华北隐伏型煤矿地下水水化学演化与突水水源判别

陈陆望，宋正辉

（合肥工业大学 资源与环境工程学院，安徽 合肥230009）

1 引言

我国华北隐伏型煤矿地下水系统往往是由多含水层构成的，且含水层间普遍存在不同程度的水力联系［1］。为了有效防治煤矿重大突水事故，“预测预报”是首当其冲的任务。目前煤矿突水预测预报一般根据开采围岩应力、变形、地球物理、水压、水温等信息的变化，构建煤矿开采突水预警模式［2］。不过，凡是煤矿重大突水，在发生之前总有一些预兆。从水量变化看，一般有“湿帮→滴水→淋水→流水→突水”的量变到质变的过程。于是，一些研究者另辟蹊径，通过捕捉突水预兆期内的水化学信息，从简单水质类型对比、标型组分识别、水化学多元统计或非线性分析等方法判别突水水源类型和预测突水模式［3-9］。但是，上述成果只是把我国华北隐伏型煤矿多含水层地下水系统看作孤立含水层的简单组合，注重的是其中单一含水层的静态水化学场，很少根据时间跨度与空间尺度考虑开采进程中多含水层地下水系统水化学演化，以致上述突水水源判别模型与突水模式在煤矿后续生产过程中的适用性受到限制。

淮北煤田是我国华北隐伏型煤田，现有大、中型矿井30余对，面积30 000km2。该煤田开采历史悠久，目前煤炭产量6 000万t／a，是华东地区重要的煤炭基地。煤田普遍发育松散层含水层（一般发育4个含水层，底部含水层（一般称为“四含”）、二叠系煤系砂岩裂隙含水层（简称“煤系”）、石炭系太原组岩溶含水层（简称“太灰”）及奥陶系岩溶含水层（简称“奥灰”），为主要突水含水层。

本课题在阐明淮北煤田地下水系统基于地下水渗流路径的水文地球化学演化模式的基础上，以芦岭煤矿为研究示范，开展突水点常规水化学分析，建立采动影响下矿井突水模式与水源判别模型，研究成果对我国华北隐伏型煤矿水灾防治提供重要理论支持。

2 地下水渗流与水化学演化模式

2.1 四含水渗流路径与水化学特征

淮北煤田境内煤矿井下出水点水源如果来自四含水，一种可能路径为直接通过煤层顶板导水裂隙，另一种路径为通过断层（或其它快速通道，如岩溶陷落柱等）进入煤系砂岩裂隙渗出。存在两种渗流模式，一种为地下水在煤系砂岩裂隙内渗流路径短、速度快；另一种为地下水在煤系砂岩裂隙内渗流路径长、速度慢。

地下水在煤系砂岩裂隙内渗流路径短、速度快主要有两种情况：工作面煤层采动后顶板导水裂隙带贯通四含（图1中A模式）或顶板导水裂隙带直接沟通断层（图1中B模式），以致四含水在工作面、采空区或巷道涌出。在这种情况下，井下出水点水化学特征应与上部四含水基本一致，由于地下水快速通过基岩风化带或煤系砂岩裂隙以及断层裂隙等，阳离子交替吸附作用微弱，水化学动态演化受控于上部四含水文地球化学环境。

图1 四含出水点地下水渗流与水化学演化模式（在砂岩裂隙内渗流路径短、速度快）

地下水在煤系砂岩裂隙内渗流路径长、速度慢也有两种情况：工作面采动后煤层顶板导水裂隙带贯通砂岩裂隙，并且砂岩裂隙通过基岩风化带与四含存在较好的水力联系（图2中A模式）或导水裂隙带沟通上部煤系砂岩裂隙，并且砂岩裂隙通过导水断层与四含水存在较好的水力联系（图2中B模式），以致四含水在工作面、采空区或巷道涌出。在这种情况下，出水点水化学特征不同于上部四含水，由于地下水在煤系砂岩裂隙内渗流路径长、速度慢，水化学动态演化基于上部四含水地下水类型，并受控于煤系砂岩裂隙水文地球化学环境。

图2 四含水出水点地下水渗流与水化学演化模式（在砂岩裂隙内渗流路径长、速度慢）

2.2 煤系水渗流路径与水化学特征

煤系水以静储量为主，地下含水空间零星分布，并且储量不大，水量有限。井下出水点水源如果只是煤系水，而与其他含水层地下水水力联系不畅，则水化学动态稳定，来自同一含水组的煤系水常规离子的测试结果基本上在误差的范围内。

工作面采动后顶板导水裂隙带贯通煤系储水空间（图3中A模式），或顶板导水裂隙带沟通导水断层，并与煤系储水空间存在水力联系（图3中B模式），以致煤系水在工作面、采空区或巷道涌出。在这种情况下，出水点水化学特征基于煤系水类型，并受控于煤系砂岩裂隙含水层零星展布空间与范围、层组、展布形态与水文地球化学环境等，煤系出水点水化学特征表现微小差别。

图3 煤系水出水点地下水渗流与水化学演化模式

2.3 灰岩水渗流路径与水化学特征

工作面采动后底板导水裂隙带与导水断层（或岩溶陷落柱）沟通（图4中A模式），以致灰岩水（包括太灰水与奥灰水）在工作面、采空区或巷道涌出。此时灰岩水通过砂岩裂隙渗出（或通过断层或陷落柱直接涌出），渗流路径短、速度快，井下出水点水化学特征应与下部灰岩水基本一致，水化学动态演化受控于下部灰岩水文地球化学环境。另外，导水断层或岩溶陷落柱与煤系砂岩裂隙层组沟通，工作面采动后，其底板导水裂隙带沟通煤系砂岩裂隙层组（图4中B模式），以致灰岩水在工作面、采空区或巷道涌出。此时灰岩水在砂岩裂隙内渗流路径长、速度慢，水化学动态演化基于下部灰岩水类型，并受控于煤系砂岩裂隙水文地球化学环境。

图4 灰岩水出水点地下水渗流与水化学模式

3 基于地下水渗流与水化学演化的水源判别

3.1 淮北煤田主要突水含水层常规水化学特征

常规水化学揭示了地下水系统主要水-岩相互作用。基于矿区常规水化学资料，利用离子组合法，开展统计分析，得出淮北煤田主要突水含水层常规水化学特征如下：

（1）（rNa＋-rCl-）／rSO42-＞3，rNa＋／rCl-＞1，（rSO42-＋0.5rHCO3-）／（rCa2＋＋rMg2＋）＞3为煤系水特征；

（2）0＜（rNa＋-rCl-）／rSO42-＜1，rNa＋／rCl-＞1为四含水特征；

（3）0＜rSO42-／rCl-＜1，0＜（rSO42-＋0.5rHCO3-）／（rCa2＋＋rMg2＋）＜1为太灰水特征；

（4）rSO42-／rCl-＞1，（rSO42-＋0.5rHCO3-）／（rCa2＋＋rMg2＋）＞1为奥灰水特征；

（5）不满足上述离子组合比公式，有可能是一种或几种水的混合。

3.2 典型工作面突水点水化学动态分析

2010年9月28日下午17：00点，淮北煤田芦岭煤矿Ⅱ1016工作面回采至160m，机尾底板出现渗、涌水现象，实测涌水量为10m3／h。2010年9月29日涌水量上升至12m3／h。2010年10月1日夜班综采支架向前推进了0.5m，在推进过程中涌水量一度升至48m3／h，工作面停采。2010年10月至12月份，水量稳定在19～40m3／h。2010年9月28日～2011年5月10日不定期地开展了水质测试，相关离子组合比值的变化趋势见图5。

结合模型离子组合比（rNa＋-rCl-）／rSO42-、（rSO42-＋0.5rHCO3-）／（rCa2＋＋rMg2＋）、rNa＋／rCl-、rSO42＋／rCl-在考察期间的动态变化，基于地下水渗流与水化学演化模式，可知Ⅱ1016工作面出水有如下特征：

（1）Ⅱ1016工作面出水不是真正的以静储量为主的煤系水，而是与太灰或四含存在较强的水力联系；

（2）Ⅱ1016工作面出水点地下水在砂岩裂隙内渗流路径长、速度慢，水化学动态演化基于太灰或四含水化学类型，并受控于煤系砂岩裂隙含水层水文地球化学环境。

煤系水渗流过程中具有较强的溶滤溶解作用与阳离子交替吸附作用（特别是在渗流初期）［10］，煤系水Na＋有明显增加的趋势，Ca2＋、Mg2＋显著减少的趋势。如果是四含水补给煤系砂岩裂隙，地下水在渗流过程中rNa＋／rCl-将会更大，与实际远低于四含水样相悖。另外，煤系水渗流过程中同样具有较强的脱硫酸作用（特别是在涌水中期）［10］，因此，地下水在渗流过程中HCO3-有明显增加的趋势，如果是四含水补给煤系砂岩裂隙，地下水在渗流过程中rHCO3-／rCl-将会更大，与实际低于四含水样相悖。因此，Ⅱ1016工作面水源来自四含水的可能性不大，应为下部太灰水，且地下水在砂岩裂隙中具有径流路径长、渗流速度慢、滞留时间长等特点。

3.3 典型工作面突水点水源判别分析

图5 芦岭煤矿Ⅱ1016工作面地下水典型离子组合比的历时曲线

将淮北煤田166个水样的 Na＋＋K＋、Ca2＋、Mg2＋、SO42-、Cl-、HCO3-、CO32-测试结果分别代入判别模型，并绘制判别函数F1-F2散点图（图6）。根据图6水样点集中程度，可分析混合程度。煤系水基本上可以确定一个完整区，说明煤系水与四含、太灰与奥灰水混合程度小。相反，四含、太灰与奥灰水样点不易确定完整区，说明采动影响下四含、太灰与奥灰水力联系密切，含水层之间混合明显。

芦岭煤矿2007年5月6日～2007年5月27日动态监测的太灰放水孔地下水点在F1-F2散点图中位置基本不变，动态稳定，能较好地代表近期芦岭煤矿太灰水化学特征。同样，芦岭井田Ⅱ1016工作面出水后，2010年9月28日～2011年5月10日对Ⅱ1016工作面突水点采集地下水样品开展水化学动态监测。监测结果显示，随着时间的延续，Ⅱ1016工作面水样点有向太灰水区域靠近的趋势，因此，可判定Ⅱ1016工作面突水与太灰含水层地下水有直接的水力联系，且地下水在砂岩裂隙中具有径流路径长、渗流速度慢、滞留时间长等特点。

图6 芦岭井田主要突水含水层地下水样F1-F2散点图

4 结语

我国华北隐伏型煤矿采动后，岩层的移动与破坏进一步导致地下水系统水动力条件改变，系统内各含水层之间的补给关系在矿区内定然发生不同程度的改变［11］。水化学研究如果一味关注某一含水层，而不考虑开采扰动影响下系统内各含水层之间相互联系和可能存在的水岩作用，也就很难全面认识地下水水化学环境的本来面目和可能的发展趋势。因此，考虑典型华北隐伏型煤田——淮北煤田长期采动影响，以矿井下出水点为研究起点，通过反演分析，提出了淮北煤田主要突水含水层地下水渗流与水化学演化模式。基于此，分析芦岭煤矿Ⅱ1016出水点水化学动态变化，进而正确判别水源及其渗流突水模式。

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