基于示踪试验的不同含水层水力联系研究——以安徽潘北煤矿区为例

储明熙，党宝全，王玮，钱家忠

(1.合肥工业大学资源与环境工程学院，安徽合肥 230009；2.淮南矿业集团有限责任公司，安徽淮南 232001)

0 引言

煤炭在现阶段仍然占中国一次性能源消耗的50%以上[1-2]，在我国经济发展和社会建设中仍然发挥着不可取代的作用。煤矿在开采过程中往往会面临严重的水害威胁[3-4]。一般突水事故主要发生在开采煤层附近的含水层[5]，大部分突水事故是由于在开采过程中，打穿了隔水层，导致工作区含水层与相连含水层之间出现了导水通道，从而使地下水涌入工作区引发突水事故[6-7]。因此，如果能够在开采过程中，掌握工作区含水层与相连含水层之间的水力联系情况，开展有针对性的预防措施，就能够极大地减少突水事故的发生。

目前，在查明不同含水层的连通性和断层的水力联系程度方面，因为示踪试验适用性强、数据获取便利、数据结果可靠等优势，而被认为是一种较为可靠的技术手段[8]，已经被广泛应用于矿区地下水连通情况的研究中[9-12]。

本文主要将KI 作为示踪剂，在潘北矿区开展了示踪试验，主要目的是为了探查奥陶系灰岩含水层和石炭系C3I 组灰岩含水层之间的联系，同时也对矿区的主要断裂带F1 断裂的导水性、隔水性进行分析，为后期矿区的突水预防和治理提供参考和借鉴。

1 研究区概况

1.1 矿区地理位置和基本情况

潘北煤矿地处淮南市西北方向，距离淮南市有30 km左右，交通便利，四通八达，矿区往南大约20 km建有淮河航运线路。此煤矿于2004 年12 月建成，2007 年8 月开始运营。矿区地理坐标为：东经116°41′30″~116°52′30″，北纬 32°50′00~32°53′45″。研究区基岩地层由老到新分别为寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系。对应的含水层由下而上分别是寒武系灰岩含水层、奥陶系灰岩含水层、石炭系灰岩含水层和二叠系砂岩裂隙含水层。

研究区位于矿区的东南部。研究区的基本地质情况如图1所示。区内主要发育了一条F1断裂带，由东至西贯穿了整个研究区。此次研究的目标层位是奥陶系灰岩含水层和石炭系C3I组灰岩含水层。其中石炭系C3I组灰岩含水层可以分为C31、C32、C33上和C33下四层。

图1 潘北研究区地质信息图Figure 1. Geological information map of the Panbei study area

2 示踪试验

2.1 示踪试验基本原理

示踪试验即采用与研究区地下水背景值差异较大、化学性质较为稳定且易溶于水的盐离子作为示踪剂，通过某一个钻孔注入地下含水层中，并且通过瞬时注水的方式施加压力，使得示踪剂在进入含水层后能够快速地流动和扩散。同时，在释放示踪剂和加水注压期间，需要在研究区内选定若干钻孔作为观测孔进行采样检测，通过观测孔中离子浓度的变化来分析研究区内地下水的流动规律，从而进一步推断投放孔和观测孔之间的渗流通道发育情况和区域断层的导水、隔水性能。

在示踪试验的过程中，一般可以通过计算投放孔和观测孔的距离以及观测孔接收到第一次浓度峰值的时间来获得地下水的平均流速。计算公式如下所示：

2.2 投放孔和接收孔的选择

表1 示踪剂投放孔和观测孔类型Table 1. Tracer drop hole and types of observation holes

2.3 试验流程

（1）示踪剂的选择。根据场地前期的环境背景值调查，场地碘离子的背景值较低，KI本身无毒无害、化学性质非常稳定，且不容易与水中的其他组分发生化学反应，也不容易被吸附，而且碘离子检测较为方便。因此，本次试验选择了KI 作为示踪剂。计划的投放量为17 kg。

（2）示踪剂的监测。在示踪剂投放之后，7口示踪剂接收孔每间隔1 h 取样一次，持续取样128 h。在试验过程中，为了加速示踪剂的流动，分别在第60 h 和76 h 的时候加压注水，在所有样品采集结束之后再进行水质化验，分析样品成分并进行电位值的计算。

在水质化验阶段，采用数字式离子计对碘离子的电位EI进行测量，其主要原理是：选择电极和参比电极在待测溶液中碘离子的敏感膜和溶液之间会存在一定的电位差，根据这一电位差，利用Nernst 公式就能够求出不同时刻碘离子的电位值，Nernst 方程如公式（2）所示。最后，根据电位值的变化绘制曲线，就能够分析示踪剂在场地的流动情况。

式中：EI代表电极系统得到的电位；E0代表截距电位，一般情况下是一个常数（单位：mV）；F代表法拉第常数（通常取值9.65×104C/mol）；R代表气体常数（通常取值8.314 J/（mol·K））；Z代表离子价态；T代表溶液的温度；aI代表碘离子的活度。若要得到整个参数，需要先测量碘离子的浓度CI，再利用aI=f⋅CI的关系式计算，f为活度系数。

3 示踪试验结果

一般来说，上述方法得到的初始电位值EI需要进行一定的数据修正使得结果更加准确。因为测试过程中使用的是盐桥溶液，在实验测量阶段，会产生电位测量值的延迟等不精确现象，且在测试过程中很难保证温度的恒定，所以会存在一个热滞后性的现象，以及在操作过程中的系统误差等，都会对实验数据的精度存在一定的影响。因此，参考测试过程中的温度和相关仪器的修正系数等，须利用公式（3）对原始数据进行修正：

式中：Ec为修正后的电位值；T和P分别代表温度和仪器的修正系数。为了修正公式（3）中的温度误差，此次试验统一修正为25 ℃时的电位。为了修正仪器误差，即减少测试离子电位的滞后现象，本次利用每组8个样品的后4 个样品数据对前4 个样品数据进行修正。同时，试验过程中，为了消除测量的误差，本次还以10-6mol/L 的KI 溶液作为标准液，对测试数据进行进一步的修正。修正后的电位与时间的关系如图2所示。图2中纵向的三条虚线分别代表第一次投放示踪剂、第一次注水和第二次注水的时间，编号①、②、③代表每次投入示踪剂或注水后首次出现浓度峰值的时间，电位值越低，代表碘离子的浓度越高。

图2 电位随时间变化曲线Figure 2. Potential curve over time

在此次的实验中，W33下-1中的水位变化波动相较于其他接收孔最大，在注入示踪剂之后，出现了多次峰值。一般来说，在岩溶裂隙地区，出现多峰值证明研究区存在多条岩溶通道，示踪剂在不同岩溶通道中通过的时间不一致，甚至在部分岩溶通道内出现了滞留的现象，因此在接收点监测到的浓度变化较大，从这点来看，研究区的奥陶系灰岩含水层与石炭系C3I组灰岩含水层的岩溶裂隙发育较为复杂，存在多个渗流通道。

4 结论

本文利用KI 作为示踪剂，对潘北研究区不同含水层的连通情况进行研究和分析，得到如下结论：

（1）F1 断裂带为不完全隔水断裂带，奥陶系灰岩含水层与石炭系C3I 组灰岩含水层局部连通性较好，存在一定的水力联系，但整体的连通性较差。

（2）根据投放孔和接收孔W33下-1之间的距离和监测到的示踪剂峰值时间，估算得出研究区的地下水平均流速约为80.43 m/h。

（3）在注入示踪剂之后，接收孔出现了多峰值现象，说明研究区的岩溶裂隙发育较为复杂，存在多个渗流通道，因此，后期在该地区煤矿开采中，需要做好煤矿突水的预防工作。