謝橋礦地下水化學特征及水源快速判別研究

張剛

摘要：基于謝橋礦地下水化學特征分析，運用直接充水含水層的地下水水化學特征組份建立謝橋礦地下水水化學標準數據庫和充水水源判別模型。本文結合水溫、水量、水化學分析，采用水源判別模型對-610mA組軌道石門出水水源進行快速準確判別，為礦井水害防治方案的科學制定提供可靠的依據。

關鍵詞：水化學特征;水化學數據庫;突水水源;快速判別

引言

礦井突水是煤礦生產過程最具威脅的災害之一，人員傷亡大，經濟損失列于煤礦事故之首。一旦礦井發生突水，如何及時準確地判斷突水成因，查找突水水源，制定合理有效的防治水措施（疏干、降壓及堵水）提供依據，是解決和進一步預防突水災害的關鍵問題[1-2]。快速判別礦井突水水源，要充分考慮礦區的水文地質條件和構造條件，結合相應的水位、水溫、水化學資料予以綜合分析判斷。突水水源判別的首要任務就是尋找能代表每個含水層地下水特征的標型元素（化合物、氣體和同位素等），并在此基礎上對突水的來源進行識別[3-5]。本文收集整理了礦井多年來水文地質資料和水化學資料，對井田內各主要突水含水層的常規水化學特征進行了分析，從而總結出礦井各含水層水質特征變化規律。

1 ?礦井水化學特征分析

謝橋礦礦常規水分析樣300個，本次研究合格水樣276個。其新生界松散層水17個，煤系砂巖裂隙水167個，太灰水41個，奧灰水51個。各含水層常規水化學組份分析見表1。

2 建立水源快速判別模型

根據表1、表2數據，建立謝橋礦含水層水源水質快速判別模型數據庫，其中新生界松散層水、砂巖裂隙水、太灰水、奧灰水四大充水含水層特征組份如下：

（1）新生界松散層水的特征組份為：K+Na+<849.69mg/l、Ca2+<57.97 mg/l、Mg2+<25.12 mg/l、SO42-<264.18 mg/l、HCO3-<476.25mg /l、304.46mg/l<礦化度<2431.24mg/l、6.23 mg/l總堿度<21.85mg/l;

（2）煤系砂巖水的特征組份為：Cl->59.85mg/l、611.096mg/l<礦化度<12705.044mg/l、7.66 mg/l<總堿度<2692.15mg/l;

（3）太灰水的特征組份為：Cl-<1407.12 mg/l、SO42-<672.42mg/l、HCO3-<738.04mg/l、CO32-<67.66mg/l、390.58 mg/l<礦化度<3187.004 mg/l、0.57 mg/l<總堿度<35.59mg/l;

（4）奧灰水的特征組份為：K+Na+>413.55mg/l、217.45mg/l <Cl-<1432.18mg/l、115.27< SO42-mg/l<745.00 mg/l、HCO3-<606.69mg/l、CO32-<135.326mg/l、1281.49 mg/l<礦化度<3552.98mg/l、6.89mg/l<總堿度<345.3mg/l。

3 ?-610mA組軌道石門出水水源判別

3.1 -610m東二A組軌道石門鉆孔出水概況

-610m東二A組軌道石門巷道進入4煤底板至1煤頂板段施工期間，將受煤系砂巖裂隙水和底板灰巖水威脅。巷道撥門位置位于4-2煤頂板法距3.3m位置，為探查該段4煤底板水文地質條件，設計施工5個水文探查孔。其中TJ1#、TJ5#孔出水。

TJ1#孔：開孔方位354°，傾角-16°，孔深110.5m，終孔層位位于4-2煤底板43.6m，鉆孔施工至92.5m出水，最大水量0.7m3/h，水溫35℃，水壓1.95Mpa，出水點標高-622.3m，層位位于4-2煤底板法距35.4m砂巖層中。

TJ5#孔：開孔位于TJ1#孔左側4.7m，方位349°，傾角-21°，終孔孔深121m。鉆孔施工至119m時出水，繼續鉆進至終孔水量增大，鉆桿撤出后，實測水量為60m3/h，水溫38.5℃，水壓2.6Mpa。出水層位巖性為砂巖，出水點距4-2煤底板法距57.8m，標高為-640m，距1煤頂板法距 35 m，距C31灰頂法距 52m。距1#陷落柱西邊緣最小平距為436m，距2#陷落柱東邊緣最小平距為100m。

TJ1#孔、TJ5#孔出水后，分別多次取樣進行了水質分析，水質類型主要為CL·HCO3-Na+K、CL-Na+K，各組水樣陰陽離子含量、PH值、總堿度、總硬度等相對無明顯變化（見表3）。

3.2水源判別

鉆孔出水特征離子比例系數計算值見表4。

由表4可知TJ1#孔三次水質分析，K+Na+>849.69mg/l，總堿度>345.28mg/l，排除水源為新生界松散層水、太灰水和奧灰水;同時根據Cl->59.85mg/l、611.096mg/l<礦化度<12705.044mg/l、7.66 mg/l<總堿度<2692.15mg/l，符合煤系砂巖裂隙水的水質特征，因此從水質特征分析上判別TJ1#出水水源為煤系砂巖裂隙水。

TJ5#孔兩次個水質分析總堿度>35.59mg/l，排除新生界松散層水、太灰水;同時K+Na+>413.55mg/l、217.45mg/l<Cl-<1432.18mg/l、115.27< SO42-mg/l<745.00 mg/l、HCO3-<606.69mg/l、CO32-<135.326 mg/l、1281.49 mg/l<礦化度<3552.98mg/l、6.89mg/l<總堿度<345.3 mg/l，符合奧灰水的水質特征，因此從水質特征分析上判別TJ5#出水水源為奧灰水。

此外，可以利用地溫特征進步判定水源[6]。根據《謝橋礦礦井地質報告》，井田內，恒溫帶深度為30m，溫度為16.8℃。地溫梯度1.02～1.85℃/百米，平均為2.66℃/100m。TJ5#孔出水點標高-640m，對應奧灰水含水層頂界標高-800m，地表標高+25m，T=16.8+2.66*（800+25-30）/100=37.9℃，與出水點實測溫度38.5℃基本一致。同時根據TJ5#孔出水期間東風井-440m回風道奧灰水涌水量明顯減小，減少約30m3/h，結合水質化驗分析，進一步確定TJ5#孔出水水源為奧灰水。

4 結語

謝橋礦主要充水含水層水體整體均呈弱堿性，陽離子均以 Na++K+居多，離子濃度關系為 Na+> Ca2+>Mg2+;陰離子均以 Cl-居多，四大充水含水層總體陰離子濃度關系變化為 Cl-> HCO3->SO42->CO32-;水質類型以 Cl-Na+K型、HCO3-Na +K型、CL·HCO3-Na+K 型為主。

采用本文建立的水源判別模型快速判斷出-610m東二A組軌道石門TJ1#、TJ5#水源分別為煤系砂巖裂隙水和奧灰水，并結合出水點區域水文地質條件、出水水溫、水量及出水形式分析，準確判斷出水水源，為科學制定水害治理方案提供依據，該數據判別模塊經反復驗證，計算結果準確、穩定、可靠，可作為日常水質監測數據處理分析的一種參考范本，為今后礦井水質判別提供理論支撐，具有廣泛推廣價值。但由于謝橋礦奧陶系、寒武系灰巖水水質資料不足，在今后的生產和補勘過程中，進一步充實礦井水化學標準數據庫，修正礦井水源判別模型。

參考文獻：

[1]王廣才，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 （3）：47-50.

[2]張妹，劉啟蒙.基于Fisher判別法的潘三礦突水水源識別[J].中國煤炭學會礦井地質專業委員會2017年學術論壇論文集2018，86-91.

[3]楊婷婷，許光泉，張海濤等.阜東礦區水文地球化學特征及其形成作用[J].煤炭技術2019，38（02）：79-82.

[4]高衛東，何元東，李新社.水化學法在礦井突水水源判斷中的應用[J].礦業安全與環保，2001，28（5）：44- 45.

[5]趙同謙，張彥紅.利用水化學數據判別礦井突水水源方法探討[J].1996，15（4）：34- 39.

[6]袁文華，桂和榮.任樓煤礦地溫特征及在水源判別中的應用[J].安徽理工大學學報（自然科學版），2005，25（4）：9-11.