示蹤試驗(yàn)在煤層頂?shù)装宄渌畬铀β?lián)系探查中的應(yīng)用

穆鵬飛

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西省西安市，710054；2.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西省西安市，710177)

長平井田位于山西省沁水煤田南部礦區(qū)，隨著井田山西組煤炭資源的開采，礦井開拓逐步進(jìn)入太原組下組煤15#煤層的開采。該煤層直接頂板為K2灰?guī)r巖溶裂隙含水層，底板為奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水層。其中K2灰?guī)r平均厚度約10 m，單位涌水量為0.0009～0.0156 L/(s·m)，滲透系數(shù)為0.0026～0.0486 m/d，屬弱富水性含水層，而奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水層，單位涌水量為0.0009～0.0156 L/(s·m)，滲透系數(shù)為0.0026～0.0486 m/d，屬于弱～強(qiáng)富水含水層。

井田內(nèi)勘探及采掘揭露發(fā)育斷層390條，以層間正斷層為主，落差在30 m以上的斷層4條，落差10～30 m的36條，落差3～10 m的165條，落差3 m以下的185條；發(fā)育巖溶陷落柱256個(gè)，其中實(shí)際揭露69個(gè)，由于構(gòu)造的發(fā)育導(dǎo)致了K2灰?guī)r與奧陶系灰?guī)r含水層可能存在水力聯(lián)系，威脅礦井安全生產(chǎn)。因而查清含水層間的水力聯(lián)系及補(bǔ)給強(qiáng)度成為井田15#煤層頂板防治水重要問題。

探查含水層間水力聯(lián)系一般可采取聯(lián)合抽(放)水試驗(yàn)和化學(xué)示蹤試驗(yàn)，但聯(lián)合抽(放)水試驗(yàn)周期較長，抽(放)水量往往較大，額外增加較多工作量；而化學(xué)示蹤試驗(yàn)是在礦區(qū)煤層充水含水層地下水流系統(tǒng)的某個(gè)層位投放易于溶解水，又能隨地下水流運(yùn)移的示蹤微量離子，在礦區(qū)地下水流預(yù)計(jì)可到達(dá)區(qū)域或者層位，進(jìn)行微量離子的接收檢測，根據(jù)檢測結(jié)果，分析研究投放點(diǎn)與接收點(diǎn)之間水力關(guān)系，即微量離子投放含水層或接收含水層之間地下水是否存在水力關(guān)系以及地下水水流方向等。

2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

示蹤試驗(yàn)選擇碘化鉀、氟化鈉和氯化銨3種示蹤劑，其中碘、氟和銨等離子均為微量離子，在自然界含水層中背景值較低，是較為靈敏的示蹤離子，能形成較大的檢出峰值。在示蹤試驗(yàn)之前，取得試驗(yàn)含水層微量離子的背景值，示蹤劑在投放前用1 m3的容器進(jìn)行水溶解，然后將試劑溶液注入投放孔，進(jìn)入目標(biāo)含水層地下水。

為了探查K2灰?guī)r與奧陶系灰?guī)r含水層之間的水力聯(lián)系，示蹤試驗(yàn)分別選擇奧灰峰峰組長觀孔、上馬家溝組長觀孔、峰峰組和上馬家溝組混合長觀孔、太原組K2灰?guī)r長觀孔等7個(gè)水文長觀孔作為微量離子示蹤劑的投放和檢測孔進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)于2016年10月17日進(jìn)行，分別在9∶00、13∶00、14∶00開始投放，投放孔C2孔、C3孔、C4孔全部為奧陶系灰?guī)r含水層長觀孔，投放示蹤劑為碘化鉀、氟化鈉、氯化銨，用時(shí)1 h將試劑溶液投放于含水層；接收檢測孔C5孔、FF1孔、FS1孔為奧陶系灰?guī)r含水層長觀孔，K2孔為石炭系太原組K2灰?guī)r含水層長觀孔。試驗(yàn)前測得接受檢測孔含水層微量離子的背景值：C5孔碘離子、氟離子、銨離子的背景值分別為0.002 mg/L、1.009 mg/L、0.043 mg/L；FF1孔碘離子、氟離子、銨離子的背景值分別為0.002 mg/L、0.973 mg/L、0.484 mg/L；FS1孔碘離子、氟離子、銨離子的背景值分別為0.001 mg/L、0.977 mg/L、0.064 mg/L；K2孔碘離子、氟離子、銨離子的背景值分別為0.004 mg/L、3.359 mg/L、1.041 mg/L。檢測孔取樣頻次為投放孔化學(xué)示蹤劑溶液投放后每小時(shí)取水樣一次，示蹤試驗(yàn)總歷時(shí)15 d。各水文孔參數(shù)統(tǒng)計(jì)情況見表1。

表1 水文孔參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

3 檢測方式

將檢測孔所取水樣送到移動(dòng)水化學(xué)快速檢測儀器車，采用離子選擇電極法檢測水樣中的微量離子。在檢測碘、氟、銨等微量離子時(shí)，需要在水樣中加入適量的離子強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑，用對(duì)應(yīng)的離子選擇電極對(duì)示蹤離子進(jìn)行測試，在攪拌動(dòng)態(tài)條件下測量由參比電極和選擇電極組成的電池電位值，并且在測量期間保持一定的平衡時(shí)間，待電位穩(wěn)定后進(jìn)行讀數(shù)，根據(jù)所使用的電極測定標(biāo)準(zhǔn)溶液的電位值繪制標(biāo)準(zhǔn)濃度曲線，使用同樣的步驟進(jìn)行檢測孔水樣的測定，并在標(biāo)準(zhǔn)濃度曲線上獲得其電位值所對(duì)應(yīng)的微量離子濃度，根據(jù)檢測數(shù)據(jù)及時(shí)繪制微量離子濃度變化曲線，碘離子、氟離子和銨離子的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線如圖1所示。

圖1 碘離子、氟離子和銨離子的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線

4 試驗(yàn)過程

根據(jù)C5、K2、FS1檢測孔水樣檢測數(shù)據(jù)繪制碘微量離子濃度歷時(shí)曲線，如圖2所示。K2孔碘離子的濃度背景值為0.004 mg/L，于10月19日10：00開始接收到碘離子示蹤劑，離子濃度為2.465 mg/L，離子濃度變化趨勢較明顯，并于10月21日19：00獲得峰值離子濃度為41.303 mg/L，隨后離子濃度于10月24日22：00降至4.005 mg/L，并隨著時(shí)間的推移，碘離子濃度接近背景值，趨于穩(wěn)定；C5和FS1檢測孔水樣在整個(gè)示蹤試驗(yàn)過程中，碘離子濃度均在0.001～0.003 mg/L之間，接近于背景值附近，無明顯變化。

圖2 C5、K2、FS1檢測孔水樣檢測數(shù)據(jù)繪制碘微量離子濃度歷時(shí)曲線

根據(jù)FF1檢測孔水樣檢測數(shù)據(jù)繪制碘微量離子濃度歷時(shí)曲線，如圖3所示。FF1孔碘離子的濃度背景值為0.002 mg/L，于10月19日7:00開始接收到碘離子示蹤劑，離子濃度為0.156 mg/L，隨著時(shí)間離子濃度變化趨勢較明顯，并于10月22日16:00獲得峰值離子濃度為0.822 mg/L，隨后碘離子濃度于10月26日7:00降至0.207 mg/L，并隨著時(shí)間的推移，碘離子濃度降至背景值附近，趨于穩(wěn)定。

圖3 FF1檢測孔水樣碘離子濃度歷時(shí)曲線圖

C5、FF1、K2、FS1檢測孔的氟離子和銨離子在整個(gè)示蹤試驗(yàn)過程中，離子濃度均在背景值附近，未有明顯變化。氟離子濃度歷時(shí)曲線圖見圖4，銨離子濃度歷時(shí)曲線圖見圖5。

5 結(jié)果分析

示蹤試驗(yàn)開始前測得K2孔碘離子的濃度背景值為0.004 mg/L，整個(gè)試驗(yàn)過程中K2孔出現(xiàn)峰值離子濃度為41.303 mg/L，隨后隨著時(shí)間的推移，碘離子濃度接近背景值，趨于穩(wěn)定。試驗(yàn)表明C2孔奧陶系灰?guī)r含水層與K2孔太原組K2灰?guī)r含水層地下水之間存在一定的示蹤關(guān)系，推測化學(xué)示蹤劑通過奧陶系峰峰組灰?guī)r含水層以及局部構(gòu)造相互連通、進(jìn)而導(dǎo)通至K2灰?guī)r含水層的可能性較大，從而說明井田煤層頂板K2灰?guī)r與奧陶系灰?guī)r含水層之間存在一定的水力聯(lián)系，但從示蹤劑各微量離子變化濃度曲線變化值反應(yīng)的信息來看，不存在集中的波峰區(qū)域，15#煤層頂板K2灰?guī)r與奧陶系峰峰組灰?guī)r含水層地下水之間水力聯(lián)系較弱，因此，隨著15#煤層的開采頂板K2灰?guī)r水對(duì)礦井威脅較小。

圖4 氟離子濃度歷時(shí)曲線圖

圖5 銨離子濃度歷時(shí)曲線圖