矿井出水水源判别的综合方法

刘 基

(中煤科工集团西安研究院，陕西西安710054)

近年来，煤矿水害成为国内国外矿井工作者和防治水人员越来越重视的课题。煤矿水害不仅影响煤矿施工的进度，更甚者造成淹井事故，造成生命和财产的双重损失。因此矿井一旦发生突水，如何快速判别出突水水源[1][2][3]，制定相应的措施成为目前防治水工作人员最关心的问题。

1 矿井水文地质条件

母杜柴登煤矿位于鄂尔多斯市乌审旗呼吉尔特矿区东南部，南北最长约10.23 km，东西最宽约7.86 km，面积约59.59 km2，设计生产能力6.0 Mt/a。根据前期勘探资料和巷道掘进阶段实际揭露的水文地质情况，开采3－1煤的直接充水水源为3－1煤顶板砂岩含水层和通过导水裂缝带沟通的2－2中煤顶板砂岩含水层。3－1煤层顶板砂岩含水层富水性相对较弱，但分布不均匀，局部有冲刷带。3－1煤顶板以上25米左右为2－2中煤，2－2中煤顶板砂岩含水层富水性较强，主、副、风井附近2－2中煤顶板砂岩探水孔最大出水量分别为120m3/h、50m3/h和80m3/h，水压为6 MPa，且不易疏降。因此，2－2中煤顶板的砂岩含水层水为主要的探放水和设防对象，需要预防垂向导水构造、集中裂隙带、封闭不良钻孔等导水通道将此含水层水导入采掘空间。

2 井下出水情况

母杜柴登在巷道掘进阶段采用千米钻机进行超前探，在联巷3－1煤顶板施工一长距离钻孔时出现涌水情况。该孔钻进至186m时涌水量为6.5m3/h，钻进至258m时涌水量为24m3/h，钻进至264m时涌水量迅速增大为42m3/h，随着进尺的加深，涌水量逐渐增大，钻进至564m涌水量为59m3/h，拔出钻杆后，涌水量为220m3/h，水压为3.78 MPa。具体涌水量曲线见图1。根据出水情况，矿方怀疑钻孔出水层位是否与2－2中煤顶板砂岩含水层沟通，为此急需判别出水水源。

图1 涌水量变化曲线示意图

3 水质分析

为了快速判别出水水源，共收集了3－1顶板砂岩含水层水样2个，2－2中煤顶板砂岩含水层水样2个，分别与本次出水水质进行详细的对比，见表1。

通过对比发现，3－1煤顶板砂岩含水层Na+浓度均在800 mg/L以上，Ca2+浓度均在200 mg/L以上，Mg2+浓度均在15 mg/L以上，CL_浓度均在150 mg/L以上，矿化度在3000 mg/L以上，水化学类型主要为SO4－Na;2－2中煤顶板砂岩含水层Na+浓度均在500 mg/L以下，Ca2+浓度均在40 mg/L以下，Mg2+浓度均在5 mg/L以下，CL_浓度均在100 mg/L以下，矿化度在2000 mg/L以下，水化学类型主要为SO4－Na·Ca，水质情况区别非常明显，5个水样所含特征离子浓度及其水质类型均显示该含水层地下水具有循环深度较深、径流条件较差的特征。

表1 水样资料汇总

以水中主要离子的摩尔浓度百分数绘制三角菱形水质图，将各个水样阴阳离子摩尔浓度百分含量投影到菱形图上，绘制出收集的5个水样的Piper三线图，见图2。根据样点投影到菱形图上分布区域的不同，可以直观反映出不同含水层和相同含水层水化学类型的差异[4][5][6][7]。

图2 不同含水层的Piper三线图

由图可知前期收集的3－1煤层的2个水样和本次收集的水样基本在一个区域内(黑色点)，与2－2中煤顶板水样集中在3－1煤顶板水的下方。

综上，本次钻孔出水水质监测指标及Piper三线图特征均符合3－1顶板砂岩含水层的特征。因此初步判断该出水层位为3－1煤顶板砂岩含水层。

4 简易放水试验及水压分析

本次钻孔退出钻杆后，关闭阀门，测量水压为3.78 MPa。然后开阀进行简易放水试验[8][9][10]，观测钻孔水量衰减情况。水量衰减曲线见图3。

图3 涌水量衰减变化曲线示意图

从图3可以看出，钻孔水量衰减很明显，由初期的200m3/h迅速降至50m3/h，可疏性较好，与前期积累的2－2中煤顶板含水层可疏性不佳不相符合，加之钻孔初期水压为3.78 MPa，与2－2中煤顶板水压6 MPa相差较大，由此可以初步判断钻孔出水层位与2－2中煤顶板砂岩含水层无明显的水力联系。

综上所述，此次出水水源为3－1煤顶板砂岩含水层，与2－2中煤顶板砂岩含水层无明显的水力联系。

5 结论及建议

(1)根据对比母杜柴登钻孔出水点与3－1煤顶板砂岩含水层和2－2中煤顶板砂岩含水层的水质特征，基本可以判断钻孔出水层位为3－1煤顶板砂岩含水层，与2－2中煤顶板砂岩含水层无明显的水力联系，为矿井安全掘进及制度相应的措施提供了可靠的依据。

(2)建议在今后的生产过程中不断积累矿井各含水层的水化学特征数据库，为今后快速判别出水点提供更加充分有力的依据。

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