呼吉尔特矿区石拉乌素煤矿矿井涌水水源判别及定量分析

李运江，王 伟，许 峰，黄 欢，4*，赵 慧

（1.内蒙古昊盛煤业有限公司，内蒙古鄂尔多斯 017399；2.中煤科工西安研究院（集团）有限公司，陕西西安710077；3.陕西省煤矿水害防治技术重点试验室，陕西西安 710077；4.煤炭科学研究总院，北京 100013；5.兖矿能源（鄂尔多斯）有限公司，内蒙古鄂尔多斯 017010）

鄂尔多斯盆地北部深埋侏罗纪煤田区（包括呼吉尔特矿区、纳林河矿区、新街矿区等）为重要的煤炭资源后备区，该区矿井具有采深大（＞600m）、水文地质条件复杂等特点。石拉乌素煤矿位于呼吉尔特矿区东部，该矿主采煤层受其顶板多层巨厚复合含水层的影响，使得工作面开采过程中涌水较大，对工作面防排水系统造成较大压力，如1208 工作面回采初期采空区出现两次涌水量突增现象，增加量均达到200～300m3/h，采空区涌水量最大为1 000m3/h。由于对井下涌水主要充水含水层以及各含水层充水的贡献度缺少系统的认识和定量化的研究，导致以往矿井防治水工作缺乏针对性。在煤矿井下涌水水源判别研究中，水文地球化学分析是一种十分简便、可行的研究手段［1-10］。为此，本次通过水质全分析、同位素以及有机物检测，获取井下涌水与各含水层水化学特征，分析其水力联系，定量化评价各含水层对于井下充水的贡献度，从水化学角度揭示井下涌水来源，为煤矿防治水工作提供有力的理论支撑和基础保障。

1 研究区水文地质特征

石拉乌素煤矿处于毛乌素沙漠与黄土高原的接壤地带，井田面积约70.64km2，目前主采2-2煤层，分为南北两翼开采，煤层上覆地层由老至新分别为侏罗系延安组、直罗组、安定组、白垩系志丹群以及第四系松散层，其中主要含水层为侏罗系直罗组含水层和白垩系志丹群含水层，主要隔水层为侏罗系安定组隔水层，以上地层组合形成典型的巨厚复合含水层。主采煤层与主要含（隔）水层空间关系详如图1所示。

以往勘探资料表明，侏罗系直罗组含水层含水层平均厚度153.23m，地下水位埋深为62.2～124.7m，水位标高为+1 247.5～+1 274.7m，单位涌水量为0.008～0.016L/（s·m）-1，渗透系数为0.199m/d，富水性弱；白垩系志丹群含水层平均厚度350.81m，地下水为埋深为7.6～107.3m，水位标高为+1 139.7～+1 328.7m，单位涌水量为0.008～0.243L/（s·m）-1，渗透系数为0.177m/d，富水性弱—中等。

2 水样采集与检测

2022 年1 月矿井对志丹群含水层开展抽水试验，抽水试验过程中采取水样，同时采取井下疏放直罗组含水层水水样、采空区水样。开展水质全分析15 组、同位素分析19 组、溶解性有机质分析样品10 组。水样采集过程严格按照《煤炭资源地质勘探地表水、地下水长期观测及水样采取规程》执行。

水质全分析项目包括：矿化度、pH 值、Ca2＋、Mg2＋、Na＋、K＋、SO42-、Cl-与HCO3-。其中主要阳离子（Ca2＋、Mg2＋、Na＋、K＋）采用美国Perkin-Elmer 8300DV 型电感耦合等离子体发射光谱仪检测分析；主要阴离子SO42-、Cl-采用美国Thermo ICS-600型离子色谱仪检测分析；HCO3-采用化学滴定法检测分析。

同位素分析项目包括δD 和δ18O，通过液态水同位素分析仪，采用偏轴积分腔输出光谱技术（OAICOS）方法检测分析；溶解性有机质种类采用三维荧光光谱指纹技术来测定，并通过TOC 值（总有机碳）来表征其含量。

3 水化学分析

3.1 主要离子及矿化度特征

通过检测分析，获取主要含水层与井下涌水中主要指标含量结果见表1。

表1 研究区水样主要离子含量分析结果Table 1 Analysis of main ion content in water sample

根据7 种主要阴阳离子浓度绘制Piper 三线图，如图2所示。志丹群含水层地下水的水化学类型为HCO3—Ca·Na 型；直罗组含水层地下水的水化学类型为SO4—Na及SO4·HCO3—Na型；矿井水的水化学类型SO4·HCO3—Na。同时，绘制了水样主要离子Schoeller图（图3）。从Schoeller图中显示，矿井水与直罗组地下水的离子含量水平较为接近，同时部分离子（Cl-、Na+、Mg+）浓度介于志丹群含水层与直罗组含水层水之间，从水化学类型分析，矿井水为志丹群与直罗组含水层混合水的可能性较大。

图2 主要水化学离子Piper三线图Figure 2 Piper triple line diagram of major water chemicalions

图3 研究区主要水化学离子Schoeller图Figure 3 Schoeller diagram of major water chemical ions

总体而言，白垩系志丹群含水层地下水中离子含量均比较低，阳离子主要为Na+和Ca2+。随着埋深的增加，与志丹群含水层相比，直罗组地下水中Na+含量呈现出增加的趋势。相反，Ca2+和Mg2+含量呈现出下降的趋势。由此可以推测出Ca2+和Mg2+在浅层地下水向深层含水层补给过程中除了受水岩作用影响外，还受到阳离子交换作用的影响，即上部浅层地下水（志丹群含水层水）与有Na+和（或）K+的岩土发生阳离子交替吸附作用，使得深层地下水（直罗组含水层水）中Na+和K+浓度含量上升，Ca2+和Mg2+浓度含量下降［11-13］。

3.2 同位素特征

通过检测分析得到19组样品的δD和δ18O值，如表2 所示。各水源稳定同位素δD（VSMOW）平均值在-85.92‰～-59.93‰，δ18O（VSMOW）平均值在-11.42‰～-7.64‰。通过前人研究得到本研究区域大气降水线方程为δD=7.13δ18O-1.67‰［14］。依据表2，绘制研究区各水源中δD-δ18O关系图，如图4所示。

表2 研究区各类型水样δD、δ18O值Table 2 Value of δD and δ18O in water sample ‰

图4 研究区各水样δD-δ18O关系图Figure 4 Relationship between δD-δ18O in water sample

从图4中可以看出，志丹群含水层地下水、直罗组含水层地下水δD 与δ18O 基本落在当地大气降水线上或其附近，说明地下水主要来自大气降水补给，大气降水沿第四系沙层裸露区入渗补给白垩系志丹群含水层，白垩系志丹群含水层也可能越流补给直罗组含水层。此外，矿井水δD 与δ18O 基本落在志丹群含水层水和直罗组含水层水之间，间接表明矿井水有可能受这两种水源的补给。

3.3 三维荧光特征

本次研究采用测定TOC（总有机碳）值来表征溶解性有机质的含量，检测数据如表3所示。

表3 研究区各类型水样中TOC值统计Table 3 Value of TOCin water sample

表3 显示，志丹群含水层水的TOC 浓度值平均为3.64mg/L；直罗组含水层水的TOC 浓度值平均为3.76mg/L；矿井水的TOC 浓度值平均为4.473mg/L。直罗组含水层水中溶解性有机质含量与志丹群含量基本一致，矿井水中含量稍高于含水层地下水。就水中溶解性有机质总量而言，三个水源的TOC 平均浓度较接近。

由于水体中不同的有机物在特定波长的紫外光激发照射下，会呈现不同波长的荧光，本次研究采用三维荧光光谱指纹技术测定研究区各水源溶解性有机质种类。试验过程中，通过照射获得的荧光强度投影在平面坐标内，该平面坐标的纵坐标为激发波长（EX），横坐标为发射波长（EM），通过EX与EM 的大小将溶解性有机质划分为5种类型［15，16］，详见表4。通过检测分析，获得了各水源三维荧光光谱图，如图5、图6所示。

表4 基于三维荧光光谱的溶解性有机质分类Table 4 Cassification of dissolved organic matter based on threedimensional fluorescence spectra nm

图5 志丹群含水层水三维荧光光谱Figure 5 Three-dimensional fluorescence spectra of Zhidan Group aquifer water

图6 直罗组含水层水与矿井水三维荧光光谱Figure 6 Three-dimensional fluorescence spectrum of aquifer water and mine water in Zhiluo Formation

由图5可知，志丹群含水层水只有一处荧光峰，分别在EX/EM=300/375，位于Ⅳ区与V 区的交界处，属于溶解性代谢产物与腐殖酸类物质的混合。

图6 中7～9 号为直罗组含水层地下水的三维荧光光谱，10 号为矿井水的三维荧光光谱。显然直罗组地下水与矿井水的三维荧光光谱类似，均只有一个荧光峰，位于Ⅳ区与V 区的交界处EX/EM=300/375，与志丹群含水层地下水的荧光光谱特征一样，属于溶解性代谢产物与腐殖酸类物质的混合。由此判断，志丹群地下水、直罗组地下水及矿井水三者之间水力联系密切，采煤扰动沟通了上覆两层含水层，使得志丹群、直罗组地下水经导水通道进入井下形成矿井水。

综上所述，结合志丹群、直罗组地下水、矿井水水化学特征、同位素特征及三维荧光光谱特征综合分析，认为矿井水主要来源于志丹群含水层与直罗组含水层地下水。

4 井下涌水各水源参与度分析

根据前节对研究区矿井涌水水源的判别，定性揭示工作面采空区涌水主要来源为志丹群含水层与直罗组含水层地下水。为了进一步定量查明志丹群含水层水与直罗组含水层水在矿井涌水中的参与比例，分别采用同位素方法和受体模型（Receptor Model）方法进行了计算分析。

4.1 同位素分析

两种不同的地下水混合后（二元混合），可利用δD和δ18O及其简单的线性关系确定二者比例，二元混合地下水（A与B混合）中A所占比例关系如图7所示［17］。

图7 混合地下水（二元混合）中地下水A所占百分数Figure 7 Percentage of groundwater A in mixed groundwater（binary mixing）

由于研究区矿井涌水主要由直罗组含水层水和白垩系志丹群含水层水两种水源组成，本次研究将δ18O 作为标识参数，两种水源混合后的δ18O 关系表达式［14］：

式中：δ为矿井水样中δ18O值，‰；δzd为志丹群含水层水中δ18O值，‰；δzl为直罗组含水层水中δ18O值，‰；γzd为志丹群含水层水所占比例。

将表2中检测数据带入式（1）中计算分析，得出研究区南翼矿井涌水中志丹群含水层占31.18%，直罗组含水层占68.82%；研究区北翼矿井水中志丹群含水层占10%，直罗组含水层占90%。

4.2 受体模型分析

受体模型（Receptor Model）为定量源解析方法之一［18-19］，在水体污染源定量解析中应用广泛［20］，其主要通过对受体（目标）样品中的污染因子进行计算从而确定各污染源的参与度（贡献率）。此方法优点为：一是无需关注（追踪）目标污染物迁移过程；二是不受污染源排放条件影响。

受体模型分析方法多样，主要包括：化学质量平衡法（CMB）、主成分分析法（PCA）、正定矩阵因子分析法（PMF）、最小二乘法（OLS）以及多元线性模型分析法（ME2）等，其中化学质量平衡法（CMB 模型）在国内外应用较为广泛，尤其是在无机污染物的源分析方面应用较多［21-22］。

本次研究建立CBM 模型对矿井涌水中志丹群含水层地下水与直罗组含水层地下水的参与度（贡献率）进行定量解析。设定研究区矿井涌水为受体，志丹群含水层地下水与直罗组含水层地下水为源头水（由于人为因素为次要因素，本次分析计算时忽略人为因素的影响），同时假设矿井涌水（受体）与补给水源之间符合以下条件：

1）矿井涌水的水源主要包含志丹群含水层地下水与直罗组含水层地下水。

2）两种补给水源中的各物质含量差异明显。

3）两种补给水源中各物质含量相对稳定。

4）两种补给水源中各物质含量之间互不影响。

5）两种地下水在形成矿井涌水途径中相对独立。

CBM模型表达式：

式中：Ni为矿井涌水中某物质i的浓度，mg/L；Pij为某物质i来源于第j类源的分数；Cj为第j类源贡献浓度，mg/L。其中Pij、Cj应符合以下限值条件：

同时，补给水源中物质的数量（m）必须小于或等于矿井涌水中种类数（n）时才有唯一解［23］。利用CMB模型进行物源解析时至少选择2种指标进行计算，由于Cl-具有很高的溶解度，其既不易与其他离子形成沉淀析出，也不易被岩土颗粒所吸附，是地下水中较为稳定的离子。HCO3-作为辅助计算指标。因此，本次研究选取Cl-、HCO3-作为计算指标。

本次共采集志丹群含水层水样6 组，直罗组含水层水样3 组，矿井水样6 组（表1）构建受体模型时将6 组志丹群含水层与3 组直罗组含水层作为源头水，将6组矿井水作为受体，共组合成研究区南翼矿井涌水和北翼矿井涌水各54组。

通过CMB 模型分析和计算，得出研究区北翼矿井涌水中来自于直罗组含水层比例在（75，100］的统计个数为37 个，统计占比为68.52%，由此说明研究区北翼矿井水中＞75%的水来自于直罗组含水层。研究区南翼矿井水中来自于直罗组含水层比例在（50，75］的统计个数为37 个，统计占比为68.52%，由此说明研究区南翼矿井水中直罗组含水层地下水占比在50%～75%。

5 结论

1）白垩系志丹群含水层地下水矿化度平均为237.05mg/L，水化学类型为HCO3—Ca·Na型；直罗组含水层地下水矿化度平均为1 371.09mg/L，水化学类型为SO4—Na及SO4·HCO3—Na型；矿井水矿化度平均为1 507.08mg/L，水化学类型为SO4·HCO3—Na型。

2）志丹群含水层地下水、直罗组含水层地下水δD 与δ18O 基本落在当地大气降水线上或其附近，说明地下水主要来自大气降水补给；矿井水δD 与δ18O基本落在志丹群含水层水和直罗组含水层水之间，间接表明矿井水有可能受这两种水源的补给。

3）白垩系志丹群含水层地下水、直罗组含水层地下水与矿井水的三维荧光光谱类似，均只有一个荧光峰，位于Ⅳ区与V 区的交界处EX/EM=300/375，属于溶解性代谢产物与腐殖酸类物质的混合。结果表明，志丹群地下水、直罗组地下水及矿井水三者之间水力联系密切，采煤扰动沟通了上覆两层含水层，使得志丹群、直罗组地下水经导水通道进入井下形成矿井水。

4）同位素分析结果表明：井田南翼矿井涌水中志丹群含水层水占31.18%，直罗组含水层水占68.82%；井田北翼矿井水中志丹群含水层水占10%，直罗组含水层水占90%；受体模型计算结果表明：井田北翼矿井水中＞75%的水来自于直罗组含水层，井田南翼矿井水中直罗组含水层地下水占比在50%～75%。

5）通过主要离子、矿化度、同位素以及有机物测试结果综合分析认为，石拉乌素煤矿矿井水受白垩系志丹群和侏罗系直罗组含水层共同补给，其中南翼井下涌水中，白垩系含水层水所占比例高于北翼井下涌水，但不管是南翼还是北翼，水样采集时，侏罗系直罗组含水层水是矿井涌水的最主要补给来源。