vol. 47 Supp.1 2019 年 9 月 COAL GEOLOGY 2. Shandong Energy Zibo Mining Group Co., Ltd., Zibo 255000, China Abstract The chemical properties of groundwater reflect the characteristics of geochemical field in which groundwater is located. The roof water-filled aquifers of No. 4 coal seam in Gajiabu Coal Mine include Jurassic sandstone aquifer, Cretaceous Luohe ation aquifer and so on. The ion proportion of the aquifer water is similar, but the mineralization varies greatly, and obviously increases with the increase of buried depth. The isotopic prop- erties of roof aquifer water in Gaojiabu Coal Mine show that the aquifer of Luohe ation is recharged by sur- face water and atmospheric precipitation. According to the above hydrochemical characteristics, the basic idea of water prevention and control work in Gajiabao was determined. According to the salinity analysis of the outlet point of the working face, the water source and proportion composition of the effluent can be calculated, and it is put forward that the water source and the proportion composition of the effluent can be calculated. Corresponding measures were proposed to prevent and control water. It is of great significance to study the chemical characteris- tics of water in coal seam roof for the prevention and control of water in Gajiabu coal mine. Keywords Roof water; hydrochemical characteristics; effluent water source; water hazard prevention and control 水化学分析是水文地质学主要的研究方向之 一，其中水化学特征主要包括Ca2、Mg2、K、 Na、HCO3 –、Cl–、SO 4 2– 7 大离子，还有酸碱度、硬 度、溶解度、矿化度和温度等[1-3]。分析水化学特征， 揭示水化学形成， 对保护地下水资源有重要意义[4-5]， 含水层的水化学性质受地层岩性、地质地貌、海水 入侵、地下水系统的补径排等多种因素的影响[6-8]， 能够反映出该水体的历史演变过程[9]，因此，水化 学特征往往被用于识别水源[10]。葛中华等[11]使用常 规方法对徐州某矿井地下水各含水层水化学特征进 行分析，为矿井突水水源的判别提供了理论证据。 孙福勋等[12]在 Fisher 判别分析基础上，引入质心距 评价分析，实现对水源的判别。陈陆望等[13]、殷晓 曦等[14]通过对地下水中 7 大离子和矿化度的分析， ChaoXing 增刊 1 任邓君等 高家堡煤矿煤层顶板水水化学特征及其水害防治技术 27 明确了皖北煤矿的突水水源；成春奇等[15]使用常规 水化学特征的方法， 对矿井突水水源进行判别， 取得 了较理想的效果；朱庆伟等[16]利用突水点的水化学 分析指标离子的检测值与以往收集的各个主要含水 层的水化学指标离子本底值， 建立各含水层的判别模 型，判定突水水源；李贵娟等[17]利用 piper 三线图对 崔木煤矿开采主要充水含水层侏罗系延安–直罗组含 水层及白垩系洛河组含水层水化学特征进行分析， 建 立各含水层的水化学模型， 将采空区水样及突水点水 样与之进行对比分析，判断出煤矿突水水源。 由此可见， 水化学特征对矿井突水水源的判别、 矿井防治水工作具有一定指导意义。笔者以鄂尔多 斯盆地彬长矿区高家堡煤矿为例，对主采 4 煤层顶 板延安组含水层、直罗组含水层以及宜君组含水层 开展大量水化学研究工作，为解决高家堡煤矿水害 问题提供技术支持。 1 矿井水文地质概况 高家堡煤矿位于陕西彬长矿区，区域构造上位 于鄂尔多斯盆地南部渭北挠折带北缘的庙彬凹陷 内北部，基底隆起与煤系、煤层的沉积分布及其厚 度变化关系密切。主采 4 煤层位于侏罗系中统延安 组，4 煤之上地层为侏罗系、白垩系、新近系、第 四系。主要含水层为第四系含水层、新近系含水层、 白垩系下统华池组K1h砂岩裂隙含水层段、白垩系 下统洛河组K1l砂岩孔隙裂隙承压含水层段、白 垩系下统宜君组J2y砾岩裂隙含水层段、侏罗系中 统直罗组J2z砂岩裂隙承压含水层、侏罗系中统延 安组J2y煤层及其顶板砂岩承压含水层图 1。 高家堡煤矿于 2015 年 12 月开始回采首采 101 工 作面，回采过程中工作面顶板出水，最大涌水量 646 m/h，工作面回采结束后涌水量稳定在 550 m3/h。本矿 井第 2 个工作面 201 工作面在回采过程中也出现了出 水现象，最大涌水量 427 m3/h。2016 年 11 月，本矿井 103 工作面开始回采，回采过程也有较大出水现象， 101103 工作面最大涌水量 717 m3/h。2017 年 2 月 13 日202工作面开始回采， 201202工作面涌水量达1 861 m3/h。 102 工作面已回采结束， 最大涌水量为 668 m3/h， 203 工作面已回采结束，最大涌水量为 625 m3/h，104 工作面目前正在回采，最大涌水量为 452 m3/h。 图 1 高家堡煤矿 4 煤层顶板地层柱状示意图 Fig.1 Schematic column of the roof strata of seam 4 in Gaojiabao coal mine ChaoXing 28 煤田地质与勘探 第 47 卷 从目前已采七个工作面情况分析，本矿井顶板水害 问题较为严重。 2 煤层顶板含水层水化学特征 2.1 常规水质特征 高家堡煤矿 4 煤层顶板各含水层水质全分析测 试成果见表 1， 根据表 1 绘制各水源 Piper 三线图及 Schoeller 图，如图 2 和图 3 所示。 白垩系洛河组及其不同层段、侏罗系含水层水在 水质 Piper 图上位置较近，表明主要阴阳离子含量比较 接近。在水质 Schoeller 图上，侏罗系与洛河组全段、 上段水质主要阴阳离子含量变化趋势有差异， 除HCO3– 离子含量明显低于上段之外，其余主要离子含量均高 于洛河组上段水质。而洛河组下段水质各离子深度介 于侏罗系和洛河组上段水质之间，整体上与侏罗系水 质较接近。华池组水质与洛河组水质较接近。 表 1 各水源水质全分析测试结果汇总表 Table1 Results of total analysis and test of water quality of different sources 单位mg/L 地层 Na K Mg2 Ca2 Cl- SO 2– 4 CO 2– 3 HCO – 3 总硬度矿化度 水质类型 K1h 256.92 3.49 13.78 17.16 109.53273.108.53261.6899.63 945 SO4HCO3Cl-Na K1l 全 372.54 4.39 21.17 36.07 140.67553.780.00280.36177.331 410.5 SO4HCO3-Na、SO4-Na K1l 中上 292.65 2.80 21.85 29.39 116.93395.557.23275.05163.471 142.33 SO 4HCO3Cl-Na、SO4HCO3- Na、SO4HCO3-Na K1l 下 2 093.85 13.12 88.21 265.83 707.124 234.802.31256.081 027.427 665.33 SO4-Na、SO4Cl-Na J2y J2z 4 781.36 26.80 150.56 468.35 1 694.84 9 168.150.00329.991 790.11 16 630.81 SO4-Na、SO4Cl-Na J2y 4 233.67 26.30 124.50 447.38 1 539.15 8 155.331.13310.531 630.41 14 850.67 SO4-Na、SO4Cl-Na 图 2 各水源 Piper 三线图 Fig.2 Piper diagram of different sources 图 3 各水源 Schoeller 图 Fig.3 Schoeller chart of different sources 各含水层虽然阴阳离子含量占比相近，但各含 水层的离子总量相差较大。华池组地下水矿化度为 8761 014 mg/L，平均为 945 mg/L；洛河组上段地 下水矿化度为1 0331 655 mg/L，平均为1 142.33 mg/L； 洛河组下段地下水矿化度为 3 82416 703 mg/L，平 均为 7 665.33 mg/L；侏罗系地下水矿化度为 5 708 17 659 mg/L，平均为 16 630.81 mg/L。 这说明，华池组为井田中深部循环的地下水， 该层段地下水由于与浅部地下水、地表水有一定的 水力联系，矿化度较低，HCO – 3离子含量占有一定的 比重，表明其径流条件相对较好。侏罗系含水层为 深部循环的地下水，由于与浅部地下水、地表水等 联系微弱，水质矿化度较高，表明该地下水基本处 于滞流状态。与洛河组上段相比，洛河组下段含水 层矿化度更高，更接近侏罗系含水层水，表明其径 流滞缓。 2.2 水质同位素特征 本矿井对侏罗系地下水、洛河组含水层水、潜 水、地表河流水、大气降水进行同位素测试，并绘 制各水样 δD–δ18O 关系图，如图 4 所示。 图 4 中显示大气降水水样点分布在了大气降水 线上方的位置，潜水、地表河流水以及白垩系洛河 组地下水则落在了大气降水线上，说明其接受大气 降水补给条件相对较好，或补给时间较短。侏罗系 地下水水样点分布在了大气降水线的邻近区域， 反 映出大气降水对该处地下水存在补给， 但相对于除 大气降水外的其他3 个水样点来说，其接受大气降水的 ChaoXing 增刊 1 任邓君等 高家堡煤矿煤层顶板水水化学特征及其水害防治技术 29 图 4 高家堡煤矿水样稳定同位素 δD–δ18O 关系 Fig.4 Relationship of the stable isotopes of the water samples of Gaojiabu coal mine 补给相对较差，或接受补给时间相对较长。造成这种偏 离的原因可能是受地下水与碳酸盐岩之间水岩的氧同 位素交换作用影响或受二次蒸发影响。 另外，根据地下水中氚含量的检测数据，计算 3 个地下水水样潜水、白垩系洛河组地下水、侏罗 系地下水的近似年龄均为现代水510 a。 3 水质特征在矿井水害防治中的应用 3.1 出水水源及比例判别 由于煤层顶板含水层的矿化度存在较大差异， 并且明显表现为埋藏越深，矿化度越高的特点，可 以利用这一特征判定出水水源，分析导水裂隙带发 育高度。 a. 水质混合原理 将若干份水化学性质不同的地下水进行物理混 合时，混合后的某离子浓度应满足式1。 1 1 1 n n n n nn n x x CC              1 式中 xn为各份水样占的比例；Cn为各份水样某离子 浓度，mg/L；C 为混合后水样某离子浓度，mg/L。 在工作面出水初期，包含侏罗系含水层水和洛河 组下段含水层水，故令 n2，方程的解见式2；在 出水后期，包含侏罗系含水层水、洛河组下段含水 层水和洛河组上段含水层水，故令 n3，方程的解 见式3。 2 1 21 1 2 21 CC x CC CC x CC             2 1 3113 2 32 2121 3 32 J Q x Q CCx CC x CC CCx CC x CC                3 式中 x1为侏罗系含水层水量比例； x2为洛河组下段 含水层水量比例； x3为洛河组上段含水层水量比例； C1为侏罗系含水层矿化度，mg/L；C2为洛河组下段 含水层矿化度，mg/L；C3为洛河组上段含水层矿化 度，mg/L；C 为混合水样矿化度，mg/L。 b. 应用实例 当工作面出水后，可以对出水点取样化验， 将化验结果输入式2和式3，可以计算得到出水 点水源及其比例。这里以高家堡煤矿 101 工作面 出水情况为例进行说明。 图 5 是高家堡煤矿 101 工作面各突水点水量及 占比情况。从图 5 可以看出，不同时段，随着工作 面推进距离不同，其出水来源不同。而出水来源不 同，又会导致出水量的差异，矿化度和涌水量的关 系见图 6。由图 6 可知，随着涌水量的增加，矿化 度呈整体降低趋势，这与突水过程中洛河组上段含 水层水量占比逐渐增加规律一致。 根据规律，当出水点矿化度逐渐降低时，说明 导水裂隙带开始沟通了上层含水层的水，水量将会 增大，据此可以采取相应的防范措施。 图 5 高家堡煤矿 101 工作面突水过程各含水层水量占比图 Fig.5 Proportion of the water volume of different aquifers during water inrush of 101working face in Gaojiabao coal mine ChaoXing 30 煤田地质与勘探 第 47 卷 图 6 矿化度变化与涌水量关系图 Fig.6 Relationship between the mineralization and the water inflow 3.2 根据水质分析确定的工作面防治水方法 从高家堡煤矿 4 煤层顶板含水层的水质矿化 度分析，顶板含水层中侏罗系水的矿化度要远高 于白垩系水的矿化度，表明侏罗系含水层水的补 给性较差，循环较慢，与之对应，该层水的富水 性也较差，在实际水害防治工作中，对该层中的 水可以直接疏放。 根据洛河组含水层中水的同位素特征，该组含 水层水与地表水和大气降水的同位素相近，而且根 据放射性同位素的结果分析，该组含水层水的年龄 只有 510 a，表明该组含水层得到了较好补给。因 此，疏放洛河组的水几乎是不可能的。在生产实际 中，减小导水裂隙带高度或进行注浆治理是防范顶 板水的重要方法。 高家堡煤矿洛河组含水层的上段和下段水的矿 化度也有较大差异，上段矿化度小而下段矿化度较 大。这表明洛河组并不是一个统一的水流系统，在 洛河组内部，地下水的循环也有较大差异。结合岩 性结构，可以将洛河组含水层划分为上段和下段， 不同含水层段，采用不同的防治方法，相对于洛河 组上段，下段可以作为一个相对隔水层。 在实际生产过程中，可以根据工作面出水点的 水化学特征，判别出水层位，动态预计工作面出水 量，从而及时调整采高，保证工作面、矿井安全。 4 结 论 a. 高家堡煤矿 4煤层顶板含水层水中常规离子 比例相近，表明其有相近的来源并具有相似的地球 化学环境；但各含水层水的矿化度有明显的差异， 并随着埋藏深度增大矿化度明显增大，表明随着埋 深增大，水动力条件越差。 b. 高家堡煤矿的同位素测试结果表明，洛河组 含水层存在地表水和大气降水补给，补给条件好， 地下水年龄为 510 a，对洛河组的水应采取减小导 水裂隙带高度或进行注浆治理。 c. 根据工作面出水点水的矿化度，采用水质混 合原理，可以计算出出水点水源及其比例构成，建 立矿井涌水量与矿化度的关系，为制定高家堡煤矿 防治水措施提供依据。 参考文献 [1] 汪世花. 鹤壁矿区各含水层化学特征与水源判别初探[J]. 中 州煤炭，1998230–31. 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