華北隱伏型煤礦地下水水化學演化與突水水源判別

陳陸望，宋正輝

（合肥工業大學 資源與環境工程學院，安徽 合肥230009）

1 引言

我國華北隱伏型煤礦地下水系統往往是由多含水層構成的，且含水層間普遍存在不同程度的水力聯系［1］。為了有效防治煤礦重大突水事故，“預測預報”是首當其沖的任務。目前煤礦突水預測預報一般根據開采圍巖應力、變形、地球物理、水壓、水溫等信息的變化，構建煤礦開采突水預警模式［2］。不過，凡是煤礦重大突水，在發生之前總有一些預兆。從水量變化看，一般有“濕幫→滴水→淋水→流水→突水”的量變到質變的過程。于是，一些研究者另辟蹊徑，通過捕捉突水預兆期內的水化學信息，從簡單水質類型對比、標型組分識別、水化學多元統計或非線性分析等方法判別突水水源類型和預測突水模式［3-9］。但是，上述成果只是把我國華北隱伏型煤礦多含水層地下水系統看作孤立含水層的簡單組合，注重的是其中單一含水層的靜態水化學場，很少根據時間跨度與空間尺度考慮開采進程中多含水層地下水系統水化學演化，以致上述突水水源判別模型與突水模式在煤礦后續生產過程中的適用性受到限制。

淮北煤田是我國華北隱伏型煤田，現有大、中型礦井30余對，面積30 000km2。該煤田開采歷史悠久，目前煤炭產量6 000萬t／a，是華東地區重要的煤炭基地。煤田普遍發育松散層含水層（一般發育4個含水層，底部含水層（一般稱為“四含”）、二疊系煤系砂巖裂隙含水層（簡稱“煤系”）、石炭系太原組巖溶含水層（簡稱“太灰”）及奧陶系巖溶含水層（簡稱“奧灰”），為主要突水含水層。

本課題在闡明淮北煤田地下水系統基于地下水滲流路徑的水文地球化學演化模式的基礎上，以蘆嶺煤礦為研究示范，開展突水點常規水化學分析，建立采動影響下礦井突水模式與水源判別模型，研究成果對我國華北隱伏型煤礦水災防治提供重要理論支持。

2 地下水滲流與水化學演化模式

2.1 四含水滲流路徑與水化學特征

淮北煤田境內煤礦井下出水點水源如果來自四含水，一種可能路徑為直接通過煤層頂板導水裂隙，另一種路徑為通過斷層（或其它快速通道，如巖溶陷落柱等）進入煤系砂巖裂隙滲出。存在兩種滲流模式，一種為地下水在煤系砂巖裂隙內滲流路徑短、速度快；另一種為地下水在煤系砂巖裂隙內滲流路徑長、速度慢。

地下水在煤系砂巖裂隙內滲流路徑短、速度快主要有兩種情況：工作面煤層采動后頂板導水裂隙帶貫通四含（圖1中A模式）或頂板導水裂隙帶直接溝通斷層（圖1中B模式），以致四含水在工作面、采空區或巷道涌出。在這種情況下，井下出水點水化學特征應與上部四含水基本一致，由于地下水快速通過基巖風化帶或煤系砂巖裂隙以及斷層裂隙等，陽離子交替吸附作用微弱，水化學動態演化受控于上部四含水文地球化學環境。

圖1 四含出水點地下水滲流與水化學演化模式（在砂巖裂隙內滲流路徑短、速度快）

地下水在煤系砂巖裂隙內滲流路徑長、速度慢也有兩種情況：工作面采動后煤層頂板導水裂隙帶貫通砂巖裂隙，并且砂巖裂隙通過基巖風化帶與四含存在較好的水力聯系（圖2中A模式）或導水裂隙帶溝通上部煤系砂巖裂隙，并且砂巖裂隙通過導水斷層與四含水存在較好的水力聯系（圖2中B模式），以致四含水在工作面、采空區或巷道涌出。在這種情況下，出水點水化學特征不同于上部四含水，由于地下水在煤系砂巖裂隙內滲流路徑長、速度慢，水化學動態演化基于上部四含水地下水類型，并受控于煤系砂巖裂隙水文地球化學環境。

圖2 四含水出水點地下水滲流與水化學演化模式（在砂巖裂隙內滲流路徑長、速度慢）

2.2 煤系水滲流路徑與水化學特征

煤系水以靜儲量為主，地下含水空間零星分布，并且儲量不大，水量有限。井下出水點水源如果只是煤系水，而與其他含水層地下水水力聯系不暢，則水化學動態穩定，來自同一含水組的煤系水常規離子的測試結果基本上在誤差的范圍內。

工作面采動后頂板導水裂隙帶貫通煤系儲水空間（圖3中A模式），或頂板導水裂隙帶溝通導水斷層，并與煤系儲水空間存在水力聯系（圖3中B模式），以致煤系水在工作面、采空區或巷道涌出。在這種情況下，出水點水化學特征基于煤系水類型，并受控于煤系砂巖裂隙含水層零星展布空間與范圍、層組、展布形態與水文地球化學環境等，煤系出水點水化學特征表現微小差別。

圖3 煤系水出水點地下水滲流與水化學演化模式

2.3 灰巖水滲流路徑與水化學特征

工作面采動后底板導水裂隙帶與導水斷層（或巖溶陷落柱）溝通（圖4中A模式），以致灰巖水（包括太灰水與奧灰水）在工作面、采空區或巷道涌出。此時灰巖水通過砂巖裂隙滲出（或通過斷層或陷落柱直接涌出），滲流路徑短、速度快，井下出水點水化學特征應與下部灰巖水基本一致，水化學動態演化受控于下部灰巖水文地球化學環境。另外，導水斷層或巖溶陷落柱與煤系砂巖裂隙層組溝通，工作面采動后，其底板導水裂隙帶溝通煤系砂巖裂隙層組（圖4中B模式），以致灰巖水在工作面、采空區或巷道涌出。此時灰巖水在砂巖裂隙內滲流路徑長、速度慢，水化學動態演化基于下部灰巖水類型，并受控于煤系砂巖裂隙水文地球化學環境。

圖4 灰巖水出水點地下水滲流與水化學模式

3 基于地下水滲流與水化學演化的水源判別

3.1 淮北煤田主要突水含水層常規水化學特征

常規水化學揭示了地下水系統主要水-巖相互作用。基于礦區常規水化學資料，利用離子組合法，開展統計分析，得出淮北煤田主要突水含水層常規水化學特征如下：

（1）（rNa＋-rCl-）／rSO42-＞3，rNa＋／rCl-＞1，（rSO42-＋0.5rHCO3-）／（rCa2＋＋rMg2＋）＞3為煤系水特征；

（2）0＜（rNa＋-rCl-）／rSO42-＜1，rNa＋／rCl-＞1為四含水特征；

（3）0＜rSO42-／rCl-＜1，0＜（rSO42-＋0.5rHCO3-）／（rCa2＋＋rMg2＋）＜1為太灰水特征；

（4）rSO42-／rCl-＞1，（rSO42-＋0.5rHCO3-）／（rCa2＋＋rMg2＋）＞1為奧灰水特征；

（5）不滿足上述離子組合比公式，有可能是一種或幾種水的混合。

3.2 典型工作面突水點水化學動態分析

2010年9月28日下午17：00點，淮北煤田蘆嶺煤礦Ⅱ1016工作面回采至160m，機尾底板出現滲、涌水現象，實測涌水量為10m3／h。2010年9月29日涌水量上升至12m3／h。2010年10月1日夜班綜采支架向前推進了0.5m，在推進過程中涌水量一度升至48m3／h，工作面停采。2010年10月至12月份，水量穩定在19～40m3／h。2010年9月28日～2011年5月10日不定期地開展了水質測試，相關離子組合比值的變化趨勢見圖5。

結合模型離子組合比（rNa＋-rCl-）／rSO42-、（rSO42-＋0.5rHCO3-）／（rCa2＋＋rMg2＋）、rNa＋／rCl-、rSO42＋／rCl-在考察期間的動態變化，基于地下水滲流與水化學演化模式，可知Ⅱ1016工作面出水有如下特征：

（1）Ⅱ1016工作面出水不是真正的以靜儲量為主的煤系水，而是與太灰或四含存在較強的水力聯系；

（2）Ⅱ1016工作面出水點地下水在砂巖裂隙內滲流路徑長、速度慢，水化學動態演化基于太灰或四含水化學類型，并受控于煤系砂巖裂隙含水層水文地球化學環境。

煤系水滲流過程中具有較強的溶濾溶解作用與陽離子交替吸附作用（特別是在滲流初期）［10］，煤系水Na＋有明顯增加的趨勢，Ca2＋、Mg2＋顯著減少的趨勢。如果是四含水補給煤系砂巖裂隙，地下水在滲流過程中rNa＋／rCl-將會更大，與實際遠低于四含水樣相悖。另外，煤系水滲流過程中同樣具有較強的脫硫酸作用（特別是在涌水中期）［10］，因此，地下水在滲流過程中HCO3-有明顯增加的趨勢，如果是四含水補給煤系砂巖裂隙，地下水在滲流過程中rHCO3-／rCl-將會更大，與實際低于四含水樣相悖。因此，Ⅱ1016工作面水源來自四含水的可能性不大，應為下部太灰水，且地下水在砂巖裂隙中具有徑流路徑長、滲流速度慢、滯留時間長等特點。

3.3 典型工作面突水點水源判別分析

圖5 蘆嶺煤礦Ⅱ1016工作面地下水典型離子組合比的歷時曲線

將淮北煤田166個水樣的 Na＋＋K＋、Ca2＋、Mg2＋、SO42-、Cl-、HCO3-、CO32-測試結果分別代入判別模型，并繪制判別函數F1-F2散點圖（圖6）。根據圖6水樣點集中程度，可分析混合程度。煤系水基本上可以確定一個完整區，說明煤系水與四含、太灰與奧灰水混合程度小。相反，四含、太灰與奧灰水樣點不易確定完整區，說明采動影響下四含、太灰與奧灰水力聯系密切，含水層之間混合明顯。

蘆嶺煤礦2007年5月6日～2007年5月27日動態監測的太灰放水孔地下水點在F1-F2散點圖中位置基本不變，動態穩定，能較好地代表近期蘆嶺煤礦太灰水化學特征。同樣，蘆嶺井田Ⅱ1016工作面出水后，2010年9月28日～2011年5月10日對Ⅱ1016工作面突水點采集地下水樣品開展水化學動態監測。監測結果顯示，隨著時間的延續，Ⅱ1016工作面水樣點有向太灰水區域靠近的趨勢，因此，可判定Ⅱ1016工作面突水與太灰含水層地下水有直接的水力聯系，且地下水在砂巖裂隙中具有徑流路徑長、滲流速度慢、滯留時間長等特點。

圖6 蘆嶺井田主要突水含水層地下水樣F1-F2散點圖

4 結語

我國華北隱伏型煤礦采動后，巖層的移動與破壞進一步導致地下水系統水動力條件改變，系統內各含水層之間的補給關系在礦區內定然發生不同程度的改變［11］。水化學研究如果一味關注某一含水層，而不考慮開采擾動影響下系統內各含水層之間相互聯系和可能存在的水巖作用，也就很難全面認識地下水水化學環境的本來面目和可能的發展趨勢。因此，考慮典型華北隱伏型煤田——淮北煤田長期采動影響，以礦井下出水點為研究起點，通過反演分析，提出了淮北煤田主要突水含水層地下水滲流與水化學演化模式。基于此，分析蘆嶺煤礦Ⅱ1016出水點水化學動態變化，進而正確判別水源及其滲流突水模式。

［1］武強，趙蘇啟，李競生，等.《煤礦防治水規定》編制背景與要點［J］.煤炭學報，2011，36（1）：70-74.

［2］楊天鴻，唐春安，譚志宏，等.巖體破壞突水模型研究現狀及突水預測預報研究發展趨勢［J］.巖石力學與工程學報，2007，26（2）：268-277.

［3］王光才，王秀輝，李競生，等.平頂山礦區礦井突（涌）水水源判別模式［J］.煤田地質與勘探，1998，26（6）：47-50.

［4］周來，馮啟言，楊建華，等.濟寧三號井田礦井突水的水化學特征和水源判別［J］.中國礦業，2005，14（8）：66-69.

［5］張許良，張子戌，彭蘇萍.數量化理論在礦井突（涌）水水源判別中的應用［J］.中國礦業大學學報，2003，32（3）：251-254.

［6］姜諳男，梁冰.地下水化學特征組分識別的粒子群支持向量機方法［J］.煤炭學報，2006，31（3）：310-313.

［7］陳紅江，李夕兵，劉愛華.礦井突水水源判別的多組逐步Bayes判別方法研究［J］.巖土力學，2009，30（12）：3655-3658.

［8］楊永國，黃福臣.非線性方法在礦井突水水源判別中的應用研究［J］.中國礦業大學學報，2007，36（3）：283-286.

［9］桂和榮，陳陸望.礦區地下水水文地球化學演化與識別［M］.北京：地質出版社，2007.

［10］陳陸望.采動影響下礦區充水含水層水文地球化學演化機理與水源識別技術［R］.合肥：合肥工業大學博士后研究報告，2012.

［11］譚綠貴，張廣勝，汪萬芬，等.芻論礦床水文地質學研究的基本問題——兼談霍邱鐵礦開展水文地質研究的必要性［J］.皖西學院學報，2010，26（5）：83-87.