煤矿水文地质勘探中水文地球化学判别标准的构建_杨建.pdf

第 46 卷 第 1 期 煤田地质与勘探 Vol. 46 No.1 2018 年 2 月 COAL GEOLOGY 2. Shaanxi Key Laboratory of Prevention and Control Technology for Coal Mine Water Hazard, Xi’an 710077, China Abstract Aiming at the problem of hydrogeochemical anomalies existing in hydrogeological exploration in coal mines, Jurassic aquifer in Inner Mongalia-Shaanxi mining area was taken as research objective, analysis and con- struction of criteria of causes of hydrochemical anomalies were carried out. The results showedit was insufficient that during exploration “clean water and sand ” was taken as the basis for discriminating completion of well wash- ing, the residue of cement slurry was the major factor for hydrochemical anomalies such as increase of pH and de- crease of mineralization. Therefore, the results of complementary hydrological exploration and water detection and drainage in working faces in deeply buried coalfield in Inner Mongolia-Shaanxi mining area were combined, the criteria of “five factors” constituted of pH, mineralization TDS, HCO3-, SO42- were set up, 36 sets of water sam- ples collected during hydrological exploration in Balasu Mine were discriminated, 8 sets of hydrochemically ab- normal water samples were rapidly judged out. After rejection of hydrochemically abnormal water sample points, the hydrochemical characteristics of different aquifers in Balasu Mine might be set up clearly. Quaternary hydro- chemical characteristics were close to surface water, presented as water type of low mineralization, weak alkaline and heavy calcium carbonate. The aquifer of Jurassic Luohe ation was closely connected hydraulically with ChaoXing 第 1 期 杨建等 煤矿水文地质勘探中水文地球化学判别标准的构建 93 Quaternary but deeper to some extent, resulting in dissolution of certain amount of Na, the chemical characteris- tics evolved into heavy calcium carbonate type. Anding ation is a relatively stable regional aquifuge, inducing that lateral recharge is dominant in Zhiluo ation and Yan’an ation, the time of cyclic alternation of groundwater is long, ing groundwater of high mineralization2 500 mg/L and sodium sulfate type character- ized by deep retention. sodium sulfate type groundwater. Keywords hydrogeochemistry; hydrogeological exploration; five factor discrimination; deep buried coalfield; Balasu coal mine 我国煤矿水文地质条件十分复杂[1]，受水害威 胁的煤炭储量约占探明储量的 27[2]，煤矿水害事 故造成的经济损失是煤矿各种灾害中最大的。在长 期的煤矿水害防治工作中，逐渐形成了一系列行之 有效的防治理论和方法，其中水文地质勘探是查明 矿区水文地质条件的关键环节。水文地质勘探贯穿 于煤矿开采的整个过程，在充分掌握矿区水文地质 条件的基础上， 才能够制定合理有效的防治水方案， 为煤矿安全开采提供科学依据。具体的水文地质勘 探工作中，需要通过钻探、物探、化探等手段，获 得水文地质参数、富水异常区、水文地球化学特征 等信息，对矿井涌水量进行合理预计[3-4]，预测煤矿 生产中可能出现的问题[5]，为矿井的给排水设计提 供依据，其中水文地球化学特征研究能够查清地下 水补径排关系[6-7]、区分含水层水化学特征[8-9]、判 断突水水源[10-11]。但是，在水文地质勘探过程中， 由于冲洗液残留、洗井不彻底等原因，抽水试验过 程中会出现水文地质参数和水化学特征不准确等问 题。结合区域水文地质条件和水文地球化学特征， 建立目标含水层的水化学判别标准，可以排除勘探 过程中水化学特征异常的水样，为建立矿区各含水 层水化学特征提供科学依据。 1 研究区概况 巴拉素井田位于毛乌素沙漠东南缘的榆横矿区 图 1，周围的中深埋矿区还包括新街、呼吉尔特、 纳林河等，地表绝大部分被第四系松散沉积物所覆 盖，基岩仅在东南部和中部零星出露，井田西南角 有常年性河流海流兔河。研究区属于华北板块鄂尔 多斯地台向斜伊陕单斜区东胜靖边单斜，基本构 造形态为一向西缓倾斜的单斜构造，区内中生代地 层发育较齐全，厚度大，岩性岩相复杂。 研究区内自上而下主要地层包括图 2 第四系 松散层、白垩系志丹群、侏罗系安定组、直罗组和 延安组，其中安定组为区域性隔水性能较好的隔水 层；安定组上覆第四系松散层和白垩系志丹群，其 中第四系松散层砂层质地均一，结构松散，孔隙发 育，富水性中等强，白垩系志丹群洛河组岩性 以浅紫、紫红色中砂岩为主，孔隙裂隙较发育，地 下水连通性及径流条件较好，与第四系松散层无稳 图 1 研究区地理位置图 Fig.1 Location of the study area 图 2 研究区地层剖面示意图 Fig.2 The diagrammatic stratigraphic section of the study area 定隔水层，易于接受其下渗补给，富水性较好，共 同构成了鄂尔多斯盆地重要的供水水源；安定组下 伏直罗组和延安组，其中直罗组一段属于辫状河沉 ChaoXing 94 煤田地质与勘探 第 46 卷 积，与延安组顶部呈不整合接触，构成了富水性较 好的含水层段，且距离主采煤层较近，是延安组煤 层开采过程中最主要的防治水目的层，延安组 2 煤 3 煤之间也存在一含水层，富水性较弱，主要对 3 煤层巷道掘进有一定影响。 2 样品采集和分析 本研究利用巴拉素煤矿水文地质补充勘探，开 展样品采集和分析工作。根据矿区地表水体和含水 层分布特征，分别采集了地表河流、湖泊、第四系、 白垩系洛河组、直罗组和延安组煤系地层的水样 共 36 组。水样采集后，立即将水样容器瓶盖紧、密 封，贴好标签包括取样点位、采样日期和时间、监 测项目、采样人等。 水样的检测指标包括pH、 阳离子K、 Na、 Ca2、 Mg2、Fe3、Fe2、NH4、阴离子NO – 2、NO – 3、CO 2– 3、 HCO – 3、SO 2– 4、Cl-、总硬度、矿化度、电导率、游 离 CO2、F-等。样品经预处理后，根据水质检测标 准中规定的检测方法，用梅特勒–托利多 Seven Excellence 台式电导率仪上海联祥环保科技有限 公司检测 pH 和电导率，用 Dionex-600 型离子色谱 仪美国戴安公司检测常规阴阳离子，用 Evolution 60 紫外可见光度计德国 Thermo Fisher Scientific 公 司检测 NH4 、NO– 2、Fe3、Fe2。 3 水化学标准的建立 3.1 判别指标的确定 水文地质补充勘探的洗井过程中， 以水清沙净为 标准， 导致所采集的钻孔水样， 其检测结果出现了非 常明显的异常表 1侏罗系含水层包括直罗组和延 安组21 个水样中，7 个水样的 pH9.0，其中 DCC-6 钻孔2 号煤水样中甚至高达 13.44； 直罗组含水层水 样中矿化度为 3 581.75 683.1 mg/L，而延安组含水 层有 3 个水样的矿化度在 500 mg/L 左右，不符合地 下水向深部运移过程中的水文地球化学演化规律； 常 规离子浓度也出现了异常，特别是 HCO – 3，有些水样 中 HCO – 3浓度为 0.0 mg/L；深部地层的个别水样中 NO – 3浓度达到 8.2 mg/L，表明该水样受到了污染。上 述水化学异常现象说明水文地质补充勘探过程中以 “水清沙净”为标准作为水样采集依据存在不足。 表 1 水文补勘水样检测结果 Table 1 Test results of water samples from supplementary hydrological survey 检测指标/mgL-1 层位 数值范围 K Na Ca2 Mg2Cl- SO 2– 4 HCO – 3 NH4NO – 2 NO – 3 pH 矿化度 最小 0.6 8.8 43.0 8.01.8 18.5 162.40.30.0 0.1 8.0 245.2 地表水 最大 3.0 38.6 65.3 19.526.3 44.0 266.00.40.1 5.8 8.4 459.5 最小 0.5 9.8 47.7 7.43.5 7.0 188.30.20.0 0.1 7.6 293.6 第四系 最大 1.9 14.7 76.8 15.517.6 50.6 265.00.40.2 15.1 8.1 410.6 最小 0.9 27.3 29.1 7.93.0 9.5 207.70.00.0 0.0 8.1 292.2 洛河组 最大 1.3 53.0 41.1 12.68.9 42.8 288.20.10.1 4.8 8.2 412.3 最小 1.1 694.0 359.2 19.317.6 2 390.054.1 0.00.0 0.0 7.8 3 581.7 直罗组 最大 10.6 1 281.1 478.5 44.337.4 3 714.6137.81.40.0 1.9 9.1 5 683.1 最小 2.6 57.1 35.6 0.012.3 17.7 0.0 0.00.0 0.0 7.7 407.2 延安组 最大 63.2 1 984.0 431.0 77.2307.14 100.0231.84.20.3 8.2 13.4 6 753.8 钻孔施工过程中，用于固井的水泥浆主要由水 泥、外加剂和外掺料组成，部分会漏入高渗透性地 层，使后期抽水试验得到的水文地质参数偏小；另 外，水泥遇水过程中，产生大量的 OH-离子，导致 水泥浆的 pH 一般可达 1114 CaOH2OCa22OH- 水泥浆液中 CaOH2会与水中 HCO – 3、SO 2– 4等 反应，生成 CaCO3、CaSO4沉淀，导致水中矿化度 明显降低 Ca2HCO – 3HCaCO3↓ Ca2 SO 2– 4CaSO4↓ 上述现象在蒙陕矿区侏罗系地层的高矿化度地 下水中更加明显，而第四系和白垩系含水层由于矿 化度一般只有 200500 mg/L，受到水泥浆的影响相 对较小。基于上述导致勘探过程中水化学异常的原 因，结合近些年我们在鄂尔多斯盆地蒙陕矿区开展 的大量水文补堪、工作面探放水等工作，根据水质 指标的重要程度或受影响程度，建立蒙陕矿区深 埋型煤田地质勘探过程中侏罗系含水层水化学判别 标准的“五要素”方法表 2，其中 pH 由水泥遇水过 程中产生 OH-离子导致， 在水质指标中变化最明显， 判别作用最大；矿化度TDS由 HCO – 3、SO 2– 4等离子 与 CaOH2反应产生沉淀导致， 受到多种离子影响， 也比较明显，判别作用其次；HCO – 3和 SO 2– 4为单一 反应指标，有可能水泥浆遇水作用过程中变化不明 ChaoXing 第 1 期 杨建等 煤矿水文地质勘探中水文地球化学判别标准的构建 95 显，在判别中的作用相对靠后；Ca2会受到勘探过 程中多种因素的干扰，NO – 3也只有在受到人类活动 较明显影响下才能反映， 这些指标往往变化不明显， 在判别过程中只能起辅助作用。因此，按照 pH→矿 化度TDS→HCO – 3→SO 2– 4→Ca2、NO – 3等的判别顺 序，建立了“五要素”水化学判别方法。如果水质指 标浓度属于异常范围内，直接判定为异常水样。 3.2 判别结果分析 根据表 2 的判别方法，选择侏罗系直罗组 2 个 水样和延安组 3 个水样进行判别表 3， 结果可以很 明显的判断出各水样是否存在问题表 4， 以 ZLG-4 钻孔的直罗组水样为例， pH3 000 mg/L、 CHCO3100 mg/L、CSO42 000 mg/L，均在正常 值范围内， 可以判定 ZLG-4 钻孔直罗组水样“正常”， 该水样特征也符合鄂尔多斯盆地蒙陕接壤区深部直 罗组含水层的水化学特征； 而 DCC-6 钻孔的延安组 水 样 ， 则 出 现 了 pH9.0、 TDS8.59.0 9.0 2 矿化度TDS3 000 2 0003 000 100 50100 2 000 1 0002 000 1 000 5 Ca2、NO3-等结合研究区水文地球化学特征判别 表 3 案例水样检测结果 Table 3 Test values of typical water samples 检测指标/mgL-1 层位 孔号 K Na Ca2 Mg2 Cl- SO 2– 4 HCO – 3 NH4 NO – 2 NO – 3 pH 矿化度 直罗组 ZLG-4钻孔 7.3 1 281.1 462.5 43.036.93 714.6137.80.00.0 0.0 8.0 5 683.1 直罗组 DCC-4钻孔 10.6 694.0 375.6 19.317.62 390.054.1 1.40.12 0.4 9.1 3 581.7 延安组 DCC-3钻孔 12.4 1 392.0 395.8 66.3105.33 988.0125.50.70.12 0.7 8.1 6 087.4 延安组 DCC-2钻孔 2.6 57.1 70.1 16.312.3154.4231.80.00.2 1.1 7.7 545.9 延安组 DCC-6钻孔 47.8 87.4 431.0 25.492.117.7 0.0 1.42 500 mg/L、 硫酸钠型水。 5 结 论 a. 煤矿水文地质勘探过程中以“水清沙净”为 判别洗井完成的依据不充分，往往会导致后期试验 和测试过程中得到的水文地质参数不准确和水文地 球化学特征异常。 b. 钻孔施工和洗井过程中残留的水泥浆，是造 成 pH 升高、矿化度降低等水化学异常的主要因素， 结合蒙陕矿区深埋型煤田水文补堪和工作面探放水 等工作成果，建立了由 pH、矿化度TDS、HCO3-、 ChaoXing 96 煤田地质与勘探 第 46 卷 图 3 删除异常点前后水化学特征 Durov 图 Fig.3 Durov diagrams of hydrochemical characteristics before and after deletion of abnormal points SO 2– 4等水质指标组成的“五要素”判别标准。 c. 利用“五要素”判别标准对巴拉素井田水文 补堪过程中采集的 36 组水样进行判别， 可以迅速判 断出存在水化学异常的 8 组水样。 d. 剔除存在异常的水样点后，可以很清晰地建 立巴拉素井田各含水层的水化学特征，为煤矿安全 生产中防治水关键层的确定提供科学依据。 参考文献 [1] 武强，李博，刘守强，等. 基于分区变权模型的煤层底板突水 脆弱性评价以开滦蔚州典型矿区为例[J]. 煤炭学报， 2013，3891516–1521. 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