煤炭开采对灰岩水影响研究

谢 毫

（1.安徽省矿山生态修复工程实验室，安徽淮南 232001；2.煤矿生态环境保护国家工程实验室，安徽淮南 232001）

0 引言

淮南矿区谢桥煤矿为加快井田深部煤炭开采，实施了矿井二水平生产系统及相关安全设施建设，于2012年12月建成，提升生产能力至960万t/a。由于煤炭本身就受底板承压灰岩水的威胁［1-2］，在矿山开采的扰动下，易引起采动裂缝、弯曲沉陷、介质孔隙率、渗透能力及强度的变化，以及地下水位、水力梯度、水流状态、水量的变化等现象［3］，从而改变地下水原有的补给、径流和排泄循环关系，对矿井的安全开采，以及地下水资源的保护利用产生了较强的影响。近年来，不少学者对淮南煤田不同矿井的水文地质条件、水化学特征和突水水源识别等进行了研究［2，4-8］，但同时就煤炭开采对灰岩水水化学指标演化规律以及水文地质影响的研究较少。以谢桥煤矿为研究区域，通过分析煤矿水文地质资料、水文观测数据及历史水化学数据，以及煤矿东风井-440m 井底车场的自流灰岩水连续实测数据，研究煤矿灰岩水在短时期和长时期不同研究时间序列下的水质、水位和水量随时间变化趋势，探讨煤炭开采对灰岩水的影响关系，促进矿区的防治水和灰岩水资源的保护利用等工作。

1 地质及水文地质条件

研究区为全隐蔽井田，地层全系钻孔揭露，由老至新分别为寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、三叠系和新生界。井田含煤地层为上石炭统太原组和二叠系山西组与上、下石盒子组，其中二叠系山西组与上、下石盒子组为井田主要含煤地层。研究区煤炭层底板下伏石炭系太原组（C2Ⅰ层段、C2Ⅱ层段、C2Ⅲ层段）的总厚度约为15m，与上覆山西组为整合接触关系［2］。

矿区主要含水层由新生界松散孔隙含水层、二叠系砂岩裂隙含水层和灰岩岩溶裂隙含水层等组成。其中太原组灰岩岩溶裂隙含水层是淮南矿区的重要含水层，直接赋存在二叠系底部1煤下，是1煤层底板的突水水源［1］。太原组厚度在87.0～125.80m，平均106.39m，由灰岩、泥岩、砂质泥岩、砂岩及薄煤层组成，其中含灰岩12 层，累厚56.84m，占组厚53%。太原组灰岩自上而下可分为三组，一是C2Ⅰ组灰岩，含C21、C22、C23上、C23下灰岩，其中C21、C22为薄层灰岩，C23上、C23下厚度较大，分布稳定，为1 煤开采直接充水含水层组，平均组厚32.73m；二是C2Ⅱ组灰岩，含C24、C25、C26、C27、C28、C29灰岩，其中C25、C26相对较厚，C27、C29相对较薄；三是C2Ⅲ组灰岩，含C210、C211、C212灰岩，其中C211灰岩最厚、全区稳定，C212分布不稳定。根据谢桥矿补勘报告［9］可知：谢桥井田内有27个钻孔揭穿太原组，23个孔揭穿正常地段，厚度87.6～134.4m，平均111.06m，由灰岩、泥岩、砂质泥岩、砂岩及薄煤层组成，其中含灰岩13层，累厚65.19m，占组厚58.7%，水质Cl—Na 型，矿化度2.19～2.57g/L，水温22～38℃，富水性不均一，由弱—强，循环条件近于停滞。

2 样品采集和数据分析

2022 年4 月至12 月，连续开展了谢桥矿东风井-440m井底车场的自流灰岩水的现场采样和测试分析工作，共计采集样品8 批次。所有样品均按照《水质采样技术指导》（HJ 494—2009）等标准要求进行采集和固定封存，分析测试则是委托具备中国计量认证/认可（CMA）资质的第三方检测公司进行。主要分析测试Ca2+，Mg2+，K+，Na+，Cl-，SO42-，CO32-，HCO3-等常量水化学指标［9-11］；收集谢桥矿2013—2021 年灰岩水水文地质数据和水化学数据，并对收集到的水化学数据进行阴阳离子检验，以保证数据的准确性。

3 结果与讨论

3.1 水化学指标月变化趋势

对谢桥矿东风井-440m井底车场自流灰岩水的实测数据进行统计分析，确定灰岩水水化学指标月变化如图1所示。

图1 2022年水化学指标月变化Figure 1 Monthly changes of hydrochemical indices in 2022

从图1 可以看出，K+，Na+，Ca2+，Mg2+，Cl-，SO42-，HCO3-含量在短时期内均成波状起伏状态，无明显增大或减小倾向。由此可推测在短时期内奥灰水的水化学指标呈现相对稳定状态，各水化学指标数值虽有波动，但还是保持在一定范围内，未出现明显的趋势变化。

3.2 水化学指标年变化趋势

对谢桥矿东风井-440m井底车场自流灰岩水的历史数据进行统计分析，确定灰岩水水化学指标年变化如图2所示。

图2 水化学指标年变化Figure 2 Annual changes in hydrochemical indices

从图2 可以看出，灰岩水中水化学指标含量有如下变化：

1）K+，Na+，Cl-，SO42-等水化学指标含量呈波动减小。K+，Na+，Cl-，SO42-等水化学指标的含量在研究时期内均呈现出减小趋势，且K++Na+与Cl-数值变化趋势基本一致，这与郝春明等对峰峰深层奥灰水水化学指标含量逐年增高的研究结果相异［12］。这是因为峰峰深层奥灰水的水化学特征主要是受水岩作用，而谢桥矿的灰岩水除受水岩作用外，还受到大气降水补水的影响。

根据对谢桥矿灰岩水文地质特征以及地下水的补给、径流和排泄条件进行研究确定［13-15］，张集谢桥井田附近存在面积较大的灰岩露头区，可以直接接受大气降水的补给，雨水渗漏到各含水层通过导水断层、岩溶裂隙向矿区内径流，是区内灰岩含水层的主要补给水源。在对潘谢矿区太灰水和奥灰水的氢氧稳定同位素进行研究分析后发现，两含水层的氛盈余均低于全球大气降水氖盈余平均值（10%）［16］，说明地下水接受的是暖季大气降水的补给，进一步证明了大气降水对灰岩水的补给作用。

而谢桥矿长期对灰岩水的疏排，导致大气降水对灰岩水的补给量增大和补给占比增高，由于补水水源大气降水中的K+，Na+，Cl-，SO42-等水化学指标含量是要远小于灰岩水中离子的含量，补给水汇入灰岩水导致灰岩水中的水化学指标含量降低。同时也间接说明了灰岩水中的水化学指标应主要来源于地下水对岩盐的溶解，而其中Ca2+，Mg2+和K+，Na+之间的阳离子交替吸附作用均已处于稳定和平衡状态，在无外界干扰的情况下灰岩水中的K++Na+，Cl-，SO42-数值应保持一定的稳定性。

2）Ca2+，Mg2+，HCO3-等水化学指标含量稳定在一定范围。Ca2+，Mg2+含量在研究时期内呈现出稳定在一定数值范围，无明显的减小或增大趋势，这是因为灰岩水中Ca2+，Mg2+最高质量浓度分别为40.4、45.7mg/L，其含量相对较低；同时由于大气降水在对灰岩水的补给过程中会溶解部分碳酸盐、硅酸岩和蒸发岩等岩盐，促使了补给水中含有了Ca2+，Mg2+，推测其含量与灰岩水中的Ca2+，Mg2+含量相近，故未对灰岩水中Ca2+，Mg2+含量产生明显的影响。

HCO3-含量在研究时期内呈现出稳定在一定数值范围，无明显的减小或增大趋势，是因为灰岩水中存在有碳酸盐岩和硅酸盐岩溶解产生的HCO3-，推测作为灰岩水补给水源的大气降水由于吸收空气中的CO2进而产生了补给水中的HCO3-，补给水中的HCO3-含量与灰岩水HCO3-含量相近，因此便产生了灰岩水中HCO3含量未产生明显变化的结果。

3.3 水位年变化趋势

谢桥矿灰岩水年水位变化趋势如图3所示。

图3 水位年变化Figure 3 Annual variation of water level

从图3可以看出年水位变化特点如下：

1）灰岩水各观测孔水位均不同。谢桥矿6个太灰水观测孔和2个奥灰水观测孔的水位始终存在差异，这表明了各观测孔所代表的灰岩岩溶裂隙含水单元所承受的水压均不同，8 处岩溶裂隙含水单元应为独立的水文单元，即谢桥矿灰岩含水层并非是一个完全贯通的整体，应该分为多个独立的岩溶裂隙含水单元，这与谢桥矿灰岩水均属于岩溶裂隙含水层的水文地质条件相一致［15，17-19］。

2）灰岩水水位整体呈持续下降的趋势。这主要是由于谢桥、张集等煤矿在煤炭的开采过程中不断抽排灰岩水，由于奥灰水对太灰水补给作用的存在［14，20］，奥灰水通过导水通道在对灰岩水的补给过程中随灰岩水一并被疏排出去，同时由此还可推测出，灰岩水的补给量是要小于疏干排水的抽排量。同时，可以看出C2-I 组和C2-II 组的水位虽然差异较大，但变化趋势较相似，说明C2-I 组和C2-II 组之间存在一定的水力联系；C2-Ⅲ组含水层和奥灰水的水位不但较为接近，且变化趋势也较一致，说明C2-Ⅲ组和奥陶系灰岩之间存在较为紧密的水力联系。

3）灰岩水各观测孔水位对矿井突水事件响应性相似。煤矿的突水事件以及矿井单位开展的降压疏排是导致水位突然下降的主要因素，通过对谢桥矿的矿井突水事件进行分析确定，谢桥矿于2013年9月发生了4煤底板砂岩裂隙水突水，补ⅢC2-Ⅲ、补C2-I，C2-II，C2-Ⅲ等灰岩水观测孔，以及Ⅷ东O1+2、补D13O 奥灰观测孔水位有明显的变化响应；2017年3—4 月发生了奥灰水和6 煤顶底板砂岩裂隙水突水，补D13C2-Ⅰ、补ⅢC2-Ⅲ灰岩水观测孔水位有明显的变化响应。由此可判定谢桥矿C2-I 组、C2-II组和C2-Ⅲ组与奥陶系灰岩之间均存在一定的水力联系，其灰岩水整体可视为一个系统，此岩溶洞系由主杆溶洞、各级支脉溶洞和岩溶裂隙等组成［21］，各岩溶裂隙含水单元在岩溶洞系中所处的位置以及之间的亲密关系等条件是决定灰岩含水层各岩溶裂隙含水单元之间水力联系的强弱的关键。

3.4 水量年变化趋势

谢桥矿年平均涌水量变化如图4所示。

图4 涌水量年变化Figure 4 Annual variation of water inflow

从图4 可以看出：谢桥矿的矿井水涌水主要为煤系水，其矿井涌水量年变化趋势基本与煤系水水量年变化趋势相平行，同时煤系水水量约占矿井总涌水量的2/3，灰岩水涌水量占总涌水量不足1/3。

灰岩水占比较低，其主要原因还是由于谢桥矿对灰岩水开展了大量注浆封堵工程，1993 年10 月至1995年9月，谢桥矿开展了东风井地面注浆堵水钻探工程，注浆工程实施后，实测涌水量为344.5m³/h，减少井下涌水量195.5m³/h，堵水率达到36.3%；2005年8月至2007年10月，谢桥矿实施地面钻孔注堵工程，工程结束后实测涌水量为74.2 m³/h，减水206.58m³/h，减水率73.6%；2011 年由于东风井井底车场巷修，灰岩水出水量逐渐增大，最大至125m³/h，近年来出水量逐渐缓慢下降，截至2022 年6 月水量稳定在85m³/h左右。

4 结论

1）在短时期内，灰岩水中的K+，Na+，Cl-，SO42-，Ca2+，Mg2+，HCO3-等常量水化学指标含量具备相对稳定性。在长时期内，受灰岩水补径排的影响，K+，Na+，Cl-，SO42-等指标的含量呈波动减小趋势，但Ca2+，Mg2+，HCO3-等指标的含量表现相对稳定，只在在一定范围内波动。

2）灰岩水的水位变化揭示了谢桥矿灰岩含水层应为多个岩溶裂隙含水单元组成，虽然之间未能贯通，但仍存在水力联系，整体可视为一个系统；岩溶裂隙含水单元在岩溶洞系中所处的位置以及之间的亲密关系决定了岩溶裂隙含水单之间的水力联系强弱。

3）谢桥矿对灰岩水开展的注浆封堵工程有效的控制住了灰岩水的涌出，在谢桥矿矿井涌水中灰岩水占总涌水量不足1/3。