基于不同含水层水混合效应水化学特征的突水水源识别

基于不同含水层水混合效应水化学特征的突水水源识别＊王世东（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安７１００５４）摘要：王洼煤矿因采空区地表下陷并形成积水凹地，塌陷区积水有可能沿塌陷裂隙渗入井下，对矿井安全生产构成威胁。通过对地表水和煤系顶板砂岩水混合效应的水化学研究，利用对比分析方法找出变化明显的特征离子，将其作为水质监测的重点对象（Ｋ＋＋Ｎａ＋、ＴＤＳ和矿化度），为建立地表水是否溃入矿井的预警系统提供了科学依据。关键词：地表水；顶板砂岩水；水文地球化学特征；突水水源识别中图分类号：ＴＤ７４５＋．２文献标识码：Ａ文章编号：１００５－２７６３（２０１４）０３－０１３６－０３ＩｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆＷａｔｅｒＢｕｒｓｔｉｎｇＳｏｕｒｃｅＢａｓｅｄＯｎＨｙｄｒｏ－ｇｅｏｃｈｅｍｉｃａｌＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｉｎＭｉｘｔｕｒｅＥｆｆｅｃｔｏｆＤｉｆｆｅｒｅｎｔＡｑｕｉｆｅｒＷＡＮＧＳｈｉｄｏｎｇ（Ｘｉ＇ａｎＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＣｈｉｎａＣｏａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＥｎｇｉ－ｎｅｅｒｉｎｇＧｒｏｕｐＣｏｒｐ，Ｘｉ＇ａｎ，Ｓｈａｎｎｘｉ７１００５４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗａｔｅｒｖａｌｌｅｙｗａｓｆｏｒｍｅｄｂｅｃａｕｓｅｏｆｓｕｒｆａｃｅｓｕｂｓｉｄ－ｅｎｃｅｉｎＷａｎｇｗａｃｏａｌｍｉｎｅ．Ｓｏｓｅｅｐｅｒｍａｙｂｕｒｓｔｉｎｔｏｕｎｄｅｒ－ｇｒｏｕｎｄｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｃｏｌｌａｐｓｅｆｒａｃｔｕｒｅ，ｗｈｉｃｈｐｏｓｅｄａｔｈｒｅａｔｔｏｔｈｅｍｉｎｅｓａｆｅｔｙ．Ｈｙｄｒｏｇｅｏｃｈｅｍｉｃａｌｓｔｕｄｙｏｎｍｉｘｔｕｒｅｅｆｆｅｃｔｂｅｔｗｅｅｎｓｕｒｆａｃｅｗａｔｅｒａｎｄｓａｎｄｓｔｏｎｅｗａｔｅｒｆｒｏｍｒｏｏｆｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ．Ａｎｄｉｏｎｓｗｉｔｈｏｂｖｉｏｕｓｃｈａｎｇｅｓｗｅｒｅｆｏｕｎｄｏｕｔｂｙｃｏｍｐａｒｉｓｏｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓ．ＴｈｅｓｅｉｏｎｓｉｎｃｌｕｄｅｄＫ＋＋，Ｎａ＋，ＴＤＳａｎｄｓａｌｉｎｉｔｙ，ｗｈｉｃｈｗｅｒｅｒｅｇａｒｄｅｄａｓｔｈｅｋｅｙｔａｒ－ｇｅｔｔｏｉｎｓｐｅｃｔｗａｔｅｒｑｕａｌｉｔｙ．Ｔｈｅｓｔｕｄｙｐｒｏｖｉｄｅｄｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｔｏｅｓｔａｂｌｉｓｈａｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｏｒｐｒｅｖｅｎｔｉｎｇｓｕｒｆａｃｅｗａｔｅｒｂｕｒｓｔｉｎｇｉｎｔｏｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ．ＫｅｙＷｏｒｄｓ：Ｓｕｒｆａｃｅｗａｔｅｒ，Ｓａｎｄｓｔｏｎｅｗａｔｅｒｆｒｏｍｒｏｏｆ，Ｈｙｄｒｏｇｅｏｃｈｅｍｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ，Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｗａｔｅｒｂｕｒｓｔｉｎｇｓｏｕｒｃｅ王洼煤矿５＃煤层开采过程中，由于顶板砂岩沉积环境等原因，造成顶板砂岩局部富水性较强，煤矿顶板涌水在矿井生产过程中经常发生。但因采空区地表下陷并形成积水凹地，塌陷区积水沿塌陷裂隙渗入井下，对矿井安全生产构成威胁。煤矿发生突水事故原因极其复杂，往往不是单一含水层参与，有可能是多层混合水参与［１－６］。如何判别混合水突水水源及其参与程度？本文通过对王洼煤矿地表水和顶板砂岩水按照不同体积比例进行混合，通过对水质化验成果进行对比分析，得到了不同比例混合水中变化趋势明显的特征离子［７－８］，作为将来重点监测对象，为建立地表水是否溃入矿井的预警系统提供了科学的依据。１矿井水文地质特征王洼煤矿于２００３年已完成了运输系统改造，提升运输能力达到０．６０Ｍｔ／ａ，矿井目前开拓水平为＋１２７０ｍ水平，主采５煤、８煤，５煤厚度普遍在３．５ｍ以上，全井田平均厚度１１．９１ｍ；８煤全井田平均厚度６．７６ｍ。勘探报告表明，井田构造简单，煤层稳定，水文地质和工程地质简单。矿区为大面积第四系及古近系红土所掩盖。按地层沉积环境、岩性组合、埋藏条件等划分，由上到下依次为Ｑ～Ｅ３ｑ含水层、Ｋ１ｙ～Ｊ２ｙ含水层、Ｏ１～Ｔ３ｓ含水层等３个主要含水层。第四系含水层：遍布全区，为覆盖于所有岩层之上接受降水补给最多的含水层，垂直透水性较好，水平透水性较差，地下水主要赋存于第四系底部。据劳沟川勘探钻孔水１、水５、水６抽水试验资料：单位涌水量为０．０３０９Ｌ／ｓ·ｍ和０．０３９５Ｌ／ｓ·ｍ，渗透系数为０．０７４８ｍ／ｄ和０．２１７ｍ／ｄ，为富水性弱的含水层。古近系含水层段：主要分布于地层底部，大部分岩性以红粘土为主，岩性致密，为良好隔水层，局部夹粉细石英砂岩、砂砾岩，岩性为棕黄、淡红、灰白、黄绿色胶结疏松之砂及砂砾岩，泥钙质胶结，含孔隙ＩＳＳＮ１００５－２７６３ＣＮ４３－１２１５／ＴＤ矿业研究与开发第３４卷第３期ＭＩＮＩＮＧＲ＆Ｄ，Ｖｏｌ．３４，Ｎｏ．３２０１４年６月Ｊｕｎ．２０１４＊收稿日期：２０１３－０３－２７基金项目：“十二五”国家科技支撑