利用水化学特征识别朱庄煤矿突水水源

朱乐章

(淮北矿业股份有限公司孙疃煤矿，安徽省淮北市，235121)

矿井突水作为煤矿五大灾害之一，关系着井下作业人员的生命安全，制约着矿井的发展。我国东部矿井浅层煤炭资源逐渐枯竭，随着开采深度的增加，受煤层底板隐伏垂向导水通道威胁，矿井突水的隐患也不断加大。目前，突水水源识别方法包括常规水化学分析法、水质模型法、微量元素法、环境同位素法、地下水动态观测法等。通过研究区域地下水补给、径流、排泄规律，结合水文地质条件，分析水化学特征成为一种快速判别突水水源的方法。

朱庄煤矿现主采5#煤层与6#煤层，砂岩含水层、灰岩含水层均可能成为煤层出水的水源，矿区垂向导水构造发育，因此面对矿井突水需及时判定突水水源，通过采集各含水层水样进行水质分析，结合Gibbs图、Piper图、舒卡列夫分类，快速判定不同类型的矿井突水水源，为下一步突水治理提供参考依据。

1 主采煤层概况

朱庄煤矿位于安徽省淮北市属闸河矿区，井田主要含煤地层为二叠系山西组和下石盒子组，矿井含煤7层，其中可采煤层4层，分别为3#、4#、5#、6#煤层，其中4#、5#、6#煤层为矿井主要可采煤层。

5#煤层厚度为0.1～6.37 m，平均厚度为2.44 m。煤层结构简单，局部可见1～2层夹矸，顶板多为灰色泥岩及粉砂岩，含植物叶片化石，次为砂岩，底板多为深灰色泥岩，粗粒砂岩。

6#煤层位于山西组中下部、太原组顶部第一层石灰岩之上50 m左右，与5#煤层间距55～80 m。煤层厚度为0～6.75 m，平均煤厚2.51 m。与煤层顶直接接触常有0.5～1.0 m的炭质泥岩和煤线，俗称伪顶，向上多为灰黑色粉砂岩或泥岩，与伪顶组成6#煤层的复合顶板。

2 主要充水含水层概况

(1)下石盒子组5#煤层底板砂岩裂隙含水层。该含水层底板埋深245.90～764.70 m，平均埋深410.60 m；砂岩厚度1.4～37.10 m，平均厚度21.50 m。岩性以中、细粒砂岩为主。砂岩裂隙不发育，具有不均一性。含水层(段)以5#煤层底板以下的粗粒砂岩为主。该含水层地下水处于封闭～半封闭环境，以储存量为主，是开采5#煤层直接充水含水层，对5#煤层的开采影响较大。该含水层(段)的突水通道主要为采动裂隙。

(2)山西组6#煤层顶、底板砂岩裂隙含水层。该含水层底板埋深303.71～807.61 m，平均埋深504.40 m；砂岩厚度2.29～50.22 m，平均厚度22.60 m。岩性以浅灰～深灰色夹少量灰绿色中、细砂岩、岩浆岩为主，夹灰色粉砂岩及泥岩。砂岩裂隙不发育，具有不均一性。受矿井排水的影响，地下水呈承压～无压，其水位逐年下降，变化较大，水位变化范围为-150～-250 m。该含水层地下水处于封闭～半封闭环境，以储存量为主，具有补给量不足、以静储量为主的特征。该含水层是6#煤层开采时直接充水含水层，对6#煤层的开采影响较大，特别是对深部巷道的掘进影响更大。根据井下突水点资料，该层突水多发生于6#煤层底板。

(3)太原组石灰岩岩溶裂隙含水层。上段一灰～四灰层含水层是6#煤层开采的主要充水含水层，也是6#煤层开采时防治水的主要对象。根据钻探资料及矿井开采水文地质资料分析，灰岩内溶洞及溶蚀裂隙发育，已经发现该段有0.6 m的溶洞。相比较三灰、四灰岩溶发育程度高于一灰、二灰。横向上存在岩溶发育带，造成区内富水性极不均一。中下段中的五灰～十二灰灰埋藏较深，岩溶裂隙不太发育，水动力条件相对较差，距主采煤层较远，为间接含水层段。太灰岩溶裂隙发育不均一，富水性差异较大，但总的来看，太灰含水层富水性较强，是6#煤层安全生产的重大隐患。2001—2011年矿井共发生过3次6#煤层底板太灰突水，都是由于断层沟通太灰含水层引起的。

(4)奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层。该层总厚度大于500 m。该层含水层岩溶裂隙发育十分不均，一般浅部岩溶裂隙发育，向深部逐渐减弱。奥灰水位平均标高为10.91 m。奥灰含水层在矿区范围内为埋藏型，在本矿东部为裸露型。该含水层(段)因距6#煤层200 m以上，一般情况下6#煤层开采时对矿井无突水威胁，但由于朱庄矿区导水构造断裂发育，导致奥灰水与太灰水的沟通，因而不排除在断层或岩溶陷落柱沟通情况下发生突水的可能性。奥灰厚度较大，浅部岩溶裂发育，富水性强。具有水压高、水量大的特征，是矿井安全生产的重要隐患之一。

3 主要含水层水化学特征

3.1 5#煤层底板砂岩含水层

5#煤层底板砂岩含水层是5#煤层底板的直接充水水源，选取5#煤层底板砂岩水样进行水质分析，主要离子含量见表1。由表1可以看出，阳离子以Na+为主，Na+含量150.40～667.25 mg/l；阴离子以 HCO3-为主，HCO3-含量440.15～1110.45 mg/l。

3.2 6#煤层顶、底板砂岩含水层

6#煤层顶、底板砂岩含水层是6#煤层开采的直接充水水源，分别选取6#煤层顶、底煤底板砂岩水样进行水质分析，主要离子含量见表2。由表2可以看出，阳离子以Na+为主，Na+含量208.44～256.77 mg/l；阴离子以 HCO3-为主，HCO3-含量433.76～546.54 mg/l。

表1 5#煤层底板砂岩主要离子含量

表2 6#煤层顶底板砂岩水主要离子含量

3.3 6#煤层底板灰岩含水层

6#煤层底板灰岩含水层也是6#煤层底板的直接充水水源，选取6#煤层底灰岩水样进行水质分析，主要离子含量见表3。由表3可以看出，阳离子以Ca2+、Mg2+为主，Ca2+含量51.60～98.25 mg/l, Mg2+含量24.93～ 32.77 mg/l；阴离子以 HCO3-为主，HCO3-含量312.60～367.05 mg/l。

3.4 不同含水层主要离子含量对比

对比分析可知，导致5#煤层、6#煤层出水的不同含水层主要离子含量平均值见表4。

从离子组成上分析，5#煤层底板砂岩含水层阳离子以Na+为主，阴离子以HCO3-为主，SO42-次之；6#煤层顶底板砂岩含水层阳离子以Na+为主，阴离子以HCO3-为主；相比较而言，5#煤层、6#煤层砂岩含水层具有相似的离子组成；6#煤层底板灰岩含水层阳离子以Ca2+、Mg2+离子为主，阴离子以HCO3-为主。

另外，6#煤层底板灰岩水的硬度平均值为296.34德国度，远远高于5#煤层砂岩水的57.08德国度与6#煤层砂岩水的10.06德国度；6#煤层底板灰岩水的TDS平均值为385.07 mg/l，小于5#煤层砂岩水的921.79 mg/l与6#煤层砂岩水的569.66 mg/l。

由此可见，可以将离子含量结合硬度与TDS作为判别煤层出水不同水源的依据。

表3 6#煤层底板灰岩水主要离子含量

表4 不同含水层离子平均含量

4 煤层出水水源判别方法研究

4.1 利用主要离子识别突水水源

通过对5#煤层、6#煤层不同含水层进行水质分析，得到主要离子含量，并得到水化学样品的毫克当量百分比，见图1。由表4与图1可以得出，5#煤层顶板和6#煤层顶底板砂岩含水层Na+超过80%，而6#煤层底板灰岩含水层Ca2++Mg2+的毫克当量百分比超过80%；砂岩含水层水化学类型以HCO3-Na型水为主，而灰岩含水层以HCO3-Ca-Mg型水为主；因此，可以将主要离子的毫克当量百分比作为矿井突水水源识别的依据。

图1 各含水层主要离子含量图

4.2 Piper三线图识别突水水源

将不同含水层各样品投点至Piper图上，如图2所示。可以看出，从阴离子方面较难区分山岩含水层与灰岩含水层，但从阳离子方面可以看到，砂岩含水层位于阳离子三角形右下方，而灰岩含水层位于左中方；在菱形图上可以看出，砂岩含水层位于菱形的下方，该区域以Na++K+以及HCO3-+CO32-为主，而灰岩含水层位于菱形的左中部，该区域以Ca2++Mg2+以及HCO3-+CO32-为主。因此，通过Piper图可以直观地反应水源类型。

图2 各含水层Piper图

4.3 Gibbs图识别突水水源

1970年Gibbs通过将水体中Na+/(Na++Ca2+)的毫克当量比值(无量纲)作为横轴，TDS(mg/l)作为纵轴设计了一种半对数坐标图，该图被用于解释河水中水化学的影响因素，即岩石风化影响、蒸发影响以及降水因素，通过应用Gibbs图可以分析河水中的离子起源和地下水中水体的影响因素。将各含水层的水化学样品数据投到Gibbs图上，如图3所示。

图3 各含水层Gibbs图

由图3可以看出，各含水层大部分水样投点位于中部的岩石风化影响区，但是5#煤层底板砂岩含水层与6#煤层顶底板砂岩含水层位于Gibbs图的中后部，而6#煤层底板灰岩含水层位于Gibbs图的中前部。因此，根据水化学样品在Gibbs图中不同的投点区域，也可以识别水源类型。

5 结论

(1)砂岩含水层Na+毫克当量百分比超过80%，水化学类型以HCO3-Na型水为主；灰岩含水层Ca2++Mg2+毫克当量百分比超过80%，灰岩含水层以HCO3-Ca-Mg型水为主。因此可以根据毫克当量百分比的差异与水化学类型的不同进行煤层出水水源识别。

(2)砂岩含水层位于Piper图阳离子三角形的右下方，菱形的下方；而灰岩含水层位于阳离子三角形和菱形的左中部，因此可以通过Piper图分辨水源类型。

(3)砂岩含水层水样一般位于Gibbs图中后部，而灰岩含水层一般位于Gibbs图中前部，因此通过Gibbs图可以直观识别出水水源。

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