利用水化學特征識別朱莊煤礦突水水源

朱樂章

(淮北礦業股份有限公司孫疃煤礦，安徽省淮北市，235121)

礦井突水作為煤礦五大災害之一，關系著井下作業人員的生命安全，制約著礦井的發展。我國東部礦井淺層煤炭資源逐漸枯竭，隨著開采深度的增加，受煤層底板隱伏垂向導水通道威脅，礦井突水的隱患也不斷加大。目前，突水水源識別方法包括常規水化學分析法、水質模型法、微量元素法、環境同位素法、地下水動態觀測法等。通過研究區域地下水補給、徑流、排泄規律，結合水文地質條件，分析水化學特征成為一種快速判別突水水源的方法。

朱莊煤礦現主采5#煤層與6#煤層，砂巖含水層、灰巖含水層均可能成為煤層出水的水源，礦區垂向導水構造發育，因此面對礦井突水需及時判定突水水源，通過采集各含水層水樣進行水質分析，結合Gibbs圖、Piper圖、舒卡列夫分類，快速判定不同類型的礦井突水水源，為下一步突水治理提供參考依據。

1 主采煤層概況

朱莊煤礦位于安徽省淮北市屬閘河礦區，井田主要含煤地層為二疊系山西組和下石盒子組，礦井含煤7層，其中可采煤層4層，分別為3#、4#、5#、6#煤層，其中4#、5#、6#煤層為礦井主要可采煤層。

5#煤層厚度為0.1～6.37 m，平均厚度為2.44 m。煤層結構簡單，局部可見1～2層夾矸，頂板多為灰色泥巖及粉砂巖，含植物葉片化石，次為砂巖，底板多為深灰色泥巖，粗粒砂巖。

6#煤層位于山西組中下部、太原組頂部第一層石灰巖之上50 m左右，與5#煤層間距55～80 m。煤層厚度為0～6.75 m，平均煤厚2.51 m。與煤層頂直接接觸常有0.5～1.0 m的炭質泥巖和煤線，俗稱偽頂，向上多為灰黑色粉砂巖或泥巖，與偽頂組成6#煤層的復合頂板。

2 主要充水含水層概況

(1)下石盒子組5#煤層底板砂巖裂隙含水層。該含水層底板埋深245.90～764.70 m，平均埋深410.60 m；砂巖厚度1.4～37.10 m，平均厚度21.50 m。巖性以中、細粒砂巖為主。砂巖裂隙不發育，具有不均一性。含水層(段)以5#煤層底板以下的粗粒砂巖為主。該含水層地下水處于封閉～半封閉環境，以儲存量為主，是開采5#煤層直接充水含水層，對5#煤層的開采影響較大。該含水層(段)的突水通道主要為采動裂隙。

(2)山西組6#煤層頂、底板砂巖裂隙含水層。該含水層底板埋深303.71～807.61 m，平均埋深504.40 m；砂巖厚度2.29～50.22 m，平均厚度22.60 m。巖性以淺灰～深灰色夾少量灰綠色中、細砂巖、巖漿巖為主，夾灰色粉砂巖及泥巖。砂巖裂隙不發育，具有不均一性。受礦井排水的影響，地下水呈承壓～無壓，其水位逐年下降，變化較大，水位變化范圍為-150～-250 m。該含水層地下水處于封閉～半封閉環境，以儲存量為主，具有補給量不足、以靜儲量為主的特征。該含水層是6#煤層開采時直接充水含水層，對6#煤層的開采影響較大，特別是對深部巷道的掘進影響更大。根據井下突水點資料，該層突水多發生于6#煤層底板。

(3)太原組石灰巖巖溶裂隙含水層。上段一灰～四灰層含水層是6#煤層開采的主要充水含水層，也是6#煤層開采時防治水的主要對象。根據鉆探資料及礦井開采水文地質資料分析，灰巖內溶洞及溶蝕裂隙發育，已經發現該段有0.6 m的溶洞。相比較三灰、四灰巖溶發育程度高于一灰、二灰。橫向上存在巖溶發育帶，造成區內富水性極不均一。中下段中的五灰～十二灰灰埋藏較深，巖溶裂隙不太發育，水動力條件相對較差，距主采煤層較遠，為間接含水層段。太灰巖溶裂隙發育不均一，富水性差異較大，但總的來看，太灰含水層富水性較強，是6#煤層安全生產的重大隱患。2001—2011年礦井共發生過3次6#煤層底板太灰突水，都是由于斷層溝通太灰含水層引起的。

(4)奧陶系石灰巖巖溶裂隙含水層。該層總厚度大于500 m。該層含水層巖溶裂隙發育十分不均，一般淺部巖溶裂隙發育，向深部逐漸減弱。奧灰水位平均標高為10.91 m。奧灰含水層在礦區范圍內為埋藏型，在本礦東部為裸露型。該含水層(段)因距6#煤層200 m以上，一般情況下6#煤層開采時對礦井無突水威脅，但由于朱莊礦區導水構造斷裂發育，導致奧灰水與太灰水的溝通，因而不排除在斷層或巖溶陷落柱溝通情況下發生突水的可能性。奧灰厚度較大，淺部巖溶裂發育，富水性強。具有水壓高、水量大的特征，是礦井安全生產的重要隱患之一。

3 主要含水層水化學特征

3.1 5#煤層底板砂巖含水層

5#煤層底板砂巖含水層是5#煤層底板的直接充水水源，選取5#煤層底板砂巖水樣進行水質分析，主要離子含量見表1。由表1可以看出，陽離子以Na+為主，Na+含量150.40～667.25 mg/l；陰離子以 HCO3-為主，HCO3-含量440.15～1110.45 mg/l。

3.2 6#煤層頂、底板砂巖含水層

6#煤層頂、底板砂巖含水層是6#煤層開采的直接充水水源，分別選取6#煤層頂、底煤底板砂巖水樣進行水質分析，主要離子含量見表2。由表2可以看出，陽離子以Na+為主，Na+含量208.44～256.77 mg/l；陰離子以 HCO3-為主，HCO3-含量433.76～546.54 mg/l。

表1 5#煤層底板砂巖主要離子含量

表2 6#煤層頂底板砂巖水主要離子含量

3.3 6#煤層底板灰巖含水層

6#煤層底板灰巖含水層也是6#煤層底板的直接充水水源，選取6#煤層底灰巖水樣進行水質分析，主要離子含量見表3。由表3可以看出，陽離子以Ca2+、Mg2+為主，Ca2+含量51.60～98.25 mg/l, Mg2+含量24.93～ 32.77 mg/l；陰離子以 HCO3-為主，HCO3-含量312.60～367.05 mg/l。

3.4 不同含水層主要離子含量對比

對比分析可知，導致5#煤層、6#煤層出水的不同含水層主要離子含量平均值見表4。

從離子組成上分析，5#煤層底板砂巖含水層陽離子以Na+為主，陰離子以HCO3-為主，SO42-次之；6#煤層頂底板砂巖含水層陽離子以Na+為主，陰離子以HCO3-為主；相比較而言，5#煤層、6#煤層砂巖含水層具有相似的離子組成；6#煤層底板灰巖含水層陽離子以Ca2+、Mg2+離子為主，陰離子以HCO3-為主。

另外，6#煤層底板灰巖水的硬度平均值為296.34德國度，遠遠高于5#煤層砂巖水的57.08德國度與6#煤層砂巖水的10.06德國度；6#煤層底板灰巖水的TDS平均值為385.07 mg/l，小于5#煤層砂巖水的921.79 mg/l與6#煤層砂巖水的569.66 mg/l。

由此可見，可以將離子含量結合硬度與TDS作為判別煤層出水不同水源的依據。

表3 6#煤層底板灰巖水主要離子含量

表4 不同含水層離子平均含量

4 煤層出水水源判別方法研究

4.1 利用主要離子識別突水水源

通過對5#煤層、6#煤層不同含水層進行水質分析，得到主要離子含量，并得到水化學樣品的毫克當量百分比，見圖1。由表4與圖1可以得出，5#煤層頂板和6#煤層頂底板砂巖含水層Na+超過80%，而6#煤層底板灰巖含水層Ca2++Mg2+的毫克當量百分比超過80%；砂巖含水層水化學類型以HCO3-Na型水為主，而灰巖含水層以HCO3-Ca-Mg型水為主；因此，可以將主要離子的毫克當量百分比作為礦井突水水源識別的依據。

圖1 各含水層主要離子含量圖

4.2 Piper三線圖識別突水水源

將不同含水層各樣品投點至Piper圖上，如圖2所示。可以看出，從陰離子方面較難區分山巖含水層與灰巖含水層，但從陽離子方面可以看到，砂巖含水層位于陽離子三角形右下方，而灰巖含水層位于左中方；在菱形圖上可以看出，砂巖含水層位于菱形的下方，該區域以Na++K+以及HCO3-+CO32-為主，而灰巖含水層位于菱形的左中部，該區域以Ca2++Mg2+以及HCO3-+CO32-為主。因此，通過Piper圖可以直觀地反應水源類型。

圖2 各含水層Piper圖

4.3 Gibbs圖識別突水水源

1970年Gibbs通過將水體中Na+/(Na++Ca2+)的毫克當量比值(無量綱)作為橫軸，TDS(mg/l)作為縱軸設計了一種半對數坐標圖，該圖被用于解釋河水中水化學的影響因素，即巖石風化影響、蒸發影響以及降水因素，通過應用Gibbs圖可以分析河水中的離子起源和地下水中水體的影響因素。將各含水層的水化學樣品數據投到Gibbs圖上，如圖3所示。

圖3 各含水層Gibbs圖

由圖3可以看出，各含水層大部分水樣投點位于中部的巖石風化影響區，但是5#煤層底板砂巖含水層與6#煤層頂底板砂巖含水層位于Gibbs圖的中后部，而6#煤層底板灰巖含水層位于Gibbs圖的中前部。因此，根據水化學樣品在Gibbs圖中不同的投點區域，也可以識別水源類型。

5 結論

(1)砂巖含水層Na+毫克當量百分比超過80%，水化學類型以HCO3-Na型水為主；灰巖含水層Ca2++Mg2+毫克當量百分比超過80%，灰巖含水層以HCO3-Ca-Mg型水為主。因此可以根據毫克當量百分比的差異與水化學類型的不同進行煤層出水水源識別。

(2)砂巖含水層位于Piper圖陽離子三角形的右下方，菱形的下方；而灰巖含水層位于陽離子三角形和菱形的左中部，因此可以通過Piper圖分辨水源類型。

(3)砂巖含水層水樣一般位于Gibbs圖中后部，而灰巖含水層一般位于Gibbs圖中前部，因此通過Gibbs圖可以直觀識別出水水源。

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