封闭不良天然气孔突水过程的水文地球化学特征_杨建.pdf

第 45 卷 第 5 期 煤田地质与勘探 Vol. 45 No.5 2017 年 10 月 COAL GEOLOGY 2. Shaanxi Key Laboratory of Prevention and Control Technology for Coal Mine Water Hazard, Xi’an 710077, China Abstract In order to make clear the water-filling source of Hulusu coal mine during water inrush of poorly sealed gas hole, some uation se.g., piper three wire drawing, hierarchical clustering law were used to analysis the hy- drogeochemical characteristics of water samples. The results showed that the concentration of TDS decreased gradually. During Initial stage of water inrush, water was of SO4ClNa type and located at the right end of piper three wire draw- ing and came from Zhiluo ation. During the middle stage of water inrush, the concentration of TDS decreased to about 500 mg/L. The sampling points were located at the lower right end of piper three wire drawing, water was of HCO3SO4ClNa type and came from Cretaceous System. During water inrush, water of SO4ClNa type with high TDS gushed out from seam bottom, the water sampling points, the sampling points were located at the upper right end of piper three wire drawing. During treatment of gas hole, γCa/γNa coefficient in the water was much higher than that of other water samples, and HCO – 3 was not detected, the water had hydrochemical characteristics of Zhiluo ation water in seam roof, showing that the hydraulic connection between seam 2-1 and Cretaceous aquifer and seams 2–6 aquifers was cut off. Taking 20 as distance threshold value, hierarchical clustering analysis could divide the water samples into Cretaceous water and Jurassic water, and the distance threshold 5 may divide further the water of Jurassic aquifer into water of second member and first member of Zhiluo ation, water of seams 2–6 aquifers, realizing accurate discrimination of the variation law of water-filling source during water inrush of gas hole. Keywords hydrogeochemical characteristics; poorly sealed gas hole; water inrush; Hulusu coal mine ChaoXing 第 5 期 杨建等 封闭不良天然气孔突水过程的水文地球化学特征 83 蒙陕接壤区位于鄂尔多斯盆地中北部，其含煤 地层为埋藏较深的侏罗系中下统[1-2]，煤层具有煤质 优良、储量巨大、构造简单等特点[3]。同时，鄂尔 多斯盆地是一个由不同含水岩类的多个含水层系统 上下叠置构成的巨型地下水盆地[4]，其中白垩系碎 屑岩类孔隙–裂隙含水层系统[5]和侏罗系碎屑岩类 裂隙含水层系统[6]是本地区延安组煤炭开发过程中 面临的主要充水水源，其中侏罗系地下水是侏罗系 煤层的直接充水水源，其赋存特征对煤矿的防治水 及保水采煤等至关重要。 地下水的补给、 径流和排泄 是地下水循环的 3 个基本环节[7]，地下水在径流过程 中，与介质相互作用，水质也会发生相应变化[8]，当 不同含水层水进入巷道，可以通过检测其水化学指 标来判别水源[9]。 煤矿井田范围内，一般存在着大量的封孔质量 不合格钻孔包括勘探孔、油气孔等，这些钻孔严 重制约着矿井的安全生产[10]，造成大量煤炭资源无 法回采。更严重的是，封闭不良钻孔是一种较为严 重的人工导水通道[11]，常引发突水溃沙事故[12]，但 由于其规模小、隐蔽性强[13]，没有引起足够重视。 当采掘工作面接近或揭露封闭不良钻孔时，有可能 给煤矿带来安全危害， 如果钻孔未沟通其他含水体， 仅钻孔中的积水，则贯通后水压很高但水量不大； 如果钻孔沟通白垩系等强含水层，则可造成钻孔涌 水量大、持续时间长的严重突水事故，对矿井安全 生产造成极大威胁[14]。因此，当井下巷道掘进过程 中揭露封闭不良钻孔后，最快速有效的办法是检测 分析出水水质，迅速判断充水水源[15]，为开展针对 性的封孔处理工程提供科学依据。 1 研究区概况 葫芦素井田位于鄂尔多斯市乌审旗图克镇和伊 金霍洛旗台格苏木，东西长约 13.4 km，南北宽约 7.4 km，面积 92.761 km2图 1。井田具典型的高原 堆积型丘陵地貌特征，地表全部被第四系风积沙所 覆盖，植被稀疏，为沙漠半沙漠地区。无常年地 表径流，雨水多通过风积沙渗入地下。井田的西北 角有一小型泄洪沟，流向东北，该泄洪沟较浅，平 时无水，只有在大雨或暴雨时才有水流过；井田北 部边界以北约 2.0 km 有一地表水体查干淖尔湖。 葫芦素煤矿首采煤层为 2-1煤图 2， 煤层自身富 水性较强，个别探查孔最大涌水量达 100 m3/h，涌水 量衰减迅速， 表明煤层富水以静存量为主， 易于疏放。 2-1煤直接顶板充水含水层为直罗组 1 段，井下施工 的探放水钻孔单孔水量大部分在 20 m3/h 以下，多处 出现干孔，终孔水压均在 1 MPa 以内。距离 2-1煤顶 板约 80 m，发育了直罗组 2 段含水层，钻孔涌水量 为 611.5 m3/h，水压 2.14.8 MPa。直罗组上覆安定 组属于较稳定的隔水层， 可以有效阻止白垩系巨厚含 水层厚度 332.1355.05 m水的下渗。另外，2 煤组 到 6 煤组之间， 发育有不连续分布的含水层， 表现为 “高溶解性固体总量TDS、低水压”特征。 图 1 葫芦素煤矿位置示意图 Fig.1 Location of Hulusu coal mine 图 2 矿井综合水文地质剖面图 Fig.2 Integrated hydrogeological section of the mine 2 气孔突水过程 葫芦素煤矿21102工作面主回风顺槽施工至3 441 m 位置时，连采机切割过程中在距巷道右帮0.7 m 位置中 下部出现突水，初始突水量约 120 m3/h，后增大至 180 m3/h，稳定在 150 m3/h 左右。经水文地质条件 分析及井上下排查后，判断突水通道为地面“大 53” ChaoXing 84 煤田地质与勘探 第 45 卷 天然气孔套管外环状空间未封闭，可能沟通了顶板 直罗组砂岩含水层和白垩系砂岩含水层。水量没有 衰减迹象，但有增大风险，短期内不能封堵将成为 重大安全隐患，影响矿井正常生产。由于气孔套管 内有高压水、泥浆或残余气体，一旦套管破裂，可 能出现突水、突泥及残余气体涌出；同时，气井已 射孔压裂，底部封闭有高压天然气，对矿井安全构 成威胁。 3 样品采集与检测 3.1 样品采集 为了弄清“大 53”天然气孔管外环状空间与上下 含水层沟通情况，突水过程中连续采集水样2015 年 4 月 26 日5 月 3 日， 5 月 14 日采集了水样 D53- 10；另外，气孔开始治理后，于 6 月 9 日采集了水 样 D53-11。所有水样采集后共 11 个，立即将取样 瓶盖紧、密封，贴好标签。 3.2 检测方法 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、TDS。样品经预处理后， 根据 MT/T 8942000煤矿水水质分析的一般规定 中规定的检测方法， 利用 WYX-9003A 原子吸收分光光 度计、722N 分光光度计等设备进行检测。 4 结果和讨论 4.1 常规特征 通过对气孔突水过程中水化学指标的检测分 析，可以发现如下特征 a. “大 53”天然气孔突水过程中， 水中 TDS 变化 较大表 1，出水初期4 月 26 日4 月 30 日TDS 为 1 128.982 661.10 mg/L，属于 SO4ClNa 型水， pH 值 89； 中期从 5 月 1 日开始， TDS 下降至 500 多 mg/L，属于 HCO3SO4ClNa 型水，可能是沟通 了白垩系含水层；但这个过程中，出现高 TDS 6 335.88 mg/L的 SO4ClNaCa 型水，且 pH 值也 升至 9.97，结合该气孔结构，可以推断有来自下部 含水层水的混入。气孔封堵处理过程中，水化学特 征又表现为煤层顶板直罗组水化学特征， 即 TDS 为 1 390.37 mg/L，SO4ClNaCa 型水。 b. 利用 Piper 三线图可以发现与 TDS 变化类似 的规律图 3 尽管所有的水样均位于菱形的右半部 分，但各个阶段并没有聚集在一起，其中 D53-2、 D53-3、 D53-4、 D53-5、 D53-6 水样位于菱形右端部， 具有较接近的水化学特征；D53-1 水样也位于菱形 右端部， 但阴离子与这些水样存在一定差异； D53-7、 D53-8、D53-10 水样位于菱形右端偏下；D53-9 和 D53-11 水样位于菱形右端偏上。上述现象表明，这 些水样的来源和水化学类型存在一定差异。 表 1 天然气孔突水过程水化学特征表 Table 1 Groundwater hydrochemical test data during water inrush of poorly sealed gas hole 编号取样日期pH 值 TDS/ mgL-1 水质类型 D53-12015-04-268.072 661.10 SO4Na D53-22015-04-278.561 141.28 SO4ClNa D53-32015-04-278.401 303.63 SO4ClNa D53-42015-04-288.381 128.98 SO4ClNa D53-52015-04-298.131 361.06 SO4ClNa D53-62015-04-308.181 478.65 SO4ClNa D53-72015-05-018.35533.84 HCO3SO4ClNa D53-82015-05-038.38520.32 HCO3SO4ClNa D53-92015-05-039.976 335.88 SO4ClNa D53-102015-05-148.46552.25 HCO3SO4ClNa D53-112015-06-0912.201 390.37 SO4ClNaCa 图 3 天然气孔突水水化学变化 Piper 图 Fig.3 Piper three wire drawing of hydrochemical variation of water inrush of natural gas hole Schoeller 图也显示图 4， 水样曲线的形状趋势 比较一致， 但在垂向上有较大滑动, 总体上可分为 3 类来源， 即 ①D53-1、 D53-2、 D53-3、 D53-4、 D53-5、 D53-6； ②D53-7、 D53-8、 D53-10； ③D53-9 和 D53-11。 表明各水样既有相同的水源和水化学形成过程，又 存在一定的水源差异。 4.2 分层聚类分析 聚类分析是研究样品分类的一种多元统计方 法，包括快速聚类和分层聚类[16]。当用户事先无法 确定类别数时，采用分层聚类，系统将所有的样本、 变量信息调入内存，进行不同的聚类算法。本研究 是对所采集样品进行分类，因此采用样本分层聚类 分析。本次研究中选取所采集检测的 11 个水样，变 量 7 个，分别为 Cl–、SO 2– 4、HCO – 3、Na、Ca2、pH、 TDS， 采用离差平方和法，由 SPSS 软件完成分层聚 ChaoXing 第 5 期 杨建等 封闭不良天然气孔突水过程的水文地球化学特征 85 图 4 天然气孔突水水化学变化 Schoeller 图 Fig.4 Schoeller line chart of hydrochemical variation of water inrush of natural gas hole 类分析[17]图 5。 取距离阈值 20， 所有样品可划分为 2 大类Ⅰ类属于白垩系含水层，包括 D53-7、D53- 8、 D53-10 水样，TDS 为 520.32552.25 mg/L，属于低矿 化水； 阳离子以 Na ＋为主， 质量浓度为 166.25 180.29 mg/L；阴离子以 HCO – 3和 SO 2– 4为主，质量浓度分别为 165.28178.35 mg/L 和 100.3106.75 mg/L。白垩系水 的补给源以垂直渗入补给为主，砂岩含水层内各种长 石砂岩的风化水解和离子交换作用，使流经砂岩含水 层的地下水中溶入更多的 Na 离子。Ⅱ类属于侏罗系 含水层，包括 D53-1、D53-2、D53-3、D53-4、D53-5、 D53-6、D53-9 和 D53-11，取距离阈值 5，可以将侏罗 系含水层水进一步细分，即 D53-2、D53-3、D53-4、 D53-5、D53-6 属于直罗组 2 段，D53-1 属于直罗组 1 段，D53-9 属于 2 煤6 煤含水层，随着含水层埋深 增加，水中 TDS 也逐渐增加，表现出较明显的水化学 分层特征。另外，D53-11 水样显示直罗组 2 段水化学 特征，表明注浆封堵工程已经切断了与白垩系含水层 及 2 煤6 煤含水层的水力联系；水中 pH 为 12.2、 OH–质量浓度 336.99 mg/L、HCO – 3为 0，导致分层聚 类分析图中不能与其他直罗组 2 段水样归为一类。 图 5 样品分层聚类分析图 Fig.5 Hierarchical clustering analysis diagram of water samples 4.3 离子比例系数分析 不同来源地下水某些比例系数的明显差异[18]， 可以判断地下水的成因和地下水化学成分的来源及 其形成过程。气孔突水过程中，所采集样品的水质 特征离子比例系数见表 2 ①所有水样的 γNa/γCl 系数均大于 1γ 为质量浓度，mg/L。标准海水的 γNa/γCl系数平均值为 0.85，说明地下水中 Na 不是单一的岩盐来源；②D53-9 水样中 γNa/γCl 系数最小，由于 TDS 最高6 335.88 mg/L，反映了 D53-9 水样来自深部滞留型含水层，岩盐溶解较多； ③各水样的 γMg/γCa系数均远小于海水值 5.5， 排除了地下水与海相沉积水混合的可能性；④ D53-11 水样中 γCa/γNa和 γCa/γSO4系数均远 大于其它水样，HCO – 3未检出，反映了气孔封堵过程 中，导致 D53-11 水样中溶解了较多的含钙矿物。 表 2 天然气气孔突水水化学离子比例系数 Table 2 Ion ratio coefficient of water inrush 编号 γCa/γNa γMg/γCa γNa/γClγCa/γSO4γCa/γHCO3γSO4/γClγHCO3/γCl γSO4/γHCO3 D53-1 0.03 0.12 7.40 0.08 0.35 3.00 0.69 4.38 D53-2 0.05 0.03 3.44 0.17 0.23 0.97 0.70 1.38 D53-3 0.06 0.05 3.37 0.19 0.34 0.99 0.57 1.74 D53-4 0.05 0.04 3.57 0.19 0.26 0.99 0.70 1.42 D53-5 0.06 0.05 3.06 0.21 0.38 0.92 0.50 1.83 D53-6 0.06 0.06 3.03 0.21 0.44 0.94 0.44 2.12 D53-7 0.01 0.02 4.49 0.07 0.03 0.68 1.78 0.38 D53-8 0.01 0.02 4.42 0.07 0.03 0.64 1.74 0.37 D53-9 0.08 0.04 2.90 0.23 1.05 0.00 D53-10 0.01 0.05 4.29 0.06 0.03 0.66 1.48 0.45 D53-11 0.47 0.00 3.49 1.97 0.84 0.00 ChaoXing 86 煤田地质与勘探 第 45 卷 4.4 综合判定 为了更加准确的确定本次事故及处理过程中的 充水水源，根据葫芦素煤矿建井过程中建立的各含 水层水化学特征， 结合 Piper 三线图、 分层聚类分析、 离子比例系数等得到的结果，对各水样的水化学特 征进行综合判定，结果发现表 3突水初期D53-1 D53-6气孔出水主要来自直罗组 1 段和直罗组 2 段含水层；中期D53-7、D53-8 和 D53-10出水主要 来自白垩系含水层；期间还存在深部含水层高 TDS 水的涌出D53-9；治理过程中，由于切断了与白垩 系含水层及 2 煤6 煤含水层的水力联系，出水主 要表现为直罗组 2 段水化学特征D53-11。 表 3 天然气气孔突水水化学特征评价表 Table 3 Hydrochemical characteristics uation of water inrush 单位mg/L 编号 Cl– SO 2– 4 HCO – 3 Na Ca2 评价结果 白垩系 21.358.5 19.876.2 138.9241.0 84.4175.12 0.5622.0 直罗组2段 52.072.5 428.7697.7 99.8202.7 301.3452.5 0.418.1 直罗组1段 80.1171.5 821.61 851.0 77.6229.2 514.1902.7 15.467.3 2煤6煤 703.71 407.4 3 001.93 506.2 0.0183.1 1 699.52 321.2 120.2335.7 D53-1 170.63 1404.59 203.73 829.63 46.12 直罗组1段 D53-2 152.76 405.99 187.41 344.91 28.52 直罗组2段 D53-3 180.00 488.29 177.88 398.94 39.36 直罗组2段 D53-4 148.52 403.37 180.90 348.09 31.24 直罗组2段 D53-5 201.98 510.28 177.37 405.94 44.01 直罗组2段 D53-6 221.71 572.83 171.83 441.16 49.28 直罗组2段 D53-7 57.40 106.75 178.35 169.34 3.22 白垩系 D53-8 57.26 100.30 173.85 166.25 2.91 白垩系 D53-9 1 032.30 2 968.83 0 1 965.07 287.51 2煤6煤 D53-10 63.97 116.23 165.28 180.29 3.04 白垩系 D53-11 173.66 399.53 0 398.74 327.23 直罗组2段 5 结 论 a. “大53”天然气孔突水过程中，水中 TDS 呈逐渐 降低趋势，水化学类型由 SO4ClNa 型逐渐转变成 HCO3SO4ClNa 型水，主要是由于沟通了白垩系含水 层；这个过程中由于煤层底部的深层滞流型水涌出，出 现了高TDS6 335.88 mg/L的SO4ClNaCa 型水；气 孔处理过程中，又表现出直罗组含水层水的水化学特 征， 即TDS 为1 390.37 mg/L， 属于SO4ClNaCa 型水。 b. 不同出水阶段的水样点位于 Piper 三线图不 同位置， 表明这些水样的水化学类型存在一定差异， 其水源也属于不同含水层；Schoeller 图显示水样曲 线在垂向上有较大滑动，进一步证明整个气孔出水 过程中，存在水源上的持续变化。 c. 分层聚类分析中，取距离阈值 20，首先将水 样分为白垩系水和侏罗系水；取距离阈值 5，又可以 将侏罗系水样分为直罗组 2 段、 直罗组 1 段和 2 煤 6 煤含水层水，并发现 6 月 9 日已经切断了 2-1煤层 与白垩系含水层和 2 煤6 煤含水层的水力联系。 d. D53-11 水样中 γCa/γNa和 γCa/γSO4系 数均远大于其他水样，且 HCO – 3未检出，反映了气 孔封堵过程中，D53-11 水样中溶解了较多的含钙矿 物，并很好的封堵了沟通白垩系含水层和 2 煤6 煤含水层的导水通道。 参考文献 [1] 王双明. 鄂尔多斯盆地构造演化和构造控煤作用[J]. 地质通 报，2011，304544–552. WANG Shuangming. Ordos basin tectonic evolution and struc- tural control of coal[J]. Geological Bulletin of China，2011， 304544–552. [2] 黄文辉，敖卫华，翁成敏，等. 鄂尔多斯盆地侏罗纪煤的煤岩 特征及成因分析[J]. 现代地质，2010，2461186–1197. HUANG Wenhui，AO Weihua，WENG Chengmin，et al. Characteristics of coal petrology and genesis of Jurassic coal in Ordos basin[J]. Geoscience，2010，2461186–1197. [3] 李振宏，董树文，冯胜斌，等. 鄂尔多斯盆地中晚侏罗世构 造事件的沉积响应[J]. 地球学报，2016，36122–30. LI Zhenhong，DONG Shuwen，FENG Shengbin，et al. Sedi- mentary response to middle–late Jurassic tectonic events in the Ordos basin[J]. Acta Geoscientica Sinica，2016，36122–30. [4] 侯光才. 鄂尔多斯白垩系盆地地下水系统及其水循环模式研 究[D]. 长春吉林大学，2008. 下转第 93 页 ChaoXing 第 5 期 张好等 主成分分析与 Bayes 判别法在突水水源判别中的应用 93 元统计组合模型以顾桥矿为例[J]. 煤炭学报，2010，35增 刊 1141–144. CAO Xuechun， QIAN Jiazhong， SUN Xingping. 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