煤矿采空区积水水源的识别研究

2021-04-09任海峰吴青海李西民严由吉

西安科技大学学报 2021年2期

任海峰，吴青海，李西民，严由吉

(1.西安科技大学安全科学与工程学院，陕西西安 710054；2.陕西黄陵二号煤矿有限公司，陕西黄陵 721307)

0 引言

随着煤田开采逐渐由浅部转向深部，采掘活动的影响范围逐渐扩大，采空区积水对矿井安全生产的影响日益凸显。采空区积水是威胁煤矿安全生产的严重水害因素，如何准确判别采空区积水的水源是预防矿井水害的关键性因素之一。水化学特征分析法、模糊综合评判法是判别采空区积水的主要方法[1-3]。

水化学特征分析法，可以判断地下水的来源，揭示不同含水层间水力联系，有助于认识区域地下水水化学特征[4-6]。QUANG等应用水化学分析，揭示了德国鲁尔地区煤矿地下水水文化学演变过程[7]。杨建通过对葫芦素煤矿各含水层的水化学特征分析，判别了该矿矿井水来源[8]。郭瑞等在大量水化学资料分析的基础上，将水化学分析与Fisher分析法结合判别水源[9]。VERMEULEN等在南非的一个煤矿采用水化学分析法分析采动是否破坏浅部含水层和较深含水层之间的水文地质屏障，从而确定了2个含水层之间潜在的导水区域[10]。ZHANG等采用水化学分析、Fisher判别分析等方法，对安徽古北煤矿突水水源进行了识别[11]。DELIA等应用水化学分析法分析了地表水、地下水和矿井水之间的关系[12]，魏大勇等运用分形理论与模糊综合评判方法对恒源矿底板突水的危险区域进行分区与预测[13]。GUAN等应用模糊综合评价法和聚类分析法，对内蒙古民东一矿的突水水源进行了识别[14]。姬亚东基于聚类分析的模糊综合评判法，对顶板涌水区进行了划分[15]。李凤莲等为了提高水源判别准确率，提出一种改进的模糊综合评判模型[16]。张红梅等针对卧龙湖煤矿砂岩裂隙含水层水文地质条件，采用模糊聚类综合评判方法对该含水层富水性进行了综合评判[17]。代革联等采用水质分析对比和系统聚类分析相结合的方法，判别了象山煤矿280排矸石门突水的水源[18]。

水化学特征分析法、模糊综合评判法具有各自的优点，但是，水化学特征分析法受水文地质条件的干扰较大，模糊综合评判法中样本选取、权重系数确定对判定结果影响较大。单一分析法难以顾全各种影响因素，为了更加准确判别采空区积水水源，本研究立足于将模糊综合评判方法和水化学特征分析方法有机结合起来，以陕西黄陵二号煤矿为例，综合判别采空区积水的水源。

1 水文地质特征及水样特征

1.1 水文地质特征

黄陵二号煤矿地处陕北黄土高原南部，属于黄陇侏罗系煤田，位于鄂尔多斯盆地南缘。侏罗系延安组为本区含煤地层，主采煤层为2#煤层，平均厚度2.32 m，层位稳定且全区分布。开采方式为单水平、分盘区开采。地层总体倾向北西，地层倾角小于5°。

按岩性组合及含水层水力性质埋藏条件等，该区含水层自上而下主要有：地表水、第四系、白垩系、侏罗系。第四系松散层含水层岩性为细砂，属弱-极弱富水的含水层。白垩系洛河组含水层岩性以砂岩为主，富水性属中等-强。侏罗系自上而下分为侏罗系直罗组、侏罗系延安组，富水性为弱-极弱。

1.2 水样采集与特征分析

表1 水样水质特征Table 1 Water quality characteristics of water samples

2 模糊综合评判法判别水源

模糊综合评判法是一种基于模糊数学的综合评判方法，该方法根据模糊数学的隶属度理论把定性评判转化为定量评判，即用模糊数学对受到多种因素制约的事物或对象做出一个总体的评判[19-20]。

表2 水样水质特征均值Table 2 Mean value of water quality characteristics of water samples

2.1 建立权重模糊矩阵

(1)

式中ei为权重向量；xi为采空区积水样中第i个因素指标实测值；ai为对应的第i个因素指标在3个已知含水层中的平均值。依据以上公式并以16号采空区水样为例得出E1={0.10，0.05，0.22，0.06，0.09，0.48}。

2.2 确定隶属度函数

依据已知信息，采用专家推理法，确定隶属度函数为梯形模糊分布函数。以16号水样中的Ca2+为例进行计算，其隶属度函数r采用降半阶梯型分布函数。

(2)

2.3 模糊矩阵复合运算

通过模糊矩阵复合运算得到16号水样的综合评判结果为

B1=E1R1=(0.03，0.24，0.72)

同理分别求出17、18号采空区积水水样的权重模糊矩阵E2和E3以及模糊评价矩阵R2和R3，得出综合评判结果B2和B3。16、17、18号采空区积水水样的评判结果见表3。

2.4 评判结果

评判结果B1中0.72>0.24>0.03，其中0.03、0.24、0.72分别代表白垩系洛河组、侏罗系直罗组、侏罗系延安组水样对于采空区水样的隶属度，依据最大隶属度原则分析得出：16号水样来源为侏罗系延安组。同理分析B2和B3可得17号、18号水样来源均为侏罗系延安组，即采空区积水来自侏罗系延安组。各计算结果表明侏罗系延安组水样的隶属度最大，而侏罗系直罗组次之。但侏罗系直罗组水是否作为采空区积水来源之一，模糊综合评判法因模糊性的干扰无法进行有效的判别，因此下文将进行进一步的验证，并结合导水通道研究综合判别水源。

表3 模糊综合评判结果Table 3 Results of fuzzy comprehensive evaluation

3 水化学特征分析法判别水源

含水层的岩性特征、水文地质条件以及赋存环境等对地下水化学成分的形成产生重要影响[21-23]。不同含水层因围岩性质、循环条件等因素的作用，具有不同的水化学特征，通过分析各含水层的水化学特征并与采空区积水进行比较，进而判别水源[24-25]。

3.1 各含水层水化学特征分析

3.1.1 地表水水化学特征

地表水属于弱碱性水，矿化度较低。水质类型为HCO3-Mg·Ca、HCO3·SO4-Mg·Ca型水，与大气降水具有相同的水质。

3.1.2 第四系含水层水水化学特征

第四系含水层水为弱碱性，低矿化度。水化学类型为HCO3-Mg·Ca、HCO3-Na·Ca，水化学类型与地表水接近。

3.1.3 白垩系洛河组含水层水化学特征

白垩系洛河组水质总体表现为低矿化度、弱碱性、重碳酸钙型水特征。水质类型以HCO3·SO4-Na·Ca(Mg)、HCO3-Mg·Ca为主。该含水层与地表水、第四系松散层水力联系非常密切，水循环较快，可以将地表水、第四系和白垩系含水层视为一个整体的浅部含水层。

3.1.4 侏罗系直罗组含水层水化学特征

侏罗系直罗组含水层水质呈弱碱性，矿化度较高，含水层水化学类型以SO4-Na、Cl-Na为主，其水化学特征与第四系和白垩系含水层存在显著区别，说明本地区浅部含水层与深部含水层在地下水运移和水文地球化学演化等方面存在较大差异。

3.1.5 侏罗系延安组含水层水化学特征

侏罗系延安组水质呈弱碱性，水质类型为SO4-Na、Cl-Na型。延安组水的矿化度在矿区含水层中最高。长期的滞流型地下水运移和水文地球化学演化过程中，形成了高矿化度、弱碱性、硫酸钠(氯化钠)型水。

3.1.6 采空区积水水化学特征

采空区积水的水化学类型以SO4·Cl-Na、Cl·SO4-Na为主。水化学特征表明，采空区积水主要受深部含水层岩性、地下水运移、水岩作用综合影响，以及顶板水进入采空区后，与岩石垮落物发生的水岩作用，导致采空区储水形成了高矿化度、硫酸钠(氯化钠)型水，与浅部含水层(包括第四系和白垩系)存在较大差异，水质与侏罗系直罗组、侏罗系延安组接近。

3.2 采空区积水水源分析

依据表1所有水样数据，利用Aquachem软件绘制水化学背景Piper三线图和水源判别Piper三线图，如图1和图2所示。

图1 水化学背景分析Fig.1 Background analysis of hydrochemistry

图2 水源判别Fig.2 Water source discrimination

从图1可分析出地表水主要处于菱形的左侧，白垩系洛河组水和第四系水处于左中部，水质类型主要呈现出HCO3-Ca(Mg)的特点，可与地表水视为同一浅部含水层。而直罗组和延安组含水层水样处于菱形的右侧，水质类型呈现出SO4-Na型和Cl-Na型的特点。图2直观显示出采空区积水样位于菱形右端，水质类型为SO4-Na型和Cl-Na型，与侏罗系直罗组和侏罗系延安组含水层水样相似。

从两图分析可以得出：采空区积水水源来自侏罗系直罗组和延安组。采空区积水水化学特征与浅部含水层(地表水、第四系、白垩系)存在非常大的差异，与侏罗系直罗组和侏罗系延安组水化学特征相近，表明采空区积水水源以侏罗系直罗组和延安组含水层水为主。

4 导水通道判断

矿井充水分别受大气降水、地表水和地下水等因素的影响，通过以上模糊综合评判法和水化学特征分析得出，采空区积水水源与侏罗系的直罗组和延安组含水层有关，与浅部的地表水、第四系水、白垩系差异很大。这就排除了大气降水和地表水作为矿井充水的可能性。调研地质资料可知，该矿未发现落差较大的断层、岩溶陷落柱以及封闭质量不良的钻孔等。由此推断，该矿区采空区积水的主要导水通道是采空区上部的导水裂隙带。

根据《矿区水文地质工程地质勘探规范》(GB12719-91)中的冒落带、导水裂隙带最大高度经验公式计算可得，导水裂隙带最大高度为7.35～105.80 m，一般72 m。根据该矿的钻孔资料，绝大部分钻孔导水裂隙带位于侏罗系延安组，仅西南部的4个钻孔导水裂隙带发育至侏罗系直罗组下段(表4)，突破高度分别为6.30 m、6.18 m、5.17 m、6.63 m。