基于同位素方法的矿井突水水源定量分析研究

薛建坤

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

矿井突水是威胁矿井安全生产的主要问题之一，一旦发生突水，将会造成巨大的人员伤亡与经济损失。准确地识别突水水源是水害防治和矿井水防治发展中亟待解决的关键问题之一[1-4]。目前，识别突水水源的主要方法有地质分析法、水动力分析法、水化学分析法、水温度分析法以及地球物理勘探法。在众多识别突水水源的方法中，水化学特征及同位素分析方法应用较广。刘剑民[5]、许延春[6]等利用模糊综合评价法对矿井突水水源进行了识别；郝彬彬[7]、王震[8]等利用灰色理论法建立了突水水源识别模型；王心义[9]、周健[10]等利用距离判别法识别了矿井突水水源。武强院士等[11]使用层次分析法对煤矿突水水源进行了识别。潘国营[12]、胡伟伟[13]、许蓬[14]等分别利用环境同位素方法识别了矿井突水水源，这些方法大大推动了矿井防治水理论的发展，但是仍存在着一定的缺陷，如模糊综合评价法存在着隶属度和权重难以确定，进而影响判断结果；灰色理论法的准确性有待进一步提高；距离判别法将所有的判别变量都看成同等重要，可能夸大或忽略了某些变量的作用；层次分析法在指标和数据统计量过大时，其权重难以确定[4]。另外，随着煤矿开采深度的逐渐增加，地下水混合程度逐渐增强，多类水源组分参与了混合作用，导致地下水水质组分过渡类型增多。因此，在实际工作中，时常发现难以界定各水源特征型水质阈值，也就无从对涌水的来源作出正确判断[15]。本文根据山西龙泉煤矿水化学资料，对比分析了不同水体的水化学、同位素指标，利用同位素方法定量分析工作面突水水源，可为矿井突水水源定量分析提供一定的借鉴。

1 研究区概况

1.1 水文地质概况

井田位于宁武煤田东南缘，四周均为人为边界。含煤地层为石炭二叠系地层，属于典型的华北型煤田沉积建造环境。主采4号煤层埋深600m，厚6.47m。

井田主要含水层为第四系孔隙含水层、山西组砂岩裂隙含水层、太原组石灰岩砂岩裂隙含水层、奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层，水文地质柱状图如图1所示。其中第四系、山西组含水层富水性弱；太原组含水层q=0.0051～0.0094L/(s·m)，富水性整体弱；奥灰含水层q=0.02～0.31L/(s·m)，富水性弱～中等，局部较强，富水性不均一。主要隔水层为本溪组隔水层，厚26.6m，隔水性能良好。

图1 水文地质柱状图

1.2 01工作面突水概况

01工作面为采区首采工作面，在回采过程中工作面涌水量逐渐增大，初始涌水量100 ～130m3/h，主要为探放水钻孔出水，回采至128m初次来压，工作面涌水量增至450m3/h，工作面出水位置如图2所示，由涌水量监测结果可以看出工作面推进60m之前涌水较稳定，60m之后随着工作面推进涌水量呈线性增加，至128m水量达到峰值。

图2 01工作面出水点位置

1.3 01工作面构造

01工作面倾角5°，为仰采开采。工作面回采前进行了槽波及音频电透勘探，勘探结果如图3所示，结果显示，工作面底板下0～80m探测出两处富水异常区，切眼附近探测出数条小型断层，断层落差0～4m，断层带与1号富水异常区重合，工作面突水点即位于该区内。

图3 01工作面槽波及音频电透成果

2 水化学特征分析

2.1 矿化度分析

各水体矿化度直方图如图4所示，由图4可知，地表水的矿化度为400～595mg/L，平均524.33mg/L，奥灰水的矿化度为347.55～565.21mg/L，平均441.72mg/L；太灰水的矿化度为359～598mg/L，平均471.20mg/L；太灰、奥灰混合水的矿化度为542～550mg/L，平均546mg/L，01工作面突水矿化度为528mg/L。

图4 各水体矿化度

2.2 水质类型分析

图5 各水体水质分析piper图

图6 各水体水质分析Durov图

2.3 特征离子分析

图7 突水与混合水水质分析schoeller图

图8 各水体分析scatter图

3 同位素分析

环境同位素作为天然示踪剂“标记”着天然水和地下水的形成过程，因此研究它们在各水体中的分布规律就有可能直接获得地下水形成和运动过程的信息。将研究区各水体环境同位素δD、δ18O值投到雨水线图上，如图9所示，水样点距全国降雨等值线图均较近，反映出不同时间大气降雨渗入含水层充分混合后的δD、δ18O值仍然符合雨水线的线性关系，说明各水体与大气降雨关系密切，大气降水为含水层水的补给来源；就深度与δ(D)关系，井田各类型水体基本遵循随深度增加δ(D)缓慢递减趋势。其中地表水、太灰水、奥灰水、混合水、01面突水δD分别为-61.09‰、-70‰、-82.38‰、-72.98‰、-73.35‰；δ18O分别为-9.1‰、-10.44‰、-13.94‰、-12.04‰、-12.33‰。01面突水与太灰、奥灰混合水δD、δ18O值相差仅为0.37‰、0.29‰，与其他水体相差较大。

图9 各水体δD—δ18O关系图

4 同位素定量分析01工作面突水水源

综合分析各水体水化学、同位素特征，01工作面突水水源为太灰、奥灰混合水。

根据截然不同的两种地下水之间混合的定量研究，为分析矿井突水来源，可利用δ(D)或δ(O)及其简单的线性代数来确定矿井出水点太灰水A和奥灰水B混合后太灰水A所占的比例[16]。

以δ(O)为标识参数，对01工作面突水的组成进行分割，求取突水点水源A与B所占比例，根据公式：

δ=λAδA+(1-λA)δB

式中，δ为01工作面突水的δ(O)值，取-12.33‰；δA为太灰水的δ(O)值，取-10.44‰；δB为奥灰水的δ(O)值，取-13.94‰；λA为太灰水A所占的比例，%。

由以上公式计算结果可知：太灰水占工作面突水来源的46%，而奥灰水占54%。

5 结 论

1)研究区工作面突水点与太灰、奥灰混合水矿化度、水质类型、特征离子接近，与其余水源差异较大。

2)研究区各水体与大气降雨关系密切，大气降水为含水层水的补给来源，工作面面突水与太灰、奥灰混合水δD、δ18O值相差仅为0.37‰、0.29‰，与其他水体相差较大。

3)利用同位素分析法，判定工作面突水水源为太灰、奥灰混合水，其中太灰水占46%，而奥灰水占54%。