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煤炭工程 第 52卷第 6期 COAL ENGINEERING Vo l. 52, No . 6 doi 10. 11799/c e202006027 基于水化学特征的顺和煤矿太灰水动力条件分析 张成行，郑洁铭，徐智敏，骆俊峰 中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州221116 摘要为了分析顺和煤矿底板太原组灰岩含水层的赋存状态以及水动力条件，基于地下水化 学组分会随着地下水的运动而运移的基本原理，运用Piper三线图解法、Gibbs图解法、离子比值法 等综合评价的方法，对顺和煤矿西翼地区煤层底板太灰含水层水化学特征进行分析，研究了该区域 煤层底板太灰水的水动力条件。结果表明分析结果与实际情况较为吻合，利用地下水化学特征来 判断煤层底板太灰含水层的水动力条件是可行的。 关键词地下水化学特征；太灰含水层；水动力条件；放水试验 中图分类号TD745. 2 文献标识码A 文章编号1671-0959202006-0126-04 Hydrodynamic conditions analysis of Taiyuan ation limestone aquifer in Shunhe Coal Mine based on hydrochemical characteristics ZHANG Ch eng-h ang, ZHENG Jie-ming, XU Zh i-min, LUO Jun-feng Sc h ool of Resour c es and Geosc ienc es, Ch ina Univer sity of Mining and Tec h nology, Xuzh ou 221116, Ch ina Abstract In or d er to analyze th e oc c ur r enc e status of Taiyuan For mation limestone aquifer and th e h yd r od ynamic c ond itions in th e floor of Sh unh e Coal Mine, based on th e basic pr inc iple th at th e c h emic al c omponents of th e gr ound water migr ates with th e movement of th e gr ound water, c ompr eh ensive uation meth od s suc h as Piper th r ee-line gr aph ic al meth od, Gibbs gr aph ic al meth od, and ion r atio meth od ar e used . Th e h yd r oc h emic al c h ar ac ter istic s and th e h yd r od ynamic c ond itions of th e aquifer in c oal seam floor of th e west wing of Sh unh e Coal Mine ar e analyzed . Th e r esults sh ow th at th e analysis r esults ar e c onsistent with th e ac tual situation, and it is feasible to use th e c h emic al c h ar ac ter istic s of gr ound water to d eter mine th e h yd r od ynamic c ond itions of Taiyuan For mation limestone aquifer in th e c oal seam floor . Keywords c h emic al c h ar ac ter istic s of gr ound water； Taiyuan For mation limestone aquifer； h yd r od ynamic c ond itions； d r ainage ex per iment 随着矿井开采水平向深部拓进，水文地质条件 明显发生变化，深部太原组灰岩含水层对矿井安全 开采的影响日益严重［Z］。目前，对于深部底板太 灰水富水性和水动力条件的认识，是在放水试验 的基础上，求得水文地质参数⑷。通过稳定流、非 稳定流的解析公式或借助如GMS、MODFLOW, FEFLOW等数值模拟软件进行分析研究⑺刃。开展上 述工作的需要消耗大量的人力、物力，并且，太灰 含水层为承压岩溶裂隙含水层，裂隙发育具有不均 一性，一般的解析计算和数值模拟软件是将其视为 均质含水层，其计算和数值模拟结果会产生一定的 误差。另外，数值模拟软件的使用较为复杂，难以 实现煤矿单位的全面普及。 由于地下水在循环过程中，水化学特征与水动 力条件息息相关，其溶解的化学组分会随着地下水 的运动而运移因此，本文根据顺和煤矿西翼 地区煤层底板太灰含水层水质资料，运用Piper三线 图解法、Gibbs图解法、离子比值法等特征进行分 析、评价，获取研究区地下水的赋存状态及水动力 条件。不仅创新了矿井评价分析的手段，而且分析 收稿日期2020-01-02 基金项目国家重点研发计划项目资助2019YFC1805401 作者简介张成行1994,男，河南洛阳人，硕士研究生，研究方向为矿井水害防治，E-mail 1120649409 qq. c om0 引用格式张成行，郑洁铭，徐智敏，等.基于水化学特征的顺和煤矿太灰水动力条件分析［J］.煤炭工程，2020, 52 6 126-129. 126 2020年第6期 煤炭工程研究探讨 结果对矿井的安全生产具有重要的指导意义。 1研究区概况 顺和煤矿位于河南省永城市城关镇北20km,研 究区位于顺和煤矿西翼东部，北部边界为F*正断 层，东南部为DF和MT 关系 b o H A M w u cSO27 HCO； ；和 Ca2Mg2t/HCO3 关系 _ _J. b u E -HCO;/ meqL- d SO2 HCO .和CaSMg“关系 0 3 _ _l. b u E O S J 8 H I J W W O 10 20 30 40 50 Na-C17 meqL e Na - Ct和Ca2 Mg24- HCO .-SO2 .关系 HCO； ；SO;-CI7 meqL- ⑴ HCOSOCl-和 Ca2Mg2Na* 关系 图3研究区地下水相关离子比值关系 2 根据图3e中相关系数相对于-1更接近于 0,表明该区域的阳离子交换作用相对较弱。因此, Na*可能主要来源于硅酸盐或者芒硝等矿物的溶解, 阳离子交换作用占比较小。 3 由图3b、3c 和3d可知，水体中mEq SO mEq Ca2Mg2 mEq HCO；,表明水中 Ca2\ Mg2\ SO主要来源于硫酸盐类，如石膏类 矿物以及含钠硫酸盐等的溶解，同时也解释了图3 a中Na*较高的原因。表明地下水中的Ca2\ Mg2 离子主要来源于碳酸盐类和硫酸盐类的溶解，由于 Ca2\ Mg *含量较高受深层地下水温度的影响，导 致HCOj含量相对较低。 4 对比图3f 与图3d表明，太灰含水层的 水化学成分主要受碳酸盐类和硫酸盐类溶解的影响。 其中硫酸盐矿物溶解作用为主要因素，且在溶解作 用和的影响下，Ca2\ Mg2\ Na\ SO以及TDS等 含量不断增大，表明研究区太灰含水层溶滤作用较 强，且当地下水的赋存环境相对封闭时，地下水化 学成分的主要离子才能不断的富集。 3水动力因素分析 Gibbs在研究不同水体的水化学成分及其形成机 制时，分析了 TDS 与 Na*/Na Ca“、C17C「 HCOj 质量浓度比值关系，得出了影响水体中水化 学因子的3种影响作用大气降水作用、岩石风化 作用和蒸发浓缩作用E，4-16]O虽然，岩石中包含多种 易溶矿物，但受水动力强度的影响，其化学成分相 应发生改变。因此，水动力因素作用对深层地下水 化学成分影响较大，一般水化学成分的形成随深度 的增加变得稳定，且蒸发量降低。据此H.K.依格 纳托维奇提出了三个具有代表性的“水交替带” 即水积极交替带、水迟缓交替带和水消极交替 带⑴]。根据研究区概况资料可知，研究区太灰含水 层埋深大于500m,属深层地下水。据此，将上述两 种理论结合，对传统Gibbs图进行合理的调整，如 图4所示，并对影响研究区地下水水化学特征的水 动力因素进行分析。 根据图4可知，所有水样点基本全部落于水消 极交替作用带，且太灰水化学组分中盐类的含量较 高，且高度富集。一方面，反映了研究区深层地下 水溶滤作用较强，能够较大程度的溶解盐岩、碳酸 盐和硫酸盐类等矿物。另一方面，水交替作用的强 弱反映了地下水动力条件，水交替作用越强，地下 水运动越快，反之则变慢。因此，受水消极交替作 用以及溶滤作用的影响研究区太灰含水层地下水化 学组分中的盐分大量累积，矿化度随之增加。综上, 表明研究区水动力条件较差，处于水文地质单元相 对封闭的区域。 另外，分析放水试验资料，放水量在50n/h左 右，并根据放水试验数据绘制研究区太灰含水层水 位一时间关系曲线，如图5所示。从图5中可以看 出，研究区水位在50m3/h左右疏放强度下，2d左 128 2020年第6期煤炭工程 研究探讨 右就形成了 150m的降深，水位下降较快，证明其补 给条件较差，水文地质条件相对封闭。 100000 10000 一 -JS E M S a l 1000 100 10 ..V水消极長春作用 水迟缓 、\ 交替作用’、、 丿 积极交替作用 1 L 00.20.4 0.6 0.8 1.0 1.2 Na/ MaCa a钠离子Gibbs图 100000 10000 .”＜心替作用 _ , T eoE 、 s a 1000 100 10 水迟缓 交替作用 「水积极交袜作用 、- \ I L 00.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 CI/CCIHCOp b氯离子GibbsS 图4研究区水样Gibbs图 E Q X 、 1000 2000 3000 4000 5000 时间/min 图5太灰水水位一时间曲线 4结论 1 根据Piper三线图，分析了研究区太灰水在 放水试验前、中、后期水质资料，发现水质在图中 落点较为集中，没有发生明显的变化，表明研究区 太灰水受其他水源的补给较差。 2 从离子比值关系图中，分析了太灰水组分的 主要来源及其成因，得到研究区太灰水的赋存演化 环境较为封闭；且根据Gibbs原理结合水动力因素 分析，进一步表明研究区太灰水的水动力条件较差, 水文地质环境相对封闭。 3通过放水试验验证，分析结果与实际情况吻 合。因此，利用常规的地下水化学特征来判断煤层 底板太灰含水层的水动力条件是可行的。对分析研 究区水文地质条件具有重要的实际意义。 参考文献参考文献 [1] 郭惟嘉，张士川，孙文斌，等.深部开采底板突水灾变模式 及试验应用[J].煤炭学报，2018, 431 219-227. 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