华蓥山龙滩矿区煤层充水条件分析

2019-12-05姚金钱

安全与环境工程 2019年6期

陈盟，吴勇，姚金钱

(1.桂林理工大学环境科学与工程学院，广西桂林541004；2.成都理工大学环境与土木工程学院，四川成都 610059；3.华蓥山煤业股份有限公司龙门峡南煤矿，四川广安 638020)

华蓥山地区是四川东部龙潭煤系的主要分布和产出地区。龙潭煤系地层与下伏或上覆岩溶含水层之间间隔薄层透水性较弱的泥岩层、构造裂隙、采煤过程开启的裂隙和陷落柱等通道以及矿井排水的再次渗漏通道之间有直接或间接的联系，构成了“水-煤”系统，采煤平硐和巷道空间系统成为岩溶水循环系统的一个环节，致使岩溶水系统发生变化。对于华蓥山地区岩溶水的研究，多集中于人类工程引起的水资源短缺[1-2]和隧道涌突水方面[3-7]，为该地区岩溶发育、岩溶水水文地质条件分析等提供了数据和理论支撑；在煤矿涌突水方面，刘光明等[8]对华蓥山龙滩矿区长兴组(P2c)岩溶含水层的地下水运动进行了分析，阐述了其补径排特征及其演化，指出该含水层与邻近含水层有较好的水力联系；向虎等[9]、雷才国等[10-11]研究了龙滩煤矿复杂水文地质条件下的涌突水问题；陈盟等[12]、Chen等[13]分析了龙门峡南煤矿区上下岩溶含水层之间的水力关系，明确了矿井突水水源点和水源，并指出二叠系长兴组(P2c)岩溶含水层为对煤矿安全生产危害最大的岩溶含水层。

本文在分析华蓥山地区岩溶含水层空间结构及其补径排条件的基础上，以龙滩矿区为典型案例，采用水化学分析、聚类分析和连通试验等方法，分析了煤层的充水条件、含水层之间的水力联系，该研究成果对华蓥山地区龙潭煤系地层开采具有重要的科学指导意义。

1 研究区地质及水文地质概况

1.1 地质概况

华蓥山中部地区分布有龙滩矿区、蔡山洞煤矿、绿水洞煤矿、龙门峡南煤矿等多个开采矿井。该地区属中亚热带湿润季风气候区，四季分明，多年平均气温为17.2℃，极端最高气温为41.5℃，极端最低气温为-3.1℃；区域内雨量充沛，年降雨量多在950～1 250 mm，多年平均降雨量为1 085.4 mm，其中7月份降雨量平均值最大(为188.07mm)，1月份降雨量平均值最小(为16.64 mm)，5～10月份降雨量占全年总降雨量的70%[12]。

龙滩矿区地处华蓥山腹部，矿区及其周边碳酸盐岩地层多呈条带状大面积分布(见图1)，其中三叠系雷口坡组(T2l)地层，岩性以白云岩、泥质白云岩为主，夹灰岩、泥质灰岩和膏盐层；三叠系嘉陵江组(T1j)地层，岩性以厚层灰岩为主，夹有白云岩、白云质灰岩及薄层钙质泥岩；三叠系飞仙关组(T1f)地层划分为5段，岩性为厚层灰岩(T1f2和T1f4)夹泥岩和泥灰岩(T1f1、T1f3和T1f5)；二叠系长兴组(P2c)地层，岩性为厚层灰岩夹薄层泥质灰岩和泥岩，呈天窗式分布；二叠系龙潭组(P2l)地层划分为5段，岩性主要由灰岩、泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、细砂岩、铝质泥岩和煤层组成，是该区域内主要的产煤层；二叠系茅口栖霞组(P1m+q)地层，岩性以灰岩或燧石结核灰岩为主。

图1 华蓥山地区龙滩煤矿矿区地质简图Fig.1 Geological map of Longtan coal mine in Huayingshan area

区内龙王洞背斜轴向贯穿南北，轴部宽缓，总体走向为NE30°，向北倾伏，向南抬升，出露的最老地层为T1f和P2c；龙王洞背斜两翼不对称，西缓东陡，西翼断层多与褶皱平行分布，岩体破碎，背斜轴部应力变化，断层多与褶皱垂直分布，岩溶发育。

1.2 水文地质概况

1.2.1 岩溶含水层及空间结构特征

根据煤层与岩溶含水层之间的位置关系和充水特征，煤层的充水含水层可以划分为包括底板P1m+q和顶板P2l岩溶含水层在内的直接充水含水层，以及包括P2c、T1f、T1j和T2l等岩溶含水层在内的间接充水含水层，见图2。

P1m+q岩溶含水层，总厚达314～347 m，平均上距K1煤层为6.76 m(3.24～13.88 m)，由南向北到矿区范围内逐渐向下隐伏，极易串通煤层底板；矿区范围是该含水层的排泄区域，补给区则主要位于矿区南部的李子垭—三百梯一线条带状露头区域；钻孔资料揭示该含水层岩溶管道、裂隙发育，富水性不均一。

P2l为一组复合岩溶含水层，灰岩平均厚度约为77.72 m，平均下距K1煤层为16.28 m，该含水层溶蚀裂隙发育，钻孔可见岩溶管道，富水性不均一。

P2c岩溶含水层仅在矿区东北侧背斜轴部出露，钻探揭露含水层平均厚度为218.06 m(含P2l5上部灰岩)，自矿区北侧向北逐渐向下隐伏，岩溶管道发育;矿区范围是该含水层的径流区域，补给区则主要位于矿区南侧的绿水洞一带，富水性极不均一，局部具强富水性，龙滩煤矿在2005年的“10·4”特大透水事故(突水点高程为553 m)的突水点位于该含水层，最大涌水量可达200 000 m3/h[14]。

T1f岩溶含水层分布广泛，其中T1f2+4为含水层，岩溶发育强烈且不均一，T1f1、T1f3和T1f5为相对隔水层；T1j含水层的平均层厚为550 m，浅部岩溶发育强烈，是区域的地下河主要发育层位，涌水量可达7.23～162.42 L/s，富水性极强。

T2l含水层距离矿区较远，浅部以裂隙或溶蚀裂隙为主，透水性较好，利于大气降水和地表水的渗透补给，在矿区南侧的李子垭煤矿矿山南二井+281 m主井2005年揭穿该含水层岩溶管道时涌水量达15 000 m3/h，在龙门峡北煤矿主平硐K0+881～K0+998进程(高程为562.11～590.87 m)揭穿T2l2含水层时涌水量也达到600～1 500 m3/h，稳定涌水量约为500 m3/h，可见该含水层浅部透水性良好。

T1j、T1f2+4和P1m+q等碳酸盐岩地层层厚质纯，顺层发育形成的溶隙组成主要储水空间，是传输地下水流的主体，地下水赋存具有强烈的不均一性；P2c和P2l等地层储水空间由构造裂隙和岩溶扩展的裂隙组成，为碳酸盐岩夹碎屑岩含水介质，富水性相差较大。

区内岩溶含水层与相对隔水层之间的空间叠置、接触及组合关系组成不同的岩溶含水层空间结构，总体呈现强-极强富水含水层与中-强富水含水层的叠置和组合，被相对隔水层间隔，形成多个相对独立的岩溶含水层空间结构(见图3)，其与岩溶水的补给、径流和排泄等因素共同控制岩溶水的径流方式和循环特征，影响岩溶水的富集。

1.2.2 岩溶水的补、径、排条件

研究区岩溶发育，尤其是垂直形态的漏斗、落水洞、竖井等岩溶个体广泛分布，大气降水可通过浅部的垂直岩溶漏斗集中补给或缓慢渗流补给岩溶水，但一般无水；向下中部岩溶发育强烈，地下水也从垂直运动向水平运动过渡，其径流表现为管道的线状富集，多近似平行于背斜轴向发育的地下溶洞管道，形成顺轴向流动的地下河径流带。区内岩溶水循环交替条件较好，含水层富水性较强，且以集中的点状(岩溶大泉、暗河等)排泄，同时受近东西向的区域地表分水岭的控制，地下水分别向东、西两个方向径流，总排泄趋势是以侵蚀基准面为准，沿岩层接触面、沿低洼地带边缘、断层线或沿褶皱转折端以地下暗河为主要排泄形式，汇入地表径流，形成地表、地下水相互补给的现象。此外，人工采动(煤矿开采)也是岩溶水的主要排泄方式。

图3 华蓥山地区龙滩煤矿矿区水文地质剖面图(据文献[13]，有改动)Fig.3 Hydrogeological cross-section of Longtan coal mine in Huayingshan area (adapted from reference[13])

2 研究方法

2.1 采样与测试

水样参数的分析误差采用阴阳离子浓度平衡法进行检测，测定误差<5%。

2.2 聚类分析

2.3 连通试验

本次连通试验投放试剂选用食盐(NaCl)，将硝酸银标准溶液和铬酸钾指示剂作为试验试剂，试验原理为：在投放点投放NaCl后，在接收点间隔一定时间(1 h和2 h)取水样，滴入铬酸钾指示剂，然后滴入硝酸银标准溶液，水样中Cl-与硝酸银反应完全之后达到平衡，持续滴加硝酸银标准溶液并过量后将与铬酸钾指示剂反应生成砖红色沉淀。将达到平衡时所消耗的硝酸银标准溶液用量作为计算水样中Cl-浓度的依据。试验时间为枯水期(11月和12月)，且为了避免试验之间相互干扰，每次试验之后间隔1周再进行下一次试验。已有研究[20]表明该方法可获得较好的效果，既能满足试验要求，又不会造成地下水污染。

3 结果与分析

3.1 不同含水层水样点的水化学特征

研究区不同含水层水样点的水化学指标分析结果见表1。

表1 研究区不同含水层水样的水化学指标分析结果Table 1 Analysis results of hydrochemical indexes of water samples from different aquifers in the study area

注：①“*”表示绿水洞煤矿位于场区南侧5 km处，采样点为采煤巷道揭露水点；②“-”表示未检出；③除pH值无量纲外，其他水化学指标单位均为mg/L。

图4 研究区水样中主要阳离子毫克当量浓度箱图Fig.4 Milliequivalent concentration box diagram of the main cations in the water sample of the study area

研究区不同含水层水样的水化学指标聚类分析树状图见图5。

图5 研究区不同含水层水样的水化学指标聚类分析树状图Fig.5 Cluster analysis tree diagram of hydrochemical indexes of water samples from different aquifers in the study area

由图5可见，Phenon线的联结距离为10，依据其相似性关系分为3个集群，即Group 1、Group 2、Group 3，分别有13个、1个和2个水样样品。

研究区各集群水化学指标平均值的统计结果见表2。

表2 研究区各集群水化学指标平均值的统计结果Table 2 Statistical results of average values of water chemical indexes in each cluster of the study area

注：①“-”表示未检出；②除pH值无量纲外，其他水化学指标的单位均为mg/L。

由表2可以看出：

(2) 集群Group 2为1个钻孔水样点(ZK1)，水化学类型为HCO3·Cl-Na·Ca型，且与集群Group 1有更短的联结距离，表明两个集群之间水文地球化学信息具有一定的相似性。

(3) 集群Group 3为2个钻孔水样点，水化学类型为Cl·HCO3-Na型。

综上可见，研究区各集群水样点的水化学过渡与分带特征明显，水化学类型呈现HCO3-Ca→HCO3·Cl-Ca·Na→Cl·HCO3-Na的过渡特征，这也与水样点水化学的垂向分带特征一致。其中，集群Group 1中水样点多为巷道揭露突水点、岩溶管道和地下河等，其径流条件好、矿化度低，以溶滤作用为主；集群Group 3中水样点为钻孔揭露的深部含水层，岩溶发育较浅部弱，赋水空间和径流通道发育较弱，其径流速度较慢、矿化度高，以浓缩作用为主；集群Group 2则展示了两者之间水化学的过渡特征，Na+与Cl-离子浓度比约5∶2，远大于1∶1，表明存在阳离子吸附交换作用。此外，在同一含水层内水样点的水化学特征亦有较大的变化(如S01水样点与P1m含水层的其他水样点、S06水样点与P2l含水层的其他水样点)，表明同一含水层之间水动力条件有所差异，也证明了含水层的不均一性。

3.2 不同含水层之间的水力关系

本次研究对研究区主平硐K4+966 m碛头茅口组(P1m)出水点(S03)与钻孔ZK1揭露茅口组(P1m)灰岩暗河出水点(下伏)和钻孔ZK3揭露龙潭组(P2l)灰岩层位(上覆)之间进行了连通试验，用来验证煤层与顶、底板直接充水含水层之间的水力关系；对+620 m进风斜井碛头(LT1，煤层上部)与+450 m回风斜井(LT2)、蔡山洞暗河(LT3)和水源头暗河(LT4)之间进行了连通试验，用来验证煤层与各间接充水含水层之间的水力关系。研究区连通试验各试验点的空间位置见图1，连通试验的结果见表3、图6和图7。

表3 研究区煤系地层与直接和间接充水含水层之间的连通试验结果Table 3 Results of tracing test between coal measures and direct water filling aquifers or indirect water filling aquifers in the study area

图6 研究区煤系地层与顶、底板直接充水含水层之间的连通试验曲线Fig.6 Curves of tracing test between coal measures and bottom and roof aquifers in the study area

由图6和表3可见，监测点测试分析结果显示钻孔ZK3与主平硐K4+966 m碛头出水点之间Cl-含量在20 h之后抬升至16.17 mg/L，保持至约36 h之后开始降低，又在8 h后迅速抬升至15.90 mg/L，表明钻孔ZK3与主平硐K4+966 m碛头出水点之间有较好的水力联系，且有较为持续的过水断面，呈现连通状态；钻孔ZK1与主平硐K4+966 m碛头出水点之间Cl-含量在32 h之后抬升至20.48 mg/L，呈现连通状态，Cl-含量出现峰值之后随之降低，且Cl-含量波动频繁，Cl-含量曲线明显呈现3次波峰，且钻孔ZK3与主平硐K4+966 m碛头出水点之间Cl-含量也同样呈现4次波峰，表明连通点之间的径流途径非单一，区内普遍发育的顺层岩溶和切层岩溶可能存在两条或多条径流通道，在过水断面和径流距离等水力联系上有所差异;从空间分布上看，区内局部存在从北向南顺轴向方向径流(钻孔ZK3至主平硐K4+966 m碛头)，汇入地下河径流带，总体呈现从轴部向西翼、从南至北的径流方向。

图7 研究区煤系地层与间接充水含水层之间的连通试验曲线Fig.7 Curves of tracing test between coal measures and indirect water filling aquifers in the study area

图7和表3可见，各监测点的Cl-含量分别在19 h、55 h和40 h之后均有不同程度的增加，依据投放点与监测点之间的直线距离，计算得出理想平均流速分别为57.89 m/h、79.09 m/h和162.50 m/h，呈现良好的连通状态；Cl-含量曲线同样出现多个波峰，表明径流途径非单一，其中LT1至LT4之间Cl-含量更是出现5个波峰，但Cl-含量波动区间较小，推测两点之间多途径汇集，过水断面大，径流速度大，以管道流为主。

上述连通试验结果表明：投放点与监测点之间均呈现不同程度的连通状态，这也验证了前文聚类分析中各钻孔、巷道、岩溶暗河等水样点水化学组分之间的关系。前人研究表明[8-14]，长兴组(P2c)岩溶含水层是华蓥山地区龙滩矿区煤层开采突水事故的主要水源含水层，井硐、巷道多置于或穿越该含水层。本次连通试验结果也表明龙滩矿区内上下含水层之间具有紧密的水力联系，煤层上下含水层多有连通，通过裂隙、管道和人工巷道等产生水力联系，地下水径流并汇集至线状富集的管道，并最终向顺轴向流动的地下河径流带汇流，见图8。另外，龙滩矿区范围为P1m含水层的排泄区，以越流排泄为主，直接威胁煤层开采，是矿井突水的潜在水源，而研究区含水层之间岩溶裂隙、管道及水力的上下贯通，为P1m岩溶水的越流和P2c岩溶水的径流提供了导水通道。