礦井主要含水層水質分析方法判別水源

摘 要：水質分析是煤礦開采業一項重要的技術，它能夠精確判斷水源類型，對水質中各種離子的含量做出精確分析，對煤礦能否順利建設起著關鍵性作用。水質分析結果能夠判斷礦井水的水質特點和礦井水的來源水層，這一技術要點具有很重要的作用，能夠判斷水源來水方向，定量技術涌水量，正確預計水量的動態變化，為設置合理的防隔水煤巖柱提供可靠參考。本文根據筆者實際工作經驗，首先簡要介紹了安陽礦區水文地質概括，其次重點對水害事故經過及水質進行分析，為礦井的安全生產、抗水災救援提供了技術依據。

關鍵詞：水質分析；礦區水文地質；水硬度；礦化度

引言

判斷礦井涌水、突水水源的方法有很多。實踐證明，水質分析方法是一種較為有效而又簡便的技術方法，水質分析法在判定礦井涌水水源中的應用越來越廣泛，尤其應用在礦井水害防治實踐中，因為含水層的差異和老窯地下水化學成分的差異都是由不同的生成環境所致，進而所形成的地下水類型也不同，通常來說，主要差異有：賦存環境不同，地下水的補給、徑流、排泄、儲存條件差異。水質分析方法是通過確定礦井涌水里面的水化學成分，分析礦井水的水質成分，從而對水源位置進行確定。

1 安陽礦區水文地質概括

安陽礦區的地理位置是河南省北部安陽市，從它的形成來看屬于太行山東麓煤田的一部分，礦區西部緊鄰太行山脈，東面與京廣線接近，從占地面積上看，它具有42km的南北長和3.6km的東西寬，具有151km2的面積，區域內有生產礦井5對。地質資料顯示，礦區出露地層比較多，根據統計有：下奧陶冶里-亮甲山組白云巖；二疊系含煤層隸屬山西組；上第三系礫巖：主要有各類砂巖、泥巖等；第四系黃土、礫砂層。資料分析顯示，第三、四系含水巖系、石炭-二疊系含水巖系和奧陶系含水巖系是影響本區煤礦開采生產的主要含水巖系和巖組。其中，本礦區最主要含水巖系是奧陶含水巖系，根據富水性在各含水巖系中的差異將其分為中奧陶（O2），太原組薄層灰巖（L2，L8），山西組砂巖含水層（S9，S10）在地下水含量方面相對次之。第三系礫巖含水豐富的區域在礦區南部，含水層富水性較弱的部位在礦區北部和中部。此外，老空水也是煤礦開采過程中礦井的主要出水水源，也是很多水災水害事故發生的根源，事故一旦發生，最明顯的特點就是突發性，因為老空水不是一種賦存于地下介質含水層的水，它就是一個小的地表水體，一旦采掘工程觸及它，它就會以潰入的方式突然涌入到井下。

1.1 中奧陶系灰巖含水層（O2）

科學研究證實，中奧陶系灰巖含水層的主要成分是碳酸鹽沉積巖，具有400m的巖層厚度，對上距二1煤具有140m的距離，厚層灰巖是主要的存在形式。裂隙是巖溶的主要發育形式，具有較好的富水性，出露部位成片分布在西部山區的礦區，因為這里有大量的雨水作為水源補充，其他的補給主要是隱伏露頭、部分第四系潛水、河流、溝渠等等，該地區具有良好的循環條件。一般來說，礦區的含水層是構成礦井安全生產的威脅之一。如果含水層位一旦由于開采而被揭露，將給煤礦帶來災難性后果，灰巖難溶于水，它的主要成分為CaCO3和MgCO3，當存在CO2時灰巖發發生反映而部分溶解，具體反應如下：

CaCO3+CO2+H2O→2HCO3-+Ca2+

MgCO3+CO2+H2O→2HCO3-+Mg2+

從而形成特殊類型的良好水質（HCO3-Ca-Mg型），這類水質的化學性質有：總硬度（10～18°G），礦化度（287～570mg/L），pH值（7.25～8.35），化學分析研究后認為，奧陶系灰巖圍巖具有較低含量的Cl-、SO42-，性質單一，屬典型的華北型奧灰巖溶水，該水型易于判別。

1.2 石炭系二層灰巖含水層（L2）

石炭系二層灰巖含水層的位置是：下夾煤頂部，離二1煤百余米，厚度為8m，巖層中的主要成份是方解石，內部的主要特征是有溶洞，主要的存在形式是溶蝕裂隙，煤系地層中的含水量在自然條件下是較大的，往往被認為是下夾煤開采的主要充水水源。通常來說，巖層之間經常會在斷層、封閉不良鉆孔等的影響下，發生水力聯系，通常情況下，含煤地層中富含的金屬硫化物（FeS2），在氧化環境中能夠生成硫酸鹽，具體反映如下：

2FeS2+7O2+2H2O→2FeSO4+4H++2SO42-

4FeSO4+O2+10H2O→4Fe（OH）3+4H2SO4

H2SO4+CaCO3→Ca2++SO42-+CO2+H2O

系列反映導致SO42-含量有所增加，主要表現特征是高硫酸鹽構成的非碳酸鹽硬度較大，因為有Ca2+和Mg2+等離子在反映中會產生，產生的鈣、鎂離子在硫酸鹽中的溶解度要遠遠大于碳酸鹽溶解度，這也是導致該巖層硬度和礦化度較高的原因，一般大小是（810～1181mg/L），從一些水質分析報告來看，得到以下數據，總硬度（20～48.3°G），水質類型大多為兩種，分別是SO4-HCO3-Ca-Mg型和HCO3-SO4-Ca-Mg型，pH值（7～8）。

1.3 石炭系八層灰巖含水層（L8）

該含水層的主要位置是在二1煤下25～40m，具有5m的厚約，它的賦存條件與二層灰巖含水層相似，都是地下水，因其頂部是砂巖含水層與二灰水質有差別。該層自身具有較小的含水量，水源補充條件不好，且部分礦區處于被疏干狀態。HCO3-SO4-Ca-Mg型是典型的L8灰巖水質，具有19～47.7°G的總硬度，但由于受到上覆第四系或上層礫巖水下滲，砂巖水混入該層的影響，實際上很容易出現總硬度較低的HCO3-Ca-Mg型及HCO3-Na型，并伴隨有負硬度出現。

1.4 二疊系砂巖含水層（S9、S10）

二疊系的S10、S9兩組含水砂巖分布在二1煤頂、底板，其中的裂隙砂巖水中含有一定的水量，該層砂巖水的補給來源有限，且地化環境條件封閉，水體交替程度很差，因為，它的圍巖與灰巖含水層存在根本差別。砂巖中富有的鈉長石和鉀長石，在風化水解和離子交換的條件下形成大量的K+、Na+和HCO3-，反映式如下：

Na2Al2Si6O16+3H2O+2CO2→2Na++2HCO3-+H4Al2Si2O9+4SiO2

Ca（HCO3）2+2Na+→2NaHCO3+Ca2+

實驗測定表明，水中HCO3-、CO32-兩種元素含量較高，同時Ca2+、Mg2+在受到離子吸附的作用下，直接導致Ca2+、Mg2+以CaCO3和MgCO3等元素以沉淀形式析出，結果使Ca2+、Mg2+含量降低，Na+含量得以上升，形成了易于判別的HCO3-Na型水質，該水質與他各層地下水明顯差異的主要特點是具有較高的負硬度和較高的鈉離子含量。根據測量都具有8.3以上的pH值。此外，該砂巖含水層離八灰較近，常常發生水力聯系，導致部分地區水質演化為HCO3-Na-Ca型，甚至出現SO4-HCO3-Ca-Mg型水質。

1.5 第三系底部礫巖含水層

該含水層的主要特點是在礦區內不發育，不具有對對采煤造成威脅的水源，由于具有與奧灰水形成過程相近且同其水質相似，水質類型多為HCO3-Ca-Mg型，具有11.2～17.8°G之間的總硬度范圍，具有339～557.7mg/L的礦化度，具有7.68～8.48的pH值。但Ca2+與Na+離子在礫巖水入滲過程中因流經土壤帶的過程中發生離子交換吸附作用，與奧灰相比具有較高的Na含量，具有較高的Cl-含量，接近地表位置容易受到污染。

1.6 老窯水

老窯積水是煤層常見積水，水中嚴重缺氧氣，是在一種封閉的環境狀態下常年存在的，具有較低的pH值，呈酸性環境，是一種高度的還原環境。在這樣的環境中的水往往具有較高的礦化度，其中含有濃度較高的含硫化合物，例如：硫化氫的氣體，老窯水區別于其他各含水層的最明顯特征是具有非常高的礦化度和非常高的SO42離子含量。

2 水害事故經過及水質分析

15083工作面上部為15062工作面采空區，下部為23021工作面采空區，周圍是新老巷道空間，主要的威脅來自上、下采空區的局部注漿積水。實踐證明，在2012年4月剛剛回采時，工作面具有1～5m3/h的涌水量，而上、下順槽自掘進后一直存在頂板淋水及底板滲水現象。2012年11月10日在該工作面推進至3號出水點前5m位置處，2012年11月12日涌水量增大至32m3/h。按照“預測預報，有疑必探，先探后掘，先治后采”的探放水原則，11月13日地測科立即下發停采通知單，11月17日，水質分析報告結果。1號出水點：總硬度為37.87°G，pH值8.1，2號出水點：總硬度為2.83°G，負硬度32.78°G，3號出水點：總硬度為17.69°G，暫硬度14.66°G，負硬度無，4號出水點：總硬度為31.52°G，暫硬度31.52°G。

由出水點水質分析結果對照礦井內不同含水層及老空水的水質類型可以清晰地得出4個出水點的水質類型。由于1號和4號這兩處出水點礦化度和SO42-含量較高，被定性為老窯水的水質類型；2號出水點由于Ca2+、Mg2+含量明顯較小，且有較高的負硬度雖然沒化驗出K+、Na+這兩個標志性離子含量，被定性為頂板砂巖水；3號出水點為奧灰水類型，因為改層水具備奧灰水的特征，總硬度的大小范圍和其化學物質與奧灰水類似，最明顯的特點是，無CO32-、SO42-離子或含量非常小，而Ca2+、Mg2+及HCO3-等離子的含量非常豐富，水質類型比較典型（HCO3-Ca-Mg型）。這樣的水質主要來源是煤壁靜壓注水從煤壁縫隙和底板裂隙中滲漏形成。

該巷道段出水點雖較多，但從出水量的情況看，仍然有增加的趨勢，但綜合分析后認為，只有1號和4號出水點的水源相同，其它出水點的水源類型均不同，因此，依據這些信息即可排除這些出水點之間存在水力聯系的可能。由以上數據分析還可以得出，2號出水點為頂板砂巖水，其水量有限，多表現為滴淋水，對回采無大的威脅；而3號出水點為靜壓注水管里面的奧灰水，關閉煤壁注水，其出水點也自然終止，對生產并沒有產生任何后果；對1號和4號出水點的老空水，因工作面周圍皆為采空區，在加上存在很多老空巷，復雜的水文條件，老空水突發性、威脅性大，其水量、水壓大小、賦存狀況等皆尚不明晰。因此，對該兩處出水點分別進行針對性的鉆探驗證，鉆孔向采空區方向布置，孔深30m，鉆探施工結束，涌水量無明顯增大，因此可認為該兩處出水點僅為采空區局部積水，對生產無大的威脅。

3 結束語

水質分析在礦井建設生產中被認為是一項十分重要的水文地質技術性較強的基礎工作，對礦井建設的成敗起著關鍵作用，其主要作用有三點：①識別礦井內的各種變化規律，如：各含水層的水質特征及季節、水文年變化情況；②掌握礦井內主要含水層及老空水出水點的水質特征及季節變化規律，正確判定各出水點的水源；③對開采過程中出現的新出水點及時進行水質分析，把①和②中的結果作為實踐基礎標準同③通過對比發現，進而識別水源方向，分析判斷出水點涌水的未來發展趨勢。文中關于水質特征分析的部分觀點能夠為同行業技術人員提供參考，為煤礦建設技術人員提供參考。

參考文獻

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