示踪试验在煤层顶底板充水含水层水力联系探查中的应用

穆鹏飞

(1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西省西安市，710054；2.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西省西安市，710177)

长平井田位于山西省沁水煤田南部矿区，随着井田山西组煤炭资源的开采，矿井开拓逐步进入太原组下组煤15#煤层的开采。该煤层直接顶板为K2灰岩岩溶裂隙含水层，底板为奥陶系灰岩岩溶裂隙承压含水层。其中K2灰岩平均厚度约10 m，单位涌水量为0.0009～0.0156 L/(s·m)，渗透系数为0.0026～0.0486 m/d，属弱富水性含水层，而奥陶系灰岩岩溶裂隙承压含水层，单位涌水量为0.0009～0.0156 L/(s·m)，渗透系数为0.0026～0.0486 m/d，属于弱～强富水含水层。

井田内勘探及采掘揭露发育断层390条，以层间正断层为主，落差在30 m以上的断层4条，落差10～30 m的36条，落差3～10 m的165条，落差3 m以下的185条；发育岩溶陷落柱256个，其中实际揭露69个，由于构造的发育导致了K2灰岩与奥陶系灰岩含水层可能存在水力联系，威胁矿井安全生产。因而查清含水层间的水力联系及补给强度成为井田15#煤层顶板防治水重要问题。

探查含水层间水力联系一般可采取联合抽(放)水试验和化学示踪试验，但联合抽(放)水试验周期较长，抽(放)水量往往较大，额外增加较多工作量；而化学示踪试验是在矿区煤层充水含水层地下水流系统的某个层位投放易于溶解水，又能随地下水流运移的示踪微量离子，在矿区地下水流预计可到达区域或者层位，进行微量离子的接收检测，根据检测结果，分析研究投放点与接收点之间水力关系，即微量离子投放含水层或接收含水层之间地下水是否存在水力关系以及地下水水流方向等。

2 试验准备

示踪试验选择碘化钾、氟化钠和氯化铵3种示踪剂，其中碘、氟和铵等离子均为微量离子，在自然界含水层中背景值较低，是较为灵敏的示踪离子，能形成较大的检出峰值。在示踪试验之前，取得试验含水层微量离子的背景值，示踪剂在投放前用1 m3的容器进行水溶解，然后将试剂溶液注入投放孔，进入目标含水层地下水。

为了探查K2灰岩与奥陶系灰岩含水层之间的水力联系，示踪试验分别选择奥灰峰峰组长观孔、上马家沟组长观孔、峰峰组和上马家沟组混合长观孔、太原组K2灰岩长观孔等7个水文长观孔作为微量离子示踪剂的投放和检测孔进行试验，试验于2016年10月17日进行，分别在9∶00、13∶00、14∶00开始投放，投放孔C2孔、C3孔、C4孔全部为奥陶系灰岩含水层长观孔，投放示踪剂为碘化钾、氟化钠、氯化铵，用时1 h将试剂溶液投放于含水层；接收检测孔C5孔、FF1孔、FS1孔为奥陶系灰岩含水层长观孔，K2孔为石炭系太原组K2灰岩含水层长观孔。试验前测得接受检测孔含水层微量离子的背景值：C5孔碘离子、氟离子、铵离子的背景值分别为0.002 mg/L、1.009 mg/L、0.043 mg/L；FF1孔碘离子、氟离子、铵离子的背景值分别为0.002 mg/L、0.973 mg/L、0.484 mg/L；FS1孔碘离子、氟离子、铵离子的背景值分别为0.001 mg/L、0.977 mg/L、0.064 mg/L；K2孔碘离子、氟离子、铵离子的背景值分别为0.004 mg/L、3.359 mg/L、1.041 mg/L。检测孔取样频次为投放孔化学示踪剂溶液投放后每小时取水样一次，示踪试验总历时15 d。各水文孔参数统计情况见表1。

表1 水文孔参数统计表

3 检测方式

将检测孔所取水样送到移动水化学快速检测仪器车，采用离子选择电极法检测水样中的微量离子。在检测碘、氟、铵等微量离子时，需要在水样中加入适量的离子强度调节剂，用对应的离子选择电极对示踪离子进行测试，在搅拌动态条件下测量由参比电极和选择电极组成的电池电位值，并且在测量期间保持一定的平衡时间，待电位稳定后进行读数，根据所使用的电极测定标准溶液的电位值绘制标准浓度曲线，使用同样的步骤进行检测孔水样的测定，并在标准浓度曲线上获得其电位值所对应的微量离子浓度，根据检测数据及时绘制微量离子浓度变化曲线，碘离子、氟离子和铵离子的标准工作曲线如图1所示。

图1 碘离子、氟离子和铵离子的标准工作曲线

4 试验过程

根据C5、K2、FS1检测孔水样检测数据绘制碘微量离子浓度历时曲线，如图2所示。K2孔碘离子的浓度背景值为0.004 mg/L，于10月19日10：00开始接收到碘离子示踪剂，离子浓度为2.465 mg/L，离子浓度变化趋势较明显，并于10月21日19：00获得峰值离子浓度为41.303 mg/L，随后离子浓度于10月24日22：00降至4.005 mg/L，并随着时间的推移，碘离子浓度接近背景值，趋于稳定；C5和FS1检测孔水样在整个示踪试验过程中，碘离子浓度均在0.001～0.003 mg/L之间，接近于背景值附近，无明显变化。

图2 C5、K2、FS1检测孔水样检测数据绘制碘微量离子浓度历时曲线

根据FF1检测孔水样检测数据绘制碘微量离子浓度历时曲线，如图3所示。FF1孔碘离子的浓度背景值为0.002 mg/L，于10月19日7:00开始接收到碘离子示踪剂，离子浓度为0.156 mg/L，随着时间离子浓度变化趋势较明显，并于10月22日16:00获得峰值离子浓度为0.822 mg/L，随后碘离子浓度于10月26日7:00降至0.207 mg/L，并随着时间的推移，碘离子浓度降至背景值附近，趋于稳定。

图3 FF1检测孔水样碘离子浓度历时曲线图

C5、FF1、K2、FS1检测孔的氟离子和铵离子在整个示踪试验过程中，离子浓度均在背景值附近，未有明显变化。氟离子浓度历时曲线图见图4，铵离子浓度历时曲线图见图5。

5 结果分析

示踪试验开始前测得K2孔碘离子的浓度背景值为0.004 mg/L，整个试验过程中K2孔出现峰值离子浓度为41.303 mg/L，随后随着时间的推移，碘离子浓度接近背景值，趋于稳定。试验表明C2孔奥陶系灰岩含水层与K2孔太原组K2灰岩含水层地下水之间存在一定的示踪关系，推测化学示踪剂通过奥陶系峰峰组灰岩含水层以及局部构造相互连通、进而导通至K2灰岩含水层的可能性较大，从而说明井田煤层顶板K2灰岩与奥陶系灰岩含水层之间存在一定的水力联系，但从示踪剂各微量离子变化浓度曲线变化值反应的信息来看，不存在集中的波峰区域，15#煤层顶板K2灰岩与奥陶系峰峰组灰岩含水层地下水之间水力联系较弱，因此，随着15#煤层的开采顶板K2灰岩水对矿井威胁较小。

图4 氟离子浓度历时曲线图

图5 铵离子浓度历时曲线图