基于水化学特征分析的矿井突水水源判别

贺亮亮， 吕广罗， 胡安焱， 杨 磊， 郭 云， 李贵娟

(1.陕西省一八六煤田地质有限公司，西安 710065；2.长安大学，西安 710061；3.国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，西安 710021)

0 引言

近年来，陕西省黄陇煤田永陇矿区内各煤矿生产过程中顶板涌突水事故时有发生，严重威胁矿井安全。矿井涌突水时的水源快速判别有助于及时掌握出水来源，为矿井水害防治措施的制定提供依据。目前，矿井突水水源判别的方法主要为对含水层水位、水温的监测、对突水水质的化学分析和离子含量的统计分析，也即要求对不同含水层水的水化学特征有一个清晰的认识。前人在对地下水化学特征方面开展过大量的研究，王强民等以榆神矿区为例，通过对不同矿井水样品的测试分析，构建了不同充水含水层水化学特征值，并识别了不同埋深煤矿的矿井水来源[1]；周斌等通过对陇东白垩系地下水水质数据的分析研究，得出了白垩系含水层的水化学特征[2]；施龙青等通过对阳城煤矿不同含水层水样的常规分析，采用Piper图、灰色关联度和三维高密度电法对断层水源进行了判别[3]。这些研究成果为矿井突水水源判别提供了可参考的经验和方法，但其大部分为定性研究，是将同一时代的含水层视为一组，对同一含水层不同层段的水化学特征以及垂向上的变化规律研究较少[4-12]。笔者在整理永陇矿区不同矿井以往的水质化验数据时发现，区内同一含水层不同深度的水质化验数据存在一定差异，产生了利用这些差异来分析矿井涌突水来源的想法。由此，本次以永陇矿区麟游区内以往水质化验数据为基础，对该区涉及煤矿安全生产的基岩含水层水化学特征进行了综合分析，并对区内3次典型的矿井涌突水来源进行了判别，研究成果可为永陇矿区相邻矿井提供借鉴。

1 地质及水文地质条件

永陇矿区麟游区位于鄂尔多斯盆地南缘，处于半干旱气候带，年降水量中等且相对集中。除沟谷中基岩局部出露外，大部分地段为第四系黄土和新近系红土所覆盖。地层由老到新依次有中三叠统铜川组(T2t)，下侏罗统富县组(J1f)、中侏罗统延安组(J2y)、直罗组(J2z)、安定组(J2a)，下白垩统宜君组(K1y)、洛河组(K1l)、华池组(K1h)，新近系及第四系(N+Q)。延安组为本区含煤地层，含有2煤层、3煤层及各分支煤层。其中2煤和3煤为局部及大部可采煤层，也是各矿的主采煤层。区内2煤层厚0.15～15.86m，平均可采厚度7.03m；3煤层厚0.55～26.83m，平均可采厚度11.57m。

依据含水介质类型，可将区内煤层顶板以上含水层划分为三大含水系统，包括新生界松散孔隙含水系统、白垩系洛河组—宜君组孔隙-裂隙含水系统和侏罗系直罗组—延安组裂隙含水系统。不同含水系统因水文地质条件的差异，具有不同的地下水化学特征，甚至同一含水系统内不同层段的含水层水化学特征也不同。

麟游区各矿煤层厚、埋深大，多采用综采放顶煤开采方式，对煤层顶板覆岩结构破坏较大。煤层采后导水裂隙带普遍能够发育进入白垩系洛河组含水层，造成延安、直罗、宜君、洛河组含水层水在垂向上的补给混和。本次主要研究受导水裂隙带影响的含水层水化学特征，故暂不考虑新生界含水层。

1.1 白垩系孔隙-裂隙含水层

下白垩统洛河组砂砾岩孔隙、裂隙含水层，宜君组砾岩裂隙含水层为本区主要含水层，二者之间无稳定隔水层。其总厚度199.4～349.84m，平均273.49m。主要由各粒级砂、砾岩组成，以中—粗粒砂岩为主要含水层段，中、粗粒砂岩厚度占比65%，砾岩厚度占比33%，泥岩类地层仅出现在局部区域。据区内钻孔抽水试验及流量测井资料，主要出水层段3～5个，厚度33～57m。含水层单位涌水量0.09～0.19L/(s·m)，渗透系数0.002 3～0.222 3m/d，富水性弱—中等，水质类型一般为HCO3—Na·Mg、HCO3·SO4—Na、HCO3·SO4—Na·Mg型。由于其厚度大，富水性较其他含水层强，静态储水量大，是区内煤矿开采的主要含水层。

1.2 侏罗系泥岩隔水层

中侏罗统安定组泥岩隔水层为本区白垩系含水层与侏罗系含水层之间的稳定隔水层，厚度87.3～180.3m，平均139.7m。主要由泥岩、砂质泥岩夹中粗粒砂岩组成，泥岩类岩层厚度占比可达86%，故可较好的增强其隔水能力。

1.3 侏罗系裂隙含水层

中侏罗统直罗组砂岩裂隙含水层、延安组煤层及其顶板砂岩裂隙含水层为本区煤层直接充水含水层，厚度39.08～156.90m，平均105.40m，变化较大。主要由砂岩、泥岩两大类岩性组成，总体呈砂泥岩互层组合结构，泥岩厚度占比平均在60%左右。该含水层单位涌水量0.000 5～0.001 2L/(s·m)，渗透系数0.006 4～0.016 4m/d，富水性弱。直罗组含水层水质类型多为SO4—Na、SO4·Cl—Na、Cl—Na型，延安组含水层多为Cl—Na型。整体具有埋藏深、裂隙不甚发育、补给来源缺乏、导水性差、径流滞缓的特点，地下水赋存及储运条件不良，在煤层回采过程中以直接疏干为主。

2 矿井涌突水情况

2.1 A矿涌突水情况

2020年9月19日1：24，2001工作面83～90#架处顶板出现淋水，5：10扩大至73～115#支架，总涌水量50m3/h左右；6：21涌水量增至280m3/h；7：00涌水量达到峰值570m3/h，此后水量逐渐减小。8:00～16:00涌水量约400m3/h，16:00～24:00涌水量减至380m3/h。9月20日0:00～8:00涌水量约260m3/h，16：00～24：00涌水量维持在210m3/h。9月21日涌水量维持在170m3/h左右。9月22日开始涌水量减至约80m3/h，出水过程中未发生溃泥溃砂现象。

2.2 B矿涌突水情况

2020年12月10日8:08，1309工作面41、42#架架间淋水，8:36淋水成线；115～116#架滴水，70～80#架片帮1～2m，顶板破碎；9:06工作面38～42#架淋黄泥水，32～37#架滴水；11:30工作面110#架后出水，涌水量约100m3/h，沿下口处向外流淌；16:18开启2台300m3/h水泵排水，水位不升不降，最大涌水量约500m3/h；之后水量逐渐变小，至12月14日，涌水基本稳定。

2021年11月22日，1309工作面出现涌水现象，水量28m3/h，涌水自工作面采空区一侧涌出，水色清澈、有温度、有刺鼻气味；23日4：00，涌水量增大至580m3/h，涌水通过放水巷自流进入盘区水仓，利用盘区水仓排水。由于涌水时工作面整体为俯采，对工作面正常生产影响较小。

3 地下水水化学特征

采用表1中的数据绘制Piper三线图，可直观的反映出不同含水层的水化学特征差异，见图1。

表1 研究区地下水水化学特征分析Table 1 Groundwater hydrochemical features analytical results in study area mg/L

图1 含水层水样Piper三线图Figure 1 Aquifer water sample Piper trilinear nomograph

3.1 白垩系洛河组—宜君组含水层

由表1和图1可知，1～16号水样为白垩系含水层水样，矿化度在430～700mg/L，均小于1 000mg/L，为淡水。其中1～5号水样为勘探阶段民井调查时取得，水样位置为洛河组含水层上段，水样点落在Piper三线图5区的左侧，水质类型为HCO3—Na·Ca·Mg型和HCO3—Ca·Mg型；6～8号水样为各勘探阶段所施工的水文钻孔进行抽水试验时取得，水样位置为洛河组含水层中段，水样点落在Piper三线图5区的右侧，水质类型为HCO3·Cl—Na·Mg型和HCO3—Na·Ca·Mg型；9～11号水样位置为洛河组含水层下段，水样点落在Piper三线图上下9区中间的顶点附近，水质类型为HCO3·Cl—Na·Mg型和HCO3·Cl—Na·Ca·Mg型；12～16号水样为水文孔洛河—宜君组含水层进行混合抽水试验时取得，水样位置为白垩系含水层底部，水样点主要落在Piper三线图7区左侧顶点附近，水质类型为HCO3·Cl—Na·Mg型和HCO3·SO4·Cl—Na·Mg型。

由此可知，由于白垩系洛河组—宜君组含水层厚度较大，自上而下表现出了不同的地下水化学特征，水样点在Piper三线图上表现为自菱形中间位置的左侧随深度的增加而向右侧逐渐偏移的趋势。也说明白垩系含水层在自然状态下，垂向上不同层段的含水层水补给和运移条件具有较大的不均一性。所以，单独依靠矿化度与水质类型并不能区分白垩系含水层水的具体层段，必须依靠水样点在Piper三线图菱形区的位置，并结合水化学特征库来进行判断。

3.2 侏罗系直罗组—延安组含水层

由表1和图1可知，20～23号水样为侏罗系含水层水样，矿化度在2 204～6 274mg/L，按矿化度分类属于微咸水—咸水，均为勘探阶段所施工的水文钻孔抽水试验时取得，水样位置为直罗组含水层和延安组含水层。水样点落在Piper三线图7区的右侧，而且明显可以看出，直罗组与延安组含水层混合水样点向左侧偏移，水质类型为SO4·Cl—Na型和Cl—Na型，此位置地下水化学性质以碱金属和强酸为主，海水和许多卤水均位于该区右侧顶点附近，也说明该含水层水运移条件差，为长期滞留地下水。

3.3 综合分析

4 矿井涌突水水源分析

本次研究过程中收集了永陇矿区麟游区已经生产的两个矿井的涌突水水样数据，以对涌突水出水来源进行判别分析，将该部分水样数据投在Piper三线图上。由图2可知，A矿涌突水水样点均落在Piper三线图菱形区7区的右侧顶点附近，与直罗组—延安组含水层水化学特征相符，水质类型为SO4—Na型和Cl—Na型，表明涌突水来源为侏罗系含水层水。B矿第一次涌突水水样点均落在Piper三线图菱形区7区的右侧，但与直罗组—延安组含水层水化学特征点相比向左侧部分偏移，处于混合水样点17～18号位置的下方。水质类型为Cl—Na型，但矿化度明显偏低，表明涌突水来源主要为直罗组—延安组含水层水，白垩系含水层水部分参与。B矿第二次涌突水水样点全落在菱形区7区的右侧顶点附近，与直罗组—延安组含水层水化学特征相符，水质类型为Cl—Na型，表明涌突水来源为侏罗系含水层水。

图2 矿井涌(突)水水样点Piper三线图Figure 2 Mine water inrush (bursting) water samplingpoint Piper trilinear nomograph

为验证Piper三线图法分析结果的正确性，以表1中统计的7种水质指标为基础，采用系统聚类分析法对34组化验数据进行了分类。采用Q型聚类分析，以平方欧式距离衡量不同水样的相似性，将水样数据导入SPSS软件进行运算，得到水样聚类分析谱系图，见图3。

由图3可以看出，当平方欧式距离小于3时，B矿第一次涌突水水样27～30与水样1～19分为一类，表明这次涌突水混合了白垩系含水层水；B矿第二次涌突水水样31～34与水样22分为一类，表明这次涌突水来源为侏罗系含水层水，且为直罗组与延安组含水层的混合水。A矿前期涌突水水样24～25与水样23分为一类，后期涌突水样26与水样21分为一类，表明这次涌突水来源前期为侏罗系直罗组—延安组含水层，后期则主要来自于延安组含水层。分析结果与Piper三线图法一致，也与矿井实际涌突水情况一致。

图3 水样聚类分析谱系Figure 3 Water sample cluster analytical hierarchy

5 结论

1)通过对永陇矿区麟游区不同含水层以往水质数据的分析，得到了本区主要含水层白垩系含水层及煤层直接充水含水层侏罗系含水层的水化学特征。发现白垩系含水层不同层段的水样点散落在Piper三线图菱形区的左侧及中部，大致在5区范围附近，且随埋藏浓度的增加而逐渐向右偏移；侏罗系含水层水样点则主要落在Piper三线图菱形区7区右侧顶点附近。

2)利用得到的麟游区水化学特征及系统聚类分析法对A、B两矿的涌突水出水来源进行了判别。认为A矿涌突水来源为侏罗系含水层；B矿第一次涌突水来源主要为侏罗系含水层，且有白垩系含水层水参与，第二次涌突水来源为侏罗系含水层水，判别结果与矿井实际涌突水情况一致。