基于水化學(xué)特征組分測試的陷落柱突水水源判別

周 強(qiáng)

(1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013； 2.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013)

礦井生產(chǎn)作業(yè)過程中常遇到涌水現(xiàn)象，煤礦水害事故往往具有不確定性、準(zhǔn)確預(yù)測困難、危害大等特點(diǎn)，是煤炭企業(yè)重點(diǎn)預(yù)防的災(zāi)害之一。礦井發(fā)現(xiàn)突水征兆或出現(xiàn)涌(突)水點(diǎn)后，快速、準(zhǔn)確地判斷突水水源是首要任務(wù)，是礦井探放水、水害治理以及后續(xù)救援等工作的前提。突水水源的判別主要分為定性和定量兩類，而水化學(xué)分析判別法是突水水源定性判別的主要方法之一[1-5]。目前主要分析常規(guī)的無機(jī)組分，來判別各含水層的水化學(xué)特征，但是無機(jī)組分受到地質(zhì)沉積構(gòu)造[6-8]、地下水運(yùn)移和長期水巖作用[9-10]的控制，往往相鄰含水層的水化學(xué)特征相似，突水事故發(fā)生時，難以判別其水源[11-12]；實(shí)際上，地下水中存在非常多的水質(zhì)組分，有代表性的還包括特征微量元素、有機(jī)組分等[12-13]，其中有機(jī)組分與無機(jī)組分在地下運(yùn)移演化規(guī)律正好相反；另外，對有機(jī)組分的檢測分析手段相對先進(jìn)，包括熒光光譜、紅外光譜、氣相/液相—質(zhì)譜等，三維熒光光譜是表征地下水中天然溶解性有機(jī)物的有效手段[14-16]。這些有機(jī)物結(jié)構(gòu)中的官能團(tuán)具有不同的熒光特性，當(dāng)這些官能團(tuán)受到特定波長的紫外光激發(fā)照射時，會發(fā)射不同波長的熒光，通過對激發(fā)和發(fā)射波長的同步快速掃描，地下水中不同類型的有機(jī)物形成特征熒光光譜。地下水中有機(jī)物成分復(fù)雜，利用3DEEM可以獲得激發(fā)波長和發(fā)射波長同時掃描的熒光峰，是一種非常靈敏的光譜指紋技術(shù)。

本文以山西某礦下組煤大巷掘進(jìn)探水過程中陷落柱涌水為例，利用常規(guī)組分、特征元素和有機(jī)組分進(jìn)行綜合特征分析[17-19]，研究太灰水、奧灰水和陷落柱水的水化學(xué)特征，以實(shí)現(xiàn)對陷落柱水的有效判別。

1 陷落柱發(fā)育的水文地質(zhì)環(huán)境

山西某礦位于河?xùn)|煤田中段，井田為一傾角平緩的單斜構(gòu)造，煤層平均傾角5°，主要開采石炭系太原組的下組煤。煤層頂板巖性為太原組薄層灰?guī)r和砂泥巖互層，底板為石炭系中統(tǒng)本溪組(主要隔水層)、奧陶系峰峰組和上馬家溝組，主采的9號煤層距離奧陶系頂界面最小距離為54.74 m，平均60.23 m。下組煤開采主要面臨著直接頂板石炭系太原組薄層灰?guī)r水以及煤層底板奧陶系巖溶裂隙承壓水的威脅。

該礦下組煤大巷掘進(jìn)探水過程中發(fā)現(xiàn)了一個長軸15 m、短軸為12 m的陷落柱，鉆孔有涌水現(xiàn)象，最大單孔涌水量30 m3/h，最大水壓為0.3 MPa。礦井先期施工了4個陷落柱產(chǎn)狀的探查孔，同時兼作陷落柱水的疏放、監(jiān)測孔，經(jīng)過7 d的觀測，鉆孔涌水量穩(wěn)定在60 m3/h左右，未見明顯衰減。

2 水化學(xué)測試類別的選擇

由于礦井剛開展下組煤的掘進(jìn)工作，未進(jìn)行頂、底板含水層的水質(zhì)測試工作，缺少含水層的水化學(xué)背景值基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，因此無法通過簡單的水質(zhì)分析定性比對方法判別陷落柱水源層位。

一般地，水化學(xué)檢測類別中，常規(guī)水質(zhì)分析是基礎(chǔ)，是礦井掌握和積累水化學(xué)資料的基礎(chǔ)；當(dāng)某含水層中存在獨(dú)特的化學(xué)元素時，該元素可作為含水層的特征組分或標(biāo)志性元素，當(dāng)檢測到該元素時或該元素達(dá)到某一賦存區(qū)間時，則可判定該層為水源層；水中含有有機(jī)質(zhì)、放射性物質(zhì)等，測試不同物質(zhì)的不同物理、化學(xué)性質(zhì)特征為突水水源判別提供了獨(dú)特的路徑。

為了查明該礦陷落柱的突水水源，研究采用常規(guī)水質(zhì)分析、特征元素含量測定和三維熒光光譜分析手段，分析太灰、奧灰含水層水質(zhì)特征，并判別陷落柱突水水源層。

3 水化學(xué)測試與分析

3.1 常規(guī)水質(zhì)與特征元素測試

本次共采集水樣3組，分別為太灰水(井下太灰含水層)、奧灰水(水源井)和陷落柱水。取樣全部用2.5 L塑料桶，裝滿密封，及時進(jìn)行水質(zhì)指標(biāo)的測試。其中，常規(guī)測試指標(biāo)有pH值、碳酸鹽、氯化物、硫酸鹽、鉀、鈉、鈣、鎂、總硬度和溶解性總固體，特征元素有鋇、鈷、鉻、銅、釩、錳、鉬、鈧、銣、鉈和鍶。水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果見表1。

判定水質(zhì)相似程度可用已有水源與待判水源水質(zhì)的相似偏離度表征，水質(zhì)相似偏離度越小，表明待判水源水質(zhì)與已知水源水質(zhì)關(guān)聯(lián)度越高。

(1)

通過計算太灰、奧灰含水層與陷落柱水質(zhì)相似偏離度，常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)pH值、總硬度、溶解性總固體、硫酸鹽、鈣，以及鈷、錳、鍶特征元素反映出陷落柱水與奧灰水關(guān)系更密切；陷落柱水質(zhì)的其他指標(biāo)數(shù)值介于太灰與奧灰之間，反映出奧灰、太灰混合水特征。

表1 灰?guī)r含水層與陷落柱水特征組分測試結(jié)果Tab.1 Test results of characteristic components of limestone aquifer and collapse column water

3.2 有機(jī)水化學(xué)特征分析

地下水中含有無機(jī)質(zhì)和有機(jī)質(zhì)，而地下水補(bǔ)、徑、排各環(huán)節(jié)所處的地質(zhì)、水文和物源等環(huán)境的差異，地下水中有機(jī)質(zhì)的類別、數(shù)量、形態(tài)以及分布特征各有其特點(diǎn)。

在水源判別中，重點(diǎn)關(guān)注水中溶解性有機(jī)質(zhì)(DOM)的類型、含量及光譜DNA。對水中DOM的測試主要是通過三維熒光光譜分析(3DEEM)來實(shí)現(xiàn)的。3DEEM將將熒光強(qiáng)度以等高線方式投影在以激發(fā)光波長和發(fā)射光波長為橫縱坐標(biāo)的平面上從而獲得圖譜。該圖譜中，地下水中的DOM依據(jù)其成分劃分為Ⅰ—Ⅴ區(qū)，分別為酪氨酸、色氨酸、疏水性有機(jī)酸、含色氨酸的類蛋白質(zhì)以及海洋性腐殖酸分區(qū)。

(1)太灰水。研究中，太灰水的DOM熒光光譜圖中出現(xiàn)了3個熒光峰(圖1)，太灰水中Ⅰ區(qū)(Ex=245.0 nm、Em=308.0 nm)熒光峰強(qiáng)度(簡稱FI)為237.1QSU；Ⅱ區(qū)(Ex=220.0nm、Em=330.0nm)FI=214.8 QSU；Ⅲ區(qū)(Ex=220.0 nm、Em=384.0 nm)FI=134.6 QSU。其中，Ⅰ區(qū)的熒光峰強(qiáng)度較強(qiáng)。

圖1 太灰水中DOM熒光光譜Fig.1 Fluorescence spectrum of DOM in Taiyuan Formation water

(2)奧灰水。奧灰水的DOM熒光光譜圖中出現(xiàn)了2個熒光峰(圖2)，奧灰水中Ⅰ區(qū)(Ex=250.0 nm、Em=308.0 nm)FI= 191.9 QSU；Ⅲ區(qū)(Ex=235.0 nm、Em=406.0 nm)FI=121.2 QSU；奧灰水中DOM熒光光譜特征也比較相似，其中Ⅰ區(qū)的熒光峰強(qiáng)度較強(qiáng)。

圖2 奧灰水中DOM熒光光譜Fig.2 Fluorescence spectrum of DOM in Ordovician limestone water

(3)陷落柱水。陷落柱水中Ⅰ區(qū)(Ex=245.0 nm、Em=306.0 nm)FI=212.5 QSU；Ⅱ區(qū)(Ex=225.0 nm、Em=336.0 nm)FI=354.8 QSU；Ⅲ區(qū)(Ex=225.0 nm、Em=400.0 nm)FI=348.9 QSU。從圖3可以明顯看出，陷落柱水中DOM的Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)熒光峰強(qiáng)度明顯比太灰水和奧灰高，可能與陷落柱內(nèi)有機(jī)質(zhì)相對比較豐富有關(guān)。

圖3 陷落柱水中DOM熒光光譜Fig.3 Fluorescence spectrum of DOM in collapse column water

DOM測試結(jié)果表明：①3類水樣中，陷落柱水中DOM熒光強(qiáng)度最高，主要是Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)熒光峰強(qiáng)度高，太灰水中熒光強(qiáng)度其次，奧灰水中熒光強(qiáng)度最弱；②太灰水熒光峰面積明顯大于奧灰水，據(jù)此可有效區(qū)別奧灰水和太灰水水源，為后續(xù)突水水源判別提供了新的鑒別方法；③陷落柱DOM含量表明，不受采動影響條件下(天然狀態(tài)下)，陷落柱水有機(jī)質(zhì)聚集，水動力條件弱，與上下含水層水交換較弱。

綜上所述，根據(jù)對陷落柱突水水源的特征組分測試和有機(jī)水化學(xué)分析表明，陷落柱水同時兼?zhèn)涮M灰?guī)r和奧陶系灰?guī)r水的水化學(xué)特征，太灰與奧灰存在水力聯(lián)系。

4 結(jié)論

(1)通過對水樣進(jìn)行特征組分測試，pH值、總硬度、溶解性總固體、硫酸鹽、鈣、鈷、錳、鍶反映出陷落柱水與奧灰水關(guān)系更密切；陷落柱水質(zhì)的其他指標(biāo)數(shù)值介于太灰與奧灰之間，反映出奧灰、太灰混合水特征。

(2)通過對水樣有機(jī)水化學(xué)特征分析，3類水樣中，陷落柱水中DOM熒光強(qiáng)度最高，主要是Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)熒光峰強(qiáng)度高；太灰水中熒光強(qiáng)度其次，奧灰水中熒光強(qiáng)度最弱。太灰水熒光峰面積明顯大于奧灰水，據(jù)此可有效區(qū)別奧灰水和太灰水水源，為后續(xù)突水水源判別提供了新的鑒別方法。

(3)陷落柱DOM含量表明，在不受采動影響的條件下(天然狀態(tài)下)，陷落柱水有機(jī)質(zhì)聚集，水動力條件弱，與上下含水層水交換較弱。陷落柱水同時兼?zhèn)涮M灰?guī)r和奧陶系灰?guī)r水的水化學(xué)特征，太灰與奧灰存在水力聯(lián)系。

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