水质动态曲线预测在突水水源判别中的应用_牟林.pdf

第 44 卷 第 3 期 煤田地质与勘探 Vol. 44 No.3 2016 年 6 月 COAL GEOLOGY EXPLORATION Jun. 2016 收稿日期 2015-04-16 基金项目 国家自然科学基金重点项目（51034003）；国家科技支撑计划课题（2012BAC10B03） Foundation itemKey Program National Natural Science Foundation of China（51034003）；The National Science and Technology Pillar Program in the Twelfth Five-year Plan Period（2012BAC10B03） 作者简介 牟林（1985），男 ，湖北松滋人，硕士，工程师，从事煤矿水害防治技术研究. E-mailmoulin 引用格式 牟林. 水质动态曲线预测在突水水源判别中的应用［J］. 煤田地质与勘探，2016，44（3）70-74. MOU Lin. Application of dynamic curve prediction in discriminating water-bursting source［J］. Coal Geology Exploration， 2016， 44（3） 70-74. 文章编号 1001-1986（2016）03-0070-05 水质动态曲线预测在突水水源判别中的应用 牟 林 （中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077） 摘要 为解决矿井水文地质条件复杂矿区的工作面突水后水源难以借助单一方法快速判别的问题， 在现有水源判别方法的基础上，以霍州煤电干河矿 2-112 工作面为例，利用已有勘探数据，提出了 以“独立识别区”和“关键离子”为主的用于突水过程分析的水质动态曲线预测法。“关键离子”用于初 步判别水源类型，当水质动态曲线进入“独立识别区”时，可进入二级判别确定突水水源。运用此方 法实现了对干河矿 2-112 工作面突水水源的准确判别，形成了肯定判别仅有太灰水或太灰水、奥灰 水同时参与突水过程的判别方法。 关 键 词离散型水质；突水水源；关键离子；独立识别区；动态曲线预测法； 中图分类号TD741 文献标识码A DOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2016.03.013 Application of dynamic curve prediction in discriminating water-bursting source MOU Lin （Xian Research Institute， China Coal Technology and Engineering Group Corp， Xian 710077， China） Abstract The relationship between aquifers is close in coal mine with complex hydrogeology conditions. Its hard to rapidly discriminate water source of mine inflow by single . This paper set the working face 2-112 of Ganhe coal mine in Huozhou Coal Electricity Group as an example， a new forcasting of trend curves is proposed on the basis of analysis of existing s. The based on the hydrogeological exploration data constructs intuitive chart- type database， and fully considers hydrological regime change before and after water blow-up. By creating “key irons” and “independent identification zone”， the water source was accurately predicted. This has a notable ination rectification ability with low technical requirements and high reliability， may be useful in water abundant mining area. Key words discrete water quality； source of water inrush； key irons； independent identification zone； prediction of dynamic curve 我国是煤炭生产大国， 煤矿水害事故时有发生， 严重威胁我国经济建设和人民生命财产安全。矿井 发生突水事故或出现明显涌水点后，快速判别水源 是防治水工作的重要任务之一［1-5］。科技工作者在实 践工作中积累了丰富经验，形成了以地下水动态分 析、水质类型全分析、同位素分析、放射性元素分 析为代表的传统方法体系和以多元统计学分析、非 线性分析为代表的数理分析方法体系［6-11］。 总体上，传统方法可以实时了解地下水环境的 动态变化情况， 适用于含水层间水质特征区别明显， 水力联系微弱条件下的涌水水源判别。然而由于聚 煤环境、构造、采掘活动等因素影响，我国华北地 区太原组灰岩水与奥陶系灰岩水可以发生十分密切 的水力联系，导致二者水质区别不明显，造成矿井 可能存在多个突水水源，难以直观判别。新兴的数 学理论分析方法借助先进的计算机系统和数学理论 建立水源判别平台，其原理都是将突水点水质与标 准集对比，最相似的即为突水水源，但不同方法也 存在各种不足之处，如模型建立复杂，需要的数据 量庞大，设置判别模型时，各种指标的量化和权重 ChaoXing 第 3 期 牟林 水质动态曲线预测在突水水源判别中的应用 71 具有人为性，建立标准集时对原始数据的处理可能 造成失真等。 鉴于此，笔者在研究现有方法不足的基础上， 充分考虑地下水背景值的多样性及突水点水质变化 的过程性，提出了适用于突水过程的水质动态曲线 预测法，该方法以水质动态变化数据为研究对象， 以各种现有水质数据为“背景值”，以水质变化趋势 为水源判别标准，是传统方法与新兴理论的相互结 合，可以为矿井防治水工作提供决策依据。 1 水质动态曲线预测法及相关特点 1.1 基本原理 通过整理已有水文地质数据，以图表为表现形 式绘制水质背景值“数据库”，然后将涌水点水质样 本的各单项指标按照时间顺序绘制到背景值图片 上，形成各指标随时间变化的水质动态曲线，通过 研究水质动态变化曲线随采掘进度、地质条件、充 水水源等相关因素的变化情况，当水质特征和趋势 满足判别条件时，即可实现突水水源动态预警，该 方法可视为“水质动态曲线预测法”。 1.2 判别方法 建立判别条件需要引入两个基本概念， 即“关键 离子”和“独立识别区”。 所谓“关键离子”，即通过构建“图表型”数据库， 分析是否存在某种离子，不同水源的该离子含量以 某一界限明显区分，当样本中该离子含量大于或小 于临界含量时， 可用于单个水样初步判别突水水源。 所谓“独立识别区”，即“图表型”数据库中，不 同水源样本之间除了存在重叠区域以外，还存在显 著的非重叠区域，突水点样本水质动态曲线进入非 重叠区域后，可以肯定判别水源组成状态。 通过研究已有勘探数据，分析和建立适应于本 井田的“关键离子”和“独立识别区”概念并进行量 化，结合水质动态曲线即可实现突水水源判别。 2 案例分析 2.1 矿井概况 干河煤矿属霍州煤电集团生产矿井， 设计生产能 力 210 万 t/a，井田内发育有第四系、二叠系、石炭 系、 奥陶系地层， 主要含煤地层为二叠系下统山西组、 石炭系上统太原组，开采山西组 1 号、2 号煤。 干河矿位于郭庄泉域排泄区强径流带上，煤层底 板奥灰水全区带压， 2 煤底板距离奥陶系灰岩约105 m， 奥灰水位510～520 m，首采区奥灰顶界面带水压值 3.2～5.6 MPa，奥灰突水系数 0.03～0.053 MPa/m。 2.2 2-112 工作面突水情况 2-112 工作面开采 2 号煤层， 工作面北部有一条 落差 74 m 的正断层，走向 WE，与 2-112 工作面基 本平行展布（如图 1），2-112 工作面回采过程中发生 数次涌水并经历了三个阶段。 第一阶段6 月 17 日 630，工作面推进至切眼 正巷 856 m，副巷 844 m 时，85～87 支架底部自采空 区方向有水流出，水量为 3～5 m3/h，20 日 800 涌 水量升至 100 m3/h，工作面正巷端头压力大，1～3 支架伸缩量为零、底鼓严重，造成支架多处顶梁 断裂。 图 1 2-112 工作面与断层构造相对位置示意图 Fig.1 Relative position of fault and working face 2-112 第二阶段7 月 2 日累计推进至 17.2 m 时，于 2200 在工作面 15、57 号支架涌水，工作面总水量 增大到 150 m3/h 左右，出水颜色浑浊。截止 7 月 10 日 24 00，工作面累计推进 34.4 m。 第三阶段7 月 11 日 830，工作面出水明显增 大，出水点明显增多，342、46、72、76、8183、 138、139、141144 支架间都出水，其中原 68 支 架处出水量最大，总出水量由原来的 150 m3/h 增大 至 250 m3/h，最大 350 m3/h，到 14 日至 17 日基本 稳定在 300 m3/h，至 20 日水量减至 250 m3/h。与此 同时工作面压力明显增大，1、2、16、17 支架无活 柱、315 支架活柱在 5～15 cm，13 支架处淤泥 ChaoXing 72 煤田地质与勘探 第 44 卷 堆积，由于顶板压力大，导致拉架困难。 2.3 2-112 工作面突水水源初步判别 发生涌水后，矿方加强排水管理、实时监控水 情、并组织现场人员实时会诊，认为有 3 种可能的 突水模式 a. 底板隐伏陷落柱突水，理由是回采过程中没 有直接揭露陷落柱，且涌水来自采空区方向，但由 于切巷出水点为散点状，大范围分布，与陷落柱的 集中式出水特点不同，因而否定了该突水模式的可 能性。 b. 底板太灰水通过断裂构造的伴生裂隙突入 矿井，但回采过程中并没有出现底板直接涌水，且 底板钻探探查显示无水，因此该突水模式不成立。 c. 奥灰或太灰水通过断裂带形成的过水通道 侧向补给煤层顶底板砂岩（或灰岩）造成采空区涌 水，理由是工作面北侧发育落差 74 m 断层，K2灰 岩与煤层基本对接，同时奥灰也可能通过断裂通道 补给上覆含水层，回采后由于断裂带一侧煤柱无法 承受上覆地压而破坏失效，阻水能力不足，导致侧 向突水。 初步认为第三种模式成立， 可以确定 K2灰岩水 为突水水源之一，但不能确定奥灰水是否参与，这 直接关系到制定下一步的防治水策略，如果水源仅 为 K2灰岩水，则以加大排水能力为主要策略，如果 有奥灰水参与，则需要采取其他奥灰防突措施，如 注浆改造、留设煤柱、改变采面布置等，不同的防 治策略带来的生产成本差别明显。因此，对充水水 源组成及发展趋势的判别意义重大，其可靠度是无 法用个别水样数据判别结果所能替代的。 2.4 基于离散水质数据的突水水源动态判别 2.4.1 背景值数据整理 a. 收集已有水文地质勘探资料、采掘活动中揭 露的水文地质资料，包括水化学分析数据的各元素 组份，其他能表征含水层特征的数据，如水温、已 知水源的突水点水量，微量元素等，形成信息量更 全的基础数据库，以便辅助判别等（本文中主要为水 质数据）。 b. 将各含水层的某一单项数据指标（如某一离 子含量）用水平直线标示在图表上，同一含水层的不 同背景值样本用相同颜色标示，各含水层之间用不 同颜色标示，形成相互重叠但又相互独立的区间， 所绘制的图表即为背景值图表（图 2图 8）。 c. 将涌水点样本的单项数据指标按时间顺序 绘制到各对应的背景值图表之中，样本获取频率应 能有效控制曲线发展趋势，避免漏失信息量。此项 在出现涌水时实时绘制。 2.4.2 背景值数据初步分析 在背景值图表绘制完成之后，未发生突水情况 前可以预先对其进行直观分析， 发掘有价值的信息。 如图 2图 8，涌水点出现前分别绘制了 NaK、Ca2、Mg2、Cl-、 2 3 SO -、 3 HCO-、矿化度 7 项指标，运用不同线型分别表示了二叠系砂岩水背 景值、太原组灰岩水背景值、奥陶系灰岩水背景值。 从图 2 至图 8 可以看出，二叠系砂岩水除对应的 Cl-含量（图 5）及矿化度（图 8）与太灰、奥灰水无明显区 别外，其它各指标取值均位于太灰水、奥灰水所在区 间以外，具有显著的区别性，因此对于干河矿 2 煤， 区别二叠系砂岩水与太灰水或奥灰水可通过 NaK、 Ca2、Mg2、 2 3 SO -、 3 HCO-离子含量加以区别。 此外，太灰水与奥灰水所有指标的取值区间都 有相互重叠区域，但有的指标又相对独立，反映了 地下水环境的复杂性，最明显的是 2 3 SO -离子，基本 以 330 mg/L 为二者的分界线，其上为奥灰水， 230～330 mg/L 之间主要为太灰水（仅一条线为奥灰 水）。因而可以通过 2 3 SO -离子含量来初步判别突水 水源是仅有太灰水还是太灰水、奥灰水同时参与。 由于不同水质环境水样的 2 3 SO -离子有显著的分界 线，可以将 2 3 SO -离子定为该矿识别底板水源的“关 键离子”。其它指标如 NaK、Ca2也存在明显的非 重叠区间（或称“独立识别区”， 如图2为100～150 mg/L 之间，图 3 为 50～100 mg/L 和 200 mg/L 以上区间）， 该区域指标不与其它水源发生重叠，如果涌水点样 本取值位于该区域，则可初步判别为特定水源。指 标位于太灰水独立识别区时可肯定判别有太灰水参 与涌水组成，位于奥灰水独立识别区时可肯定判别 太灰和奥灰同时参与涌水组成。 2.4.3 突水过程分析与水源趋势判别 完成前期各单项判别指标的整理、初步分析之 后，对矿井地下水环境已经有了整体认识。总体上， 干河矿地下水环境复杂，两种灰岩水难以用传统方 法从单个水质进行有效区分，造成该现象的根本原 因在于复杂的构造因素决定了地下水流流场的千变 万化，但由于太原组灰岩、奥陶系灰岩沉积环境的 区别，两种灰岩水水质总体上也存在一定区别，当 涌水点样本各指标变化趋势突破太灰水临界线进入 奥灰水水质区间时，即可肯定判别奥灰水已经参与 突水过程。矿井发生突水之后，将实时采集的涌水 点样本绘制到背景值图表上，随着时间的变化水质 变化趋势将逐渐稳定。 初次涌水时间区间为 2013 年 6 月 17 日至 6 月 30日， 如图2图4， 水量由3～5 m3/h逐渐增至100 m3/h， ChaoXing 第 3 期 牟林 水质动态曲线预测在突水水源判别中的应用 73 该时间段初期部分曲线动态有小幅度波动，波动原因 为突水通道刚形成时，涌水流动过程与途经的砂岩中 的 NaK离子混合影响，使 NaK离子含量增高， 但整体变化趋向平稳。其中图 2、图 3 中曲线位于太 灰水的独立识别区间内，可以肯定涌水中主体为太灰 水，但奥灰水是否参与尚不确定。 图 2 2-112 面涌水点 NaKa离子含量变化历时曲线图 Fig.2 Outflow duration curve of Na＋Kacontent in working 2-112 face 图 3 2-112 面涌水点 Ca2离子含量变化历时曲线图 Fig.3 Outflow duration curve of Ca2 图 4 2-112 面涌水点 Mg2离子含量变化历时曲线图 Fig.4 Outflow duration curve of Mg2 图 5 2-112 面涌水点 Cl-离子含量变化历时曲线图 Fig.5 Outflow duration curve of Cl- 第二次涌水时间为 2013 年 7 月 2 日至 20 日， 工作面总涌水量于 7 月 12 日逐渐增至 150 m3/h，7 图 6 2-112 面涌水点 2 3 SO -离子含量变化历时曲线图 Fig.6 Outflow duration curve of 2 3 SO - 图 7 2-112 面涌水点 3 HCO-离子含量变化历时曲线图 Fig.7 Outflow duration curve of H 3 HCO- 图 8 2-112 面涌水点水样矿化度变化历时曲线图 Fig.8 Outflow duration curve of salinity 月 11 日最大达到 350 m3/h 左右， 该阶段为水量持续 增大阶段，表现为水体颜色浑浊，曲线波动较明显。 如图 2、图 3、图 4、图 6、图 8，水质发生明显的 上下波动，其波动原因仍然为过水通道中的砂岩类 岩层中 NaK离子混合所致， 但波动幅度较首次涌 水时更大，说明采掘活动对通道的扰动程度加大， 通道更加通畅，使砂岩中阳离子参与水体混合程度 提高。该阶段中， NaK、Ca2、Cl-、 3 HCO-、矿 化度 5 项指标均没有进入奥灰水识别区，但却开始 显现一定的趋势性，曲线开始抬头或下沉，反映了 地下水水质发生了渐变，其中 2 3 SO -、Mg2先后于 7 月 11 日、7 月 15 日突破临界线，进入到奥灰水独 立可识别区， 说明奥灰水与煤系间已经形成了贯通性 突水通道， 此时应引起现场人员的高度重视。 以上分 析说明通过曲线动态识别起到了很好的预警作用。 7 月 20 日之后，水质动态趋势逐渐明朗，图 4、 图 6、图 8 对应的 Mg2、 2 3 SO -、矿化度 3 项指标均 已全面进入奥灰水独立识别区，可以肯定奥灰水已 经全面参与突水过程，同时其它指标曲线进入奥灰 ChaoXing 74 煤田地质与勘探 第 44 卷 水区间的趋势也很明显，因此采掘活动已经导致工 作面北侧的断层导通底板奥灰水，如果进一步采掘 将可能诱发突水事故，必须采取应对措施。 2.5 突水后的应对措施 出现两次底板涌水情况下，通过前文的分析研究 确定了 2-112 面北部断层为导水性断层，突水形式为 侧向断层导水，底板太灰水可通过断裂带接受奥灰水 补给。矿方重新计算并留设了保安煤柱，此后工作面 得以顺利回采，说明 2-112 工作面涌水的原因确实为 侧向断裂带受采动影响引起的断裂带导水，进一步排 除了底板太灰水突水或陷落柱导水的假设，表明曲线 预测法在突水水源动态识别中具有较好的应用价值。 3 水质动态曲线预测法的相关特点与适用条件 3.1 相关特点 侧重于趋势判别，避免以个别水质数据为依据 形成的误判，在无更多随时间变化的涌水点水质样 本数据时，也可针对单个涌水点样本进行判别。 突水点样本以时间为横轴形成趋势线，随时间 变化的样本越多，地下水动态趋势越明朗。 适用于水质极不均一的离散型地下水水质环 境，各含水层的背景值为某一数据区间，不同含水 层之间的背景值可以相互重叠，即对于含水层之间 水质相似的情况同样适用。 有助于针对特定的矿区水文地质条件，分析判 别突水水源的关键离子。 可针对突水水源的动态变化情况，制定突水情 况动态应急策略。 3.2 使用条件分析 本方法的提出主要基于各水化学指标背景值 数据库和突水点样本二者之间的动态关系，因而 判别的准确性主要取决于以上两个因素的可靠程 度。矿井水质分析往往是一个定性与定量相互融 合的过程，只有在足够背景值数据支撑的条件下， 定性分析的结论才能逐渐量化，因此构建数据量 丰富的背景值数据库是该方法的关键因素之一。 此外，对突水过程中各种水文地质信息的实时监 测与动态分析，也是决定判别结果是否准确的关 键因素。上述两方面要求矿方在做足前期水文地 质勘探的同时，还要加强日常防治水基础数据、 台账、资料的分析与整理，有条件的矿区还应建 立水化学实验室。 4 结 论 a. 提出了适用于突水水源动态判别的水质动 态曲线预测法，并成功应用于霍州煤电集团干河矿 2-112 工作面突水水源判别。 b. 该方法改变以往突水水源判别着力于单个 或多个散点状信息样本的判别模式，避免了样本之 间相互独立缺乏必要的联系，可进行实时反馈和趋 势分析，有利于预警和采取应对措施。 c. 基于背景值图表分析，提出了具体矿井水文 地质条件下，可能存在一种或多种特定的“关键离 子”，可作为突水水源初步判别的依据。 d. 基于背景值图表分析，提出了“独立识别区” 的概念， 位于识别区内的样本可以肯定判别太灰水是 否参与涌水或太灰水和奥灰水是否同时参与涌水。 e. 关于“关键离子”和“独立识别区”的可靠程 度，主要依赖于背景值数据的丰富程度。日常采掘 活动中应注意充分采集涌水过程中的水文地质信 息，丰富背景值数据库，涌水期间加密监测，使水 情动态演化曲线的趋势性更加准确。 f. 该方法适用于复杂水文地质环境、技术门槛 低、 可靠度高， 对突水水源的动态判别具有借鉴意义。 参考文献 ［1］ 王玉民， 焦立敏. 利用水质分析法判定矿井涌水水源［J］. 煤矿 安全，2001，32（10）12-14. 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Journal of Engineering Geology，2001， 9（2）158-163. （下转第 79 页） ChaoXing 第 3 期 雷崇利等 基于地质灾害危险性的煤层气项目经济评价 79 成本与税金，加上危险性大区未施工钻井的未支出 费用，期末现金流量为 112 819 万元，售气利润为 72 414 万元。 方案 3 施工 151 口开发井，管输总量 111 788 104 Nm3，售气收入减去施工费、经营成本与税金， 加上危险性大区未施工钻井的未支出费用，期末现 金流量为 90 662 万元，售气利润为 75 143 万元。 方案 1 的管输量最大，现金流量和利润最小； 方案 2 的现金流量最大，利润居中，管输量最小； 方案 3 的售气利润最大，现金流量、管输量居中。 4 结 论 方案1 多考虑井下生产需要， 先抽采邻近开采区的 煤层气，抽采量多，能减少矿井瓦斯涌出量，但煤层气 开发设施受损多；方案2 多考虑开发设施少受地面塌陷 损坏，抽采量少；方案3 引进投资回收期指标参与综合 评估分区，减少了开发设施受损量，又能抽采较多煤层 气，经济效益好，符合综合评估原则的要求。 方案 3 已被开发单位接受，正在实施中。对于 类似项目，也可采用方案 3 的方法进行地质灾害危 险性综合评估与分区。 参考文献 ［1］ 国家能源局. 煤矿瓦斯防治部际协调领导小组第十一次会议 在京召开［EB/OL］. 2004 133080152.htm. ［2］ 邓曦东，罗继康，王小俊，等. 三峡库区地质灾害防治的经济 效益探析以湖北省秭归县为例［J］. 防灾科技学院学报， 2009，11（4）12-15. DENG Xidong，LUO Jikang，WANG Xiaojun， et al. Study on economic effects of geologic hazard prevention in the three gorges reservoir areaa case study of Zigui county［J］. 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