矿井突水水源的判别方法

◇六盘水师范学院矿业与土木工程学院 周雅茹 高 颖 冯永兵 刘 影 赵子義 宋 淞

煤矿在发生重大突水之前，总会有相关预兆，通常可以通过水量变化来进行观测，其量变到质变的过程一般为“湿帮→滴水→淋水→流水→突水”。由于水量观测不能精确地找出突水点，因此可结合水化学组分数学综合分析、类型对比分析、水化学组分判别系列方法寻找突水水源，这样可以预防和解决突水灾害的相关问题，进而提出矿区井下突水防治的相关建议，给出遏制突水事故的有效方法。

1 概述

1.1 研究起因

矿井突水是一种在煤矿中常见且危害性极强的地质灾害。我国矿山疏干排水导致的矿井突水事故频繁发生，据统计我国近30年来煤矿区因突水淹没矿井近60次，直接经济损失约27亿元。1984年开滦范各庄发生特大水灾，此次水灾造成近5亿元损失。在河南焦作矿区，矿井突水发生事故共发生270余起，最大突水量高达243m3/min，突水淹井事故共发生19起，每次事故导致损失达数千万元，矿区的排水量均高达8.86m3/s以上，平均每采1t煤就需排出60t水[1]，因此突水水源的判别和矿井突水的预防显得尤为重要，应采取相应的措施进行矿井突水水源判别。可根据丰富的经验和相关的新科技方法来提出矿井突水预防的方法和解决措施，从而降低经济损失以及保障工人的人身安全。

1.2 研究现状

我国在改革开放以来煤矿行业逐渐发展起来。在煤矿开采的过程中，多次遇到矿井突水的问题，那时已经有学者注意到矿井突水对煤矿开采的影响，在意识到矿井突水的严重性之后，开始了大量研究判别矿井突水水源的方法。到目前为止，在判别矿井突水水源的方法中，国内许多学者已经开始进行了探索和大量的科学研究[2]。对于突水水源的判别方法，国内已经取得了不小的成就，在此经验及基础上，可以更高效地判别突水的水源。国外也非常重视矿井突水问题，他们使用了不同的方法进行研究，随着时代和科技的进步，判别方法也得到更先进的条件进行完善和研究，更准确地判别出矿井突水的水源。

2 判别方法

判别矿井突水水源的方法有水源及水化学特征、水化学组分、水化学分析和水化学常量离子联合微量元素。它们都有自己的特点，但也有局限性。我们需要根据矿井的实际水文地质条件，将这些方法结合起来，提前做出突水预警，解决和预防突水灾害的关键问题，为矿区井下突水防治提供建议，旨在有效遏制突水事故。

2.1 依据来源及水化学特征判别

地下水赋存情况多种多样，它的交替条件及其复杂，导致各类含水层的水化学特征同样有明显的差异。从突水水源中选取六大常规离子：HCO3-、K++Na+、Ca2+、Mg2+、Cl－、SO42-作为突水水源的判别依据[3]，以此来判别矿井突水的来源，并通过大量的实践证明理论判别结果同实际情况相差无异。

2.2 依据水化学分析法判别

对突水水源的地下水分布规律、化学特征进行研究分析[4-5]，在一定程度上能够对地下水的径流、排泄条件、赋存、补给进行研究分析，分析结果对判别矿井下突水水源、对井下突水进行防治都具有重要意义[4]。

邢东矿[5]在进行正常底板超前钻孔时，发生突水。对矿井中的多个含水层的地下水进行水化学分析，将此处突水的出水点与背景值进行比对分析，结果表明该矿突水水源是奥灰岩溶水。通过此实验可得出，水化学类比分析法能够准确地判别出突水水源的来源，故该方法能够作为可靠的方法去判别矿井突水水源。

2.3 依据水化学组分判别

水化学组分是地下水在溶液中的当量浓度分布，它不仅能反映出水体化学性质的演化过程，而且通过它能够判别出地下水反应物质的来源，一般用组分的当量浓度百分比来表示，并使用化学三线图图解进行分析研究[6]。由于各含水层中水形成的地质环境、运输、储存过程中存在差异，不同含水层的地下水形成了不同的水化学特征。根据含水层中离子含量的差异，研究其范围和相对平均值的变化，分析各含水层的水化学特征。在众多研究突水的方法中，分析突水的水化学特征是确定突水水源的一种简单而有效的方法，为矿井水治理提供了重要依据。

2.4 依据水化学常量离子联合微量元素判别

在地下水中分布广泛、含量较高的离子有:Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-。通过测试地下水水化学成分离子的含量，反映其在不同水样中的分布特征，研究了地下水的运动方向和分布规律，根据水源水中化学离子浓度的差异，确定了突水水源。

根据水化学常量联合微量元素判别突水水源，其方法为用倒锥形取水装置，在4个矿区中的3个含水层获取61组未经污染的水样，对其水样中44种微量元素含量和常量离子进行测试，并建立相关突水水源的判别模型：Bayes判别模型[7]。水样测试结合判别模型进行分析并判别出突水点。研究结果表明常量离子联合微量元素及Bayes多类线性判别突水水源模型与其他判别模型相比，其判别结果更为准确，其准确率达92.9%。故此模型为煤矿突水水源判别提供了准确、有效的新方法。

3 结语

本文以矿区现有地下水资料和水化学试验资料为基础，尝试建立突水水源判别模型，以指导不同含水层突水原因所在、突水水源位置、地下水径流通道和水力联系的研究。不同地区的地下水环境不同，研究方法也不同。因此，有必要根据当地水文地质条件，分析含水层的水化学特征和突水情况。这是判断矿井突水水源、探索矿井水文地质条件的一种简便有效的方法。为矿井水防治提供重要依据，从而为解决和进一步预防矿井突水防治的关键问题提出相关建议及有效遏制突水事故。