礦井突水水源的判別方法

◇六盤水師范學院礦業與土木工程學院 周雅茹 高 穎 馮永兵 劉 影 趙子義 宋 淞

煤礦在發生重大突水之前，總會有相關預兆，通常可以通過水量變化來進行觀測，其量變到質變的過程一般為“濕幫→滴水→淋水→流水→突水”。由于水量觀測不能精確地找出突水點，因此可結合水化學組分數學綜合分析、類型對比分析、水化學組分判別系列方法尋找突水水源，這樣可以預防和解決突水災害的相關問題，進而提出礦區井下突水防治的相關建議，給出遏制突水事故的有效方法。

1 概述

1.1 研究起因

礦井突水是一種在煤礦中常見且危害性極強的地質災害。我國礦山疏干排水導致的礦井突水事故頻繁發生，據統計我國近30年來煤礦區因突水淹沒礦井近60次，直接經濟損失約27億元。1984年開灤范各莊發生特大水災，此次水災造成近5億元損失。在河南焦作礦區，礦井突水發生事故共發生270余起，最大突水量高達243m3/min，突水淹井事故共發生19起，每次事故導致損失達數千萬元，礦區的排水量均高達8.86m3/s以上，平均每采1t煤就需排出60t水[1]，因此突水水源的判別和礦井突水的預防顯得尤為重要，應采取相應的措施進行礦井突水水源判別。可根據豐富的經驗和相關的新科技方法來提出礦井突水預防的方法和解決措施，從而降低經濟損失以及保障工人的人身安全。

1.2 研究現狀

我國在改革開放以來煤礦行業逐漸發展起來。在煤礦開采的過程中，多次遇到礦井突水的問題，那時已經有學者注意到礦井突水對煤礦開采的影響，在意識到礦井突水的嚴重性之后，開始了大量研究判別礦井突水水源的方法。到目前為止，在判別礦井突水水源的方法中，國內許多學者已經開始進行了探索和大量的科學研究[2]。對于突水水源的判別方法，國內已經取得了不小的成就，在此經驗及基礎上，可以更高效地判別突水的水源。國外也非常重視礦井突水問題，他們使用了不同的方法進行研究，隨著時代和科技的進步，判別方法也得到更先進的條件進行完善和研究，更準確地判別出礦井突水的水源。

2 判別方法

判別礦井突水水源的方法有水源及水化學特征、水化學組分、水化學分析和水化學常量離子聯合微量元素。它們都有自己的特點，但也有局限性。我們需要根據礦井的實際水文地質條件，將這些方法結合起來，提前做出突水預警，解決和預防突水災害的關鍵問題，為礦區井下突水防治提供建議，旨在有效遏制突水事故。

2.1 依據來源及水化學特征判別

地下水賦存情況多種多樣，它的交替條件及其復雜，導致各類含水層的水化學特征同樣有明顯的差異。從突水水源中選取六大常規離子：HCO3-、K++Na+、Ca2+、Mg2+、Cl－、SO42-作為突水水源的判別依據[3]，以此來判別礦井突水的來源，并通過大量的實踐證明理論判別結果同實際情況相差無異。

2.2 依據水化學分析法判別

對突水水源的地下水分布規律、化學特征進行研究分析[4-5]，在一定程度上能夠對地下水的徑流、排泄條件、賦存、補給進行研究分析，分析結果對判別礦井下突水水源、對井下突水進行防治都具有重要意義[4]。

邢東礦[5]在進行正常底板超前鉆孔時，發生突水。對礦井中的多個含水層的地下水進行水化學分析，將此處突水的出水點與背景值進行比對分析，結果表明該礦突水水源是奧灰巖溶水。通過此實驗可得出，水化學類比分析法能夠準確地判別出突水水源的來源，故該方法能夠作為可靠的方法去判別礦井突水水源。

2.3 依據水化學組分判別

水化學組分是地下水在溶液中的當量濃度分布，它不僅能反映出水體化學性質的演化過程，而且通過它能夠判別出地下水反應物質的來源，一般用組分的當量濃度百分比來表示，并使用化學三線圖圖解進行分析研究[6]。由于各含水層中水形成的地質環境、運輸、儲存過程中存在差異，不同含水層的地下水形成了不同的水化學特征。根據含水層中離子含量的差異，研究其范圍和相對平均值的變化，分析各含水層的水化學特征。在眾多研究突水的方法中，分析突水的水化學特征是確定突水水源的一種簡單而有效的方法，為礦井水治理提供了重要依據。

2.4 依據水化學常量離子聯合微量元素判別

在地下水中分布廣泛、含量較高的離子有:Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-。通過測試地下水水化學成分離子的含量，反映其在不同水樣中的分布特征，研究了地下水的運動方向和分布規律，根據水源水中化學離子濃度的差異，確定了突水水源。

根據水化學常量聯合微量元素判別突水水源，其方法為用倒錐形取水裝置，在4個礦區中的3個含水層獲取61組未經污染的水樣，對其水樣中44種微量元素含量和常量離子進行測試，并建立相關突水水源的判別模型：Bayes判別模型[7]。水樣測試結合判別模型進行分析并判別出突水點。研究結果表明常量離子聯合微量元素及Bayes多類線性判別突水水源模型與其他判別模型相比，其判別結果更為準確，其準確率達92.9%。故此模型為煤礦突水水源判別提供了準確、有效的新方法。

3 結語

本文以礦區現有地下水資料和水化學試驗資料為基礎，嘗試建立突水水源判別模型，以指導不同含水層突水原因所在、突水水源位置、地下水徑流通道和水力聯系的研究。不同地區的地下水環境不同，研究方法也不同。因此，有必要根據當地水文地質條件，分析含水層的水化學特征和突水情況。這是判斷礦井突水水源、探索礦井水文地質條件的一種簡便有效的方法。為礦井水防治提供重要依據，從而為解決和進一步預防礦井突水防治的關鍵問題提出相關建議及有效遏制突水事故。