基于水化学和氢氧同位素特征的小屯煤矿充水条件研究
2021-07-26南生辉刘英锋周天威张光明
樊 娟，南生辉，刘英锋，周天威，张光明
(1.西安科技大学地质与环境学院,陕西 西安 710054；2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077；3.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安 710077；4.武汉中地环科水工环科技咨询有限责任公司，湖北 武汉 430073；5.贵州大方煤业有限公司小屯煤矿，贵州 大方 551600)
我国黔北地区煤矿以二叠系煤层开采为主，其顶板多见二叠系长兴组灰岩等，矿区内煤矿受构造抬升、河流切割等原因的影响多数位于当地最低侵蚀基准面以上，其地形条件有利于矿井排水，矿井水文地质条件相对简单，但同时因为地下水循环交替迅速，上覆岩溶强径流带或断层带容易形成地下水径流的集中或优先通道，开采过程中形成的采动裂隙、陷落柱等也可能构成充水通道，使矿井面临着更大的防排水压力和严重水害威胁的可能，致使矿区内煤矿水害事故频发。
掌握水文地质条件、分析矿井充水因素是煤矿防治水工作的基础和前提。水文地球化学和同位素分析等方法因其具有快速、准确、经济等优点，在判断矿井突水水源方面得到了广泛的运用，可为矿井涌水量预测、水害防治提供依据。水化学和氢氧同位素方法主要包括特征离子和离子比值比较法、多元统计方法、数学判别模型法等。本文以小屯煤矿为例，在水文地质调查的基础上，划分了小屯煤矿含水层的结构，系统采集不同含水层或可能充水来源的地下水样品，分析了不同含水层地下水的水化学类型与水化学组成特征，以此讨论矿井可能的充水来源或不同含水层地下水与矿井地下水之间的水力联系，以为矿井后期防排水工作提供依据。
1 研究区概况
小屯煤矿位于贵州省毕节市境内，紧邻大方县城。研究区地处贵州高原西部，主要属于以构造剥蚀山地地貌为主的低中山丘陵地貌。研究区地形总体表现为北高南低，北部地区最大高程约为1 951 m，西南地区最低高程为1 088 m，地表多数标高在1 350 m以上，煤系地层出露标高为1 350～1 620 m。研究区属暖温带湿润季风气候，多年平均降雨量为1 155 mm，降水多集中在4～9月份，占全年降水量的78.8%，年平均气温为11.8℃。研究区内无较大河流，仅研究区西侧有对江-白布河，其余多为地表季节性溪流。
1.1 基础地质条件
小屯煤矿构造上位于沿北东走向的大方背斜东南翼(见图1)，矿区总体呈一宽缓的单斜构造，地层倾向南东，倾角一般约为8°～10°。研究区南部地区断层较发育，北部地区沿走向和倾向发育宽缓褶皱，构造复杂程度属第二类即中等构造。小屯煤矿由新至老主要分布有三叠系下统夜郎组九级滩段(Ty
)、三叠系下统夜郎组玉龙山段(Ty
)、三叠系下统夜郎组沙堡湾段(Ty
)、二叠系上统长兴-大隆组(Pch
+d
)、二叠系上统龙潭组(Pl
)地层。矿区外围是二叠系峨眉山组(Pβ
)玄武岩、二叠系栖霞-茅口组(Pq
+m
)灰岩，则分布于矿区西侧。其中，二叠系上统龙潭组(Pl
)为小屯煤矿主要含煤地层，由粉砂岩及煤层组成，属海陆交互相含煤建造，共含煤4层，从上到下编号为：6、6、6、7，其中6煤层为小屯井田主要可采煤层。
图1 研究区水文地质简图及采样点分布图
1.2 含水岩组划分
合理划分研究区含水岩组是认识地下水系统地质结构的关键，也是充分辨识矿井充水条件的基础。根据地层岩性及地下水赋存特征，研究区可划分为若干岩溶含水层和相对隔水层，如表1所示。
表1 研究区含水岩组划分
对于二叠系上统龙潭组(Pl
)含煤地层来说，地表受剥蚀影响出露不全，富水性极弱，矿井中主要表现为渗水、滴水等。二叠系上统龙潭组(Pl
)煤层底板之下主要为二叠系峨眉山组(Pβ
)玄武岩地层，仅浅部含风化裂隙水，在矿区西侧部分出露，可视为相对隔水层，其将二叠系上统龙潭组(Pl
)煤层与下伏二叠系中统栖霞-茅口组(Pq
+m
)灰岩岩溶裂隙含水层间隔开来，使得下伏岩溶水不会影响到6煤层的开采。同时，二叠系上统龙潭组(Pl
)煤层顶板上覆有二叠系上统长兴-大隆组(Pch
+d
)和三叠系下统夜郎组玉龙山段上亚段(Ty
)岩溶裂隙复合含水层组。二叠系上统长兴-大隆组(Pch
+d
)岩溶裂隙含水层虽厚度较小、地表出露规模有限、富水性中等，但直接与二叠系上统龙潭组煤层接触，构成矿区的直接充水含水层。三叠系下统夜郎组玉龙山段上亚段(Ty
)岩溶裂隙含水层被三叠系下统夜郎组沙堡湾段(Ty
)和三叠系下统夜郎组玉龙山段下亚段(Ty
)组成的相对隔水层与二叠系上统长兴-大隆组(Pch
+d
)岩溶裂隙含水层分割开，该层岩溶裂隙极为发育，地表常见溶洞、落水洞、岩溶漏斗等岩溶形态，入渗补给条件较好，地表多见泉点排泄，富水性较强，在矿区东南侧形成九股水暗河出口，是该含水层的主要排泄出口。1.3 矿井充水条件
研究区仅西侧分布对江-白布河，河床出露于二叠系中统栖霞-茅口组(Pq
+m
)灰岩地层，标高约为1 088～1 260 m，低于二叠系上统龙潭组(Pl
)地层标高(1 350～1 620 m)，同时研究区内二叠系中统栖霞-茅口组(Pq
+m
)灰岩地层下伏于二叠系上统龙潭组(Pl
)地层，不会构成对一采区矿井的主要充水威胁。此外，矿井采空区局部存在积水，但对当前采掘生产的影响较小。根据观测资料，研究区矿井涌水量虽存在滞后现象，但仍与降雨量显著相关，表明大气降水仍是矿区的主要补给来源。大气降水通过入渗补给充水含水层，进而补给矿区，主要构成间接充水水源。
从矿区岩溶含水层结构上来说，研究区煤层开采后的直接充水含水层为二叠系上统长兴-大隆组(Pch
+d
)碳酸盐岩岩溶裂隙含水层、二叠系上统龙潭组(Pl
)碎屑岩裂隙水含水层，两者对矿井涌水的影响不可忽视。同时，煤层开采后形成的采动裂隙等也可能使得上覆强径流岩溶含水层的地下水涌入矿井，需进一步分析这些充水来源对矿井涌水的影响。2 样品采集与测试
为了查明小屯煤矿矿区内不同含水层地下水的水化学性质及其相互联系，于枯水期(2019年12月)在矿区地表冲沟、地下水露头点、矿井排水点等共采集水样42件，包含10件地表水样品、23件地下水样品(其中采自Ty
、Ty
、Pch
+d
、Pl
地层的裂隙水样品分别为3件、18件、1件、1件)、9件井下样品(也称矿井水，井下样品取自研究区一采区，由于五采区尚未开采，故未布设采样点位)，按此顺序依次命名为Group1～Group6。其中，井下样品有2处取自巷道的顶板渗水，其余7处取自井下巷道的混合水样。水样采集现场利用美国In-Situ SMARTroll手持式多参数水质监测仪记录水温、pH值、电导率等指标。水样采用瓶装法现场采集，采集前先将取样瓶用所采水样清洗3次后再进行样品采集。其中，采集氢氧同位素样品时，将水装满不留气泡。所有样品于瓶身贴上标签，低温保存并运回实验室进行分析测定。
3 结果与讨论
3.1 水化学类型特征
研究区各取样点水样中水化学组成Piper三线图见图2，各取样点水样中水化学组成和氢氧同位素特征统计结果见表2。
图2 研究区各取样点水样中水化学组成的Piper三线图
由图2和表2可见：研究区不同类型或不同含水层样品间表现出较为明显的水化学组成差异。从总矿化度(TDS)分析来看，地表水样品(Group1)中TDS的变化范围为79.7～271.5 mg/L，平均值为163.9 mg/L出露于三叠系下统夜郎组九级滩段(Ty
)和玉龙山段(Ty
)、二叠系上统长兴-大隆组(Pch
+d
)地下水样品(Group2～Group4)中TDS的平均值分别为66.3 mg/L、126.2 mg/L、150.7 mg/L，而出露于二叠系上统龙潭组(Pl
)地下水样品(Group5)中TDS的平均值为539.5 mg/L，矿井水样品(Group6)中TDS的变化范围则为241.2～1 883.8 mg/L，平均值为1 030.8 mg/L(见表2)；从水化学类型分析来看，地表水样品与三叠系下统夜郎组九级滩段(Ty
)和玉龙山段(Ty
)、二叠系上统长兴-大隆组(Pch
+d
)地下水样品均以HCO-Ca型为主要水化学类型，仅个别样品表现为HCO·SO-Ca型，而二叠系上统龙潭组(Pl
)地下水样品则表现为SO-Ca·Mg型，矿井水样品则主要表现为SO·HCO-Na型或HCO·SO-Na型，仅有一处样品表现为SO·HCO-Ca型(见图2)。
表2 研究区各取样点水样中水化学组成和氢氧同位素特征统计结果
研究区各取样点水样中硫酸盐浓度与Na/Ca、Mg/Ca比值的关系，见图3和图4。
图3 研究区各取样点水样中硫酸盐浓度与Na/Ca比值的关系图
图4 研究区各取样点水样中硫酸盐浓度与Mg/Ca比值的关系图
由图3和图4可见，矿井水在表现出高硫酸盐组成的同时，也表现出显著高于其他地下水样品的Na/Ca、Mg/Ca比值;除偏高的硫酸盐组成外，研究区矿井水中还具有显著偏高的Na，矿井水中Na的最高浓度为515.9 mg/L，平均浓度为319.9 mg/L，成为矿井水中最主要的阳离子组成，也由此决定了矿井水的水化学类型。
研究区二叠系上统龙潭组(Pl
)煤系地层以泥质粉砂岩等为主，长石等硅酸盐矿物和盐岩等的溶解过程是地下水中Na的主要来源[见反应式(3)]，但矿井水中Na/Cl比值远远大于1，因此偏高的Na/Ca、Mg/Ca比值共同指示了矿井水经历了较为强烈的阳离子交换吸附作用[见反应式(4)～(7)]。具体化学反应式如下：
(1)
(2)
(3)
CAI-1=[γ
(CI)-γ
(Na)]/γ
(CI)(4)
(5)
(Na)(岩石)+(Ca+Mg)(水)=(Ca+Mg)(岩石)+(Na)(水)
(6)
(Na)(水)+(Ca+Mg)(岩石)=(Ca+Mg)(水)+(Na)(岩石)
(7)
反应式(4)、(5)中，CAI-1和CAI-2为氯碱指数，通常用来表征离子交换的方向和强度。
3.2 硝酸盐组成特征
地下水中硝酸盐主要来源于农业施肥、生活污水和工业废水排放等人类活动。研究区各取样点水样中硝酸盐浓度与TDS的关系，见图5。
图5 研究区各取样点水样中硝酸盐浓度与TDS的关系图
3.3 氢氧同位素特征
一般地下水中氢氧同位素组成主要受到补给来源、高程等的影响，受径流循环过程中水-岩相互作用等干扰较弱。本文选取贵阳大气降水线为参照，绘制了研究区各取样点水样中氢氧同位素组成的关系图，见图6。
图6 研究区各取样点水样中氢氧同位素组成的关系图
由图6可见，研究区各取样点均分布在贵阳大气降水线附近，表明研究区主要以大气降水为主要补给来源；但不同组别取样点表现出明显的氢氧同位素组成的差异。其中，研究区地表水样品中δ
D、δ
O的平均值分别为-55.1‰、-8.7‰，相较其他组别样品氢氧同位素组成偏重，可能主要受地表蒸发作用的影响；三叠系夜郎组九级滩段地下水样品中δ
D、δ
O的平均值分别为-53.9‰、-9.1‰，三叠系夜郎组玉龙山段地下水样品中δ
D、δ
O的平均值则分别为-56.8‰、-9.0‰，两者氢氧同位素组成较为近似，指示其补给高程或范围较为一致；然而，二叠系长兴-大隆组、龙潭组地下水样品中δ
D、δ
O分别为-60.3‰、-58.4‰，相较其他组别样品氢氧同位素组成偏轻；矿井水中δ
D的变化范围为-64.0‰～-57.1‰，平均值为-58.9‰，δ
O的变化范围为-10.6%～-9.1%，平均值为-9.7‰，与二叠系长兴-大隆组、龙潭组地下水样品中氢氧同位素组成较为近似。从氢氧同位素组成分析，研究区矿井水样品与二叠系长兴-大隆组、龙潭组地下水样品氢氧同位素组成近似，指示矿井水与其具有较为一致的补给范围或者具有密切的水力联系，这符合二叠系长兴-大隆组、龙潭组作为煤层顶板充水含水层的结构特征。值得注意的是，矿井水与二叠系玉龙山段地下水在氢氧同位素组成分布仍存在一定的交叠，表明矿区仍可能受到上覆三叠系夜郎组玉龙山段岩溶裂隙含水层充水的影响，但从其组成特征与交叠程度分析，上覆三叠系夜郎组玉龙山段岩溶裂隙水对矿井充水的影响程度可能并不显著。可考虑通过进一步的取样调查与分析评价来确定不同水源对矿区充水的影响程度与位置。
4 结 论
(1) 在水文地质结构上，小屯煤矿煤层所在二叠系龙潭组碎屑岩裂隙含水层的富水性较弱，二叠系长兴-大隆组等地层构成了矿区二叠系龙潭组煤层的直接充水含水层，其厚度较小、富水性中等，上覆三叠系夜郎组玉龙山段岩溶裂隙含水层受三叠系沙堡湾组相对隔水层的控制，与直接充水含水层及煤层间隔开，经采动裂隙等途径方可能进入矿井并影响矿井。
(4) 氢氧同位素组成特征表明：研究区矿井水较为富集轻同位素，主要与二叠系长兴-大隆组、龙潭组等直接充水含水层的氢氧同位素组成相近，其两者之间水力联系密切；而与上覆三叠系夜郎组玉龙山段岩溶裂隙含水层交叠较少，表明一采区矿井水受上覆三叠系夜郎组玉龙山段岩溶裂隙水的影响较小。
