水化学示踪试验在邱集煤矿防治水中的应用

张礼威 张新国 张 涛

（1.山东能源集团有限公司，山东省济南市，250014；2.山东科技大学矿业与安全工程学院，山东省青岛市，266590；3.山东科技大学矿山灾害预防控制教育部重点试验室，山东省青岛市，266590）

水化学示踪试验在邱集煤矿防治水中的应用

张礼威1张新国2，3张 涛2，3

（1.山东能源集团有限公司，山东省济南市，250014；2.山东科技大学矿业与安全工程学院，山东省青岛市，266590；3.山东科技大学矿山灾害预防控制教育部重点试验室，山东省青岛市，266590）

为探查邱集煤矿四五灰含水层与徐奥灰含水层之间的水力联系，用NaNO3和NH4HCO3作为示踪剂通过地面徐灰观测孔和奥灰观测孔开展了水化学示踪试验。试验结果表明，邱集煤矿井田范围内奥灰含水层观测孔与四五灰含水层出水点之间存在着水力联系，但没有形成垂向贯通裂隙；徐灰观测孔与四五灰含水层出水点之间存在着明显的水力联系，同时形成垂向贯通裂隙。

含水层 水力联系 示踪试验 浓度分析 邱集煤矿

1 煤矿概述

邱集煤矿是我国黄河北煤田第一对试验型生产矿井，现主要开采7＃、10＃煤层。由于7＃、10＃煤层可采储量较少，开采11＃煤层势在必行。11＃煤层平均厚度2.02 m，直接顶为四五灰含水层，底板距徐灰含水层35.40 m，徐灰含水层距奥灰含水层7～8 m，因此11＃煤层受水害威胁比较严重。为解放11＃煤层，邱集煤矿在11＃煤层轨道石门布置四五灰含水层疏干工程，将轨道石门处水压降至0.3 MPa，周围四五灰观测孔已处于疏干状态。但当掘进至轨道石门506 m时，掘进头后约3 m处出水，出水前12 h地面徐灰孔和奥灰孔不同程度出现水位下降，四五灰含水层出现水位上升，出水后井下四五灰观测孔水压明显回升，四五灰疏干钻孔出水量稳定在1000 m3／h。水文地质条件的突变使四五灰含水层无法疏干，邱集矿不得不在11＃煤层轨道石门施工挡水墙，停止了四五灰含水层疏干工程。

为了评价11＃煤层受水害威胁程度，需查明地面奥灰观测孔D4、徐灰观测孔WX2与井下四五灰含水层出水点之间的水力联系，确定观测孔与井下四五灰含水层疏放水孔的补给关系，据此开展了水力联系的水化学示踪试验。

2 水化学示踪试验

2.1 示踪试验原理

示踪试验是指采用与地下水化学组分背景值差异较大、稳定并易溶性盐类离子作为示踪剂，通过从地面钻孔将示踪剂溶液注入至目标含水层并进行注水加压，使其在地下水流作用下不断运移和扩散，与此同时对井下各放水孔按照一定时间间隔进行采样监测，依示踪剂离子浓度变化分析放水试验过程中地下水运动规律，进而间接获得投放点至接收点之间岩溶通道或断层的发育规律。

2.2 示踪剂选择

示踪剂的选择是一项非常重要的工作，它往往是试验成败的关键。选择示踪剂必须考虑示踪剂对地下水质没有太大影响；容易检出，检测的灵敏度要高；在一定时间内稳定，不易被岩石吸附和滤掉。目前国内所采用的示踪剂主要有化学试剂、染料、放射性同位素等，由于本研究区水中NH4+和NO3-含量均较低，因此选用NH4HCO3和NaNO3做为本次试验的示踪剂。

图1 示踪试验投样点与接收点平面位置示意图

2.3 示踪剂投放与收集

示踪剂投放点为奧灰观测孔D4和徐灰观测孔WX2，两孔投放试剂分别为NH4HCO3和NaNO3，以NH4+和NO3-作为检测对象。因钻孔深度较大，为使投放的试剂达到最佳效果，采用液体投放，通过管路进行人工加压将液体示踪剂投放到预定层位。示踪剂投放后，分别在井下8个出水点采集水样，即在井下3号孔、5号孔、15号孔、55号孔、57号孔、26号孔、62号孔以及掘进头出水点采取水样，开始每隔1 h取1个水样，后来根据实际情况进行适当调整。本次示踪试验历时9 d，试验从8个出水点共采集水样1635个，示踪试验投样点与接收点平面位置如图1所示。

3 试验结果分析

对于每班送到地面的水样随时分析，保证了水样分析的准确性，根据分析结果判断示踪剂的浓度变化并及时调整采样的时间间隔。测试使用的仪器是德国Photo Lab Spektral多功能水质分析仪。

3.1 示踪剂浓度分析

经过对近800个水样中的NH4+和NO3-浓度测定，获取了NH4+示踪剂在井下6个放水孔以及NO3-示踪剂在井下4个放水孔的时间—浓度曲线。NH4+最快接收时间为11～24 h，接收孔为26号孔、57号孔、掘进头、5号孔、62号孔；NO3-最快接收时间为21～85 h，接收孔为5号孔、52号孔、掘进头、26号孔。NH4+浓度随时间变化如图2所示，NO3-浓度随时间变化如图3所示。

由图2（a）可知，5号孔NH4+背景值约为0.4 mg／L，在开始一段时间内浓度波动较大，接收到NH4+时间为NH4HCO3示踪剂投放后22 h，浓度为0.5 mg／L，随后在示踪剂投放53 h和95 h出现2个主要浓度峰值，浓度为别达到0.61 mg／L和0.59 mg／L。

由图2（b）可知，掘进头出水点的NH4+变化规律与5号孔相似，示踪剂投放后29 h开始接收到NH4+，浓度为0.28 mg／L，在示踪剂投放21 h、53 h和75 h出现3个主要浓度峰值，浓度分别达到0.42 mg／L、0.40 mg／L和0.41 mg／L。

由图2（c）可知，62号孔NH4+背景值较低，在0.1 mg／L以下，示踪剂投放24 h后开始接收到NH4+，浓度为0.12 mg／L，随后经过了5次主要峰值变化，浓度从0.15 mg／L到0.36 mg／L不等。

由图2（d）可知，26号孔在示踪剂投放11 h后浓度开始变化，浓度为0.27 mg／L，随后经过了多次主要峰值变化，其中53 h和111 h处浓度均达到最大值0.46 mg／g。

由图2（e）可知，57号孔在示踪剂投放13 h后接收到NH4+，浓度为0.27 mg／L，随后在53 h处浓度均达到最大值0.39 mg／L。

由图2（f）可知，3号孔在示踪剂投放21 h后接收到NH4+，浓度为0.33 mg／L，随后在32 h时和95 h出现2个主要浓度峰值，浓度分别达到0.43 mg／L和0.41 mg／L。

图2 放水孔NH 4+浓度随时间变化过程曲线

由图3（a）可知，5号孔在示踪剂投放后21 h开始检测到NO3-浓度变化，浓度为0.02 mg／L，随后在35 h后达到峰值，浓度为0.7 mg／L。

由图3（b）可知，掘进头在示踪剂投放后的前29 h内均小于0.06 mg／L，在53 h时达到最大值1.1 mg／L。

由图3（c）可知，62号孔初始NO3-浓度在0.06 mg／L内，24 h后开始接收到投放的示踪离子，在随后的36 h浓度达到最大为0.47 mg／L。

由图3（d）可知，26号孔到示踪剂投放85 h后才检测到浓度变化，在157 h时达到峰值0.7 mg／L。

3.2 地下水流速估算

示踪剂在孔隙中和裂隙中的运动以弥散方式进行，当地下水为静止时示踪剂投入后向注入孔四周成放射状扩散，由于地下结构不同，它的扩散速度是不均匀的。当地下水沿一定的通道或孔隙、裂隙呈显著运动时，示踪剂就在水的运动方向上以机械弥散为主，这时示踪剂的弥散速度要比它在静止水中的弥散速度快得多。根据示踪剂在水中的迁移时间及迁移路径即可计算出地下水的实际流速。以投样点到接收点的平面距离作为示踪剂运移距离，根据示踪剂的运移时间可得到示踪剂的流速，计算地下水从投样孔到取样点的等效流速。

经计算，奧灰观测孔D4投样的NH4+示踪剂，到达5号孔的速度约为89.7 m／h，到达掘进头孔的速度约为114.3 m／h，到达62号孔的速度约为94.3 m／h，到达26号孔的速度约为71.5 m／h，到达57号孔的速度约为61.7 m／h。

徐灰观测孔 WX2投样的NO3-示踪剂，到达5号孔的速度约为57.6 m／h，到达掘进头孔的速度约为19.8 m／h，到达62号孔的速度约为36.4 m／h，到达26号孔的速度约为8.6 m／h。

图3 放水孔NO3-浓度随时间变化过程曲线

4 结论

（1）地面奥灰观测孔D4与出水点之间存在着水力联系，NH4+出现的峰值与背景值相比，显示度不高并且有多点峰值出现，掘进头出水点不存在大的流速优势，D4钻孔及其附近没有形成垂向贯穿的导水通道。

（2）在徐灰观测孔 WX2投放的NO3-在出水点检测中表现出明显的峰值，初次检测到时间、峰值点和浓度衰减都很明显，井下徐灰观测孔和四五灰观测孔到达浓度峰值的时间接近，反映出该观测孔和井下出水孔之间存在着明显的水力联系，由于底部含水层经过较长时间的矿井排水已经形成连通通道，地下水的实际流速较大。

（3）11＃煤层开采既受顶部四五灰含水层水的威胁，又受底部徐奥灰含水层水的威胁，11＃煤层在掘进过程中存在突水危险，应加大对11＃煤层赋存区域水文地质条件的勘测研究，在此基础上制定防治水方案以保证11＃煤层安全生产。

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Application of water chemical tracer test in water prevention in Qiuji Coal Mine

Zhang Liwei1，Zhang Xinguo2，3，Zhang Tao2，3
（1.Shandong Energy Group Co.，Ltd.，Ji'nan，Shandong 250014，China；2.College of Natural Resources and Environmental Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao，Shandong 266590，China；3.Key Laboratory of Mine Disaster Prevention and Control of Ministry of Education，Shandong University of Science and Technology，Qingdao，Shandong 266590，China）

In order to explore hydraulic relationship between limestone aquifer of No.4 limp and No.5 limp and that of Xujiazhuang limestone and Ordovician limestone，NH4CO3and Na NO3as the tracer through has been put in the observation borehole of Xujiangzhuang limestone and Ordovician limestone in the ground，then hydrochemical tracer test has been developed.The results show that the observation borehole of Ordovician limestone has kept a hydraulic relationship with observation borehole of limestone aquifer of No.4 limp and No.5 limp，but vertical penetrating cracks have not been formed；the observation borehole of Xu limestone has kept a obviously hydraulic relationship with limestone aquifer of No.4 limp and No.5 limp，and vertical penetrating cracks have been formed.

aquifer，hydraulic connection，tracer test，analysis on concentration，Qiuji Coal Mine

TD745.2

A

张礼威 （1984-），男，山东菏泽人，工程师，2006年毕业于山东科技大学采矿工程专业，现在山东能源集团从事技术管理工作。

（责任编辑 张艳华）