煤礦采空區積水水源的識別研究

任海峰，吳青海，李西民，嚴由吉

(1.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054；2.陜西黃陵二號煤礦有限公司，陜西 黃陵 721307)

0 引 言

隨著煤田開采逐漸由淺部轉向深部，采掘活動的影響范圍逐漸擴大，采空區積水對礦井安全生產的影響日益凸顯。采空區積水是威脅煤礦安全生產的嚴重水害因素，如何準確判別采空區積水的水源是預防礦井水害的關鍵性因素之一。水化學特征分析法、模糊綜合評判法是判別采空區積水的主要方法[1-3]。

水化學特征分析法，可以判斷地下水的來源，揭示不同含水層間水力聯系，有助于認識區域地下水水化學特征[4-6]。QUANG等應用水化學分析，揭示了德國魯爾地區煤礦地下水水文化學演變過程[7]。楊建通過對葫蘆素煤礦各含水層的水化學特征分析，判別了該礦礦井水來源[8]。郭瑞等在大量水化學資料分析的基礎上，將水化學分析與Fisher分析法結合判別水源[9]。VERMEULEN等在南非的一個煤礦采用水化學分析法分析采動是否破壞淺部含水層和較深含水層之間的水文地質屏障，從而確定了2個含水層之間潛在的導水區域[10]。ZHANG等采用水化學分析、Fisher判別分析等方法，對安徽古北煤礦突水水源進行了識別[11]。DELIA等應用水化學分析法分析了地表水、地下水和礦井水之間的關系[12]，魏大勇等運用分形理論與模糊綜合評判方法對恒源礦底板突水的危險區域進行分區與預測[13]。GUAN等應用模糊綜合評價法和聚類分析法，對內蒙古民東一礦的突水水源進行了識別[14]。姬亞東基于聚類分析的模糊綜合評判法，對頂板涌水區進行了劃分[15]。李鳳蓮等為了提高水源判別準確率，提出一種改進的模糊綜合評判模型[16]。張紅梅等針對臥龍湖煤礦砂巖裂隙含水層水文地質條件，采用模糊聚類綜合評判方法對該含水層富水性進行了綜合評判[17]。代革聯等采用水質分析對比和系統聚類分析相結合的方法，判別了象山煤礦280排矸石門突水的水源[18]。

水化學特征分析法、模糊綜合評判法具有各自的優點，但是，水化學特征分析法受水文地質條件的干擾較大，模糊綜合評判法中樣本選取、權重系數確定對判定結果影響較大。單一分析法難以顧全各種影響因素，為了更加準確判別采空區積水水源，本研究立足于將模糊綜合評判方法和水化學特征分析方法有機結合起來，以陜西黃陵二號煤礦為例，綜合判別采空區積水的水源。

1 水文地質特征及水樣特征

1.1 水文地質特征

黃陵二號煤礦地處陜北黃土高原南部，屬于黃隴侏羅系煤田，位于鄂爾多斯盆地南緣。侏羅系延安組為本區含煤地層，主采煤層為2#煤層，平均厚度2.32 m，層位穩定且全區分布。開采方式為單水平、分盤區開采。地層總體傾向北西，地層傾角小于5°。

按巖性組合及含水層水力性質埋藏條件等，該區含水層自上而下主要有：地表水、第四系、白堊系、侏羅系。第四系松散層含水層巖性為細砂，屬弱-極弱富水的含水層。白堊系洛河組含水層巖性以砂巖為主，富水性屬中等-強。侏羅系自上而下分為侏羅系直羅組、侏羅系延安組，富水性為弱-極弱。

1.2 水樣采集與特征分析

表1 水樣水質特征Table 1 Water quality characteristics of water samples

2 模糊綜合評判法判別水源

模糊綜合評判法是一種基于模糊數學的綜合評判方法，該方法根據模糊數學的隸屬度理論把定性評判轉化為定量評判，即用模糊數學對受到多種因素制約的事物或對象做出一個總體的評判[19-20]。

表2 水樣水質特征均值Table 2 Mean value of water quality characteristics of water samples

2.1 建立權重模糊矩陣

(1)

式中ei為權重向量；xi為采空區積水樣中第i個因素指標實測值；ai為對應的第i個因素指標在3個已知含水層中的平均值。依據以上公式并以16號采空區水樣為例得出E1={0.10，0.05，0.22，0.06，0.09，0.48}。

2.2 確定隸屬度函數

依據已知信息，采用專家推理法，確定隸屬度函數為梯形模糊分布函數。以16號水樣中的Ca2+為例進行計算，其隸屬度函數r采用降半階梯型分布函數。

(2)

2.3 模糊矩陣復合運算

通過模糊矩陣復合運算得到16號水樣的綜合評判結果為

B1=E1R1=(0.03，0.24，0.72)

同理分別求出17、18號采空區積水水樣的權重模糊矩陣E2和E3以及模糊評價矩陣R2和R3，得出綜合評判結果B2和B3。16、17、18號采空區積水水樣的評判結果見表3。

2.4 評判結果

評判結果B1中0.72>0.24>0.03，其中0.03、0.24、0.72分別代表白堊系洛河組、侏羅系直羅組、侏羅系延安組水樣對于采空區水樣的隸屬度，依據最大隸屬度原則分析得出：16號水樣來源為侏羅系延安組。同理分析B2和B3可得17號、18號水樣來源均為侏羅系延安組，即采空區積水來自侏羅系延安組。各計算結果表明侏羅系延安組水樣的隸屬度最大，而侏羅系直羅組次之。但侏羅系直羅組水是否作為采空區積水來源之一，模糊綜合評判法因模糊性的干擾無法進行有效的判別，因此下文將進行進一步的驗證，并結合導水通道研究綜合判別水源。

表3 模糊綜合評判結果Table 3 Results of fuzzy comprehensive evaluation

3 水化學特征分析法判別水源

含水層的巖性特征、水文地質條件以及賦存環境等對地下水化學成分的形成產生重要影響[21-23]。不同含水層因圍巖性質、循環條件等因素的作用，具有不同的水化學特征，通過分析各含水層的水化學特征并與采空區積水進行比較，進而判別水源[24-25]。

3.1 各含水層水化學特征分析

3.1.1 地表水水化學特征

地表水屬于弱堿性水，礦化度較低。水質類型為HCO3-Mg·Ca、HCO3·SO4-Mg·Ca型水，與大氣降水具有相同的水質。

3.1.2 第四系含水層水水化學特征

第四系含水層水為弱堿性，低礦化度。水化學類型為HCO3-Mg·Ca、HCO3-Na·Ca，水化學類型與地表水接近。

3.1.3 白堊系洛河組含水層水化學特征

白堊系洛河組水質總體表現為低礦化度、弱堿性、重碳酸鈣型水特征。水質類型以HCO3·SO4-Na·Ca(Mg)、HCO3-Mg·Ca為主。該含水層與地表水、第四系松散層水力聯系非常密切，水循環較快，可以將地表水、第四系和白堊系含水層視為一個整體的淺部含水層。

3.1.4 侏羅系直羅組含水層水化學特征

侏羅系直羅組含水層水質呈弱堿性，礦化度較高，含水層水化學類型以SO4-Na、Cl-Na為主，其水化學特征與第四系和白堊系含水層存在顯著區別，說明本地區淺部含水層與深部含水層在地下水運移和水文地球化學演化等方面存在較大差異。

3.1.5 侏羅系延安組含水層水化學特征

侏羅系延安組水質呈弱堿性，水質類型為SO4-Na、Cl-Na型。延安組水的礦化度在礦區含水層中最高。長期的滯流型地下水運移和水文地球化學演化過程中，形成了高礦化度、弱堿性、硫酸鈉(氯化鈉)型水。

3.1.6 采空區積水水化學特征

采空區積水的水化學類型以SO4·Cl-Na、Cl·SO4-Na為主。水化學特征表明，采空區積水主要受深部含水層巖性、地下水運移、水巖作用綜合影響，以及頂板水進入采空區后，與巖石垮落物發生的水巖作用，導致采空區儲水形成了高礦化度、硫酸鈉(氯化鈉)型水，與淺部含水層(包括第四系和白堊系)存在較大差異，水質與侏羅系直羅組、侏羅系延安組接近。

3.2 采空區積水水源分析

依據表1所有水樣數據，利用Aquachem軟件繪制水化學背景Piper三線圖和水源判別Piper三線圖，如圖1和圖2所示。

圖1 水化學背景分析Fig.1 Background analysis of hydrochemistry

圖2 水源判別Fig.2 Water source discrimination

從圖1可分析出地表水主要處于菱形的左側，白堊系洛河組水和第四系水處于左中部，水質類型主要呈現出HCO3-Ca(Mg)的特點，可與地表水視為同一淺部含水層。而直羅組和延安組含水層水樣處于菱形的右側，水質類型呈現出SO4-Na型和Cl-Na型的特點。圖2直觀顯示出采空區積水樣位于菱形右端，水質類型為SO4-Na型和Cl-Na型，與侏羅系直羅組和侏羅系延安組含水層水樣相似。

從兩圖分析可以得出：采空區積水水源來自侏羅系直羅組和延安組。采空區積水水化學特征與淺部含水層(地表水、第四系、白堊系)存在非常大的差異，與侏羅系直羅組和侏羅系延安組水化學特征相近，表明采空區積水水源以侏羅系直羅組和延安組含水層水為主。

4 導水通道判斷

礦井充水分別受大氣降水、地表水和地下水等因素的影響，通過以上模糊綜合評判法和水化學特征分析得出，采空區積水水源與侏羅系的直羅組和延安組含水層有關，與淺部的地表水、第四系水、白堊系差異很大。這就排除了大氣降水和地表水作為礦井充水的可能性。調研地質資料可知，該礦未發現落差較大的斷層、巖溶陷落柱以及封閉質量不良的鉆孔等。由此推斷，該礦區采空區積水的主要導水通道是采空區上部的導水裂隙帶。

根據《礦區水文地質工程地質勘探規范》(GB12719-91)中的冒落帶、導水裂隙帶最大高度經驗公式計算可得，導水裂隙帶最大高度為7.35～105.80 m，一般72 m。根據該礦的鉆孔資料，絕大部分鉆孔導水裂隙帶位于侏羅系延安組，僅西南部的4個鉆孔導水裂隙帶發育至侏羅系直羅組下段(表4)，突破高度分別為6.30 m、6.18 m、5.17 m、6.63 m。

表4 導水裂隙帶突破直羅組含水層鉆孔數據Table 4 Statistics of drilling holes for water conducting fracture zone breaking through Zhiluo Formation aquifer

5 結 論

1)模糊綜合評判法得出采空區積水來自侏羅系延安組含水層。

2)水化學特征分析結果發現采空區積水水化學特征與侏羅系直羅組和延安組非常接近。

3)導水裂隙帶是采空區積水的主要導水通道，導水裂隙帶主要在侏羅系延安組發育，少數區段發育至侏羅系直羅組底部。

4)根據模糊綜合評判法以及水化學特征的分析結果，結合導水裂隙帶發育高度，能準確地判斷出采空區積水水源主要來自侏羅系延安組含水層，少部分來自直羅組含水層。