李國紅

(河南省煤田地質(zhì)局二隊(duì)，河南洛陽471023)

天橋泉域某礦奧灰含水層水文地質(zhì)特征研究

李國紅

(河南省煤田地質(zhì)局二隊(duì)，河南洛陽471023)

奧陶紀(jì)灰?guī)r(奧灰)巖溶水是華北型煤田下組煤安全開采的主要威脅，查明奧灰水文地質(zhì)條件是下組煤開采的關(guān)鍵和前提。文章通過水化學(xué)分析，獲取了研究區(qū)奧灰?guī)r溶水水化學(xué)參數(shù)，探討了井田奧灰?guī)r溶水水動(dòng)力條件及其演化規(guī)律。通過群孔抽水試驗(yàn)，研究了奧灰含水層水力聯(lián)系特征，并驗(yàn)證了水化學(xué)分析結(jié)論。同時(shí)運(yùn)用GMS數(shù)值模擬軟件進(jìn)行了群孔抽水試驗(yàn)含水層流場特征模擬，反演出滲透系數(shù)及貯水系數(shù)等水文地質(zhì)參數(shù)。研究成果為該礦下組煤開采奧灰?guī)r溶水防治提供了可靠依據(jù)。

奧灰含水層;水文地質(zhì)特征

1. 引言

華北型煤田主要水害類型為底板突水，充水含水層是奧灰?guī)r溶含水層及煤系內(nèi)薄層灰?guī)r含水層。目前華北型礦井平均采深已超過650m，并以12～20m/a的速度向深部拓展［1］，逐步開發(fā)下組煤。與淺部開采相比，下組煤深受奧灰含水層威脅，且之間隔水層厚度小，隔水層結(jié)構(gòu)受到多種構(gòu)造因素的破壞而阻水能力嚴(yán)重不足［2］，礦井水害隱患大大增加。只有充分掌握和查明奧灰含水層水文地質(zhì)特征，才能進(jìn)行正確的下組煤開采安全性評(píng)價(jià)，保證煤炭資源的有效回收和采掘工人的人身安全。因此，奧灰含水層水文地質(zhì)特征研究是解放下組煤煤炭資源的關(guān)鍵所在［3］。

山西省某礦為設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1000余萬噸的特大型礦井。井田地處河?xùn)|煤田北部，構(gòu)造簡單，呈平緩的單斜構(gòu)造形態(tài)，稀疏小斷層發(fā)育。目前主采煤層為上組煤8煤，接續(xù)煤層為下組煤13煤，直接突水威脅來自底板奧灰含水層。為保障 13煤安全開采，本文對(duì)井田奧灰含水層水文地質(zhì)特征進(jìn)行了研究，為下組煤開采提供技術(shù)資料。

2. 井田奧灰含水層概況

2.1 奧灰含水層層段劃分

井田內(nèi)奧陶系自上而下劃分為峰峰組和馬家溝組:

(1)峰峰組灰?guī)r巖溶含水層:根據(jù)鉆孔資料，該含水層厚度為89.50～125.75m，平均104.12m;巖性以泥灰?guī)r、白云質(zhì)泥灰?guī)r及角礫狀泥灰?guī)r為主，上部夾有幾層薄層泥巖，下部賦存石膏層。

(2)馬家溝組灰?guī)r巖溶含水層:鉆孔僅揭露了上馬家溝組，揭露厚度33.87～108.62m。主要巖性為泥灰?guī)r、白云質(zhì)泥灰?guī)r、角礫狀泥灰?guī)r和豹皮狀灰?guī)r。本段含水層巖溶發(fā)育，以溶隙、溶孔和小型溶洞為主，小溶洞多被充填。

2.2 垂向富水性變化規(guī)律

3. 井田奧灰含水層水化學(xué)特征分析

3.1 區(qū)域巖溶水補(bǔ)逕排條件

研究區(qū)處于天橋泉域西側(cè)，泉域巖溶水系統(tǒng)為一補(bǔ)給、徑流、排泄完整、獨(dú)立的全排型巖溶水水文地質(zhì)單元［4］，由天橋泉、龍口泉及老牛灣泉三個(gè)巖溶水子系統(tǒng)組成，子系統(tǒng)間以地下水分水嶺相間。泉域接受東部裸露巖溶區(qū)大氣降水入滲補(bǔ)給、黃河及其支流的滲漏補(bǔ)給［5］，總體向西部中段匯流，最終在黃河沿岸以溢流泉形式排泄。

3.2 奧灰含水層水化學(xué)三線圖分析

選取井田及外圍12個(gè)鉆孔(供水井)獲取12個(gè)巖溶水水樣，并進(jìn)行了水化學(xué)成分分析，得到了該區(qū)奧灰?guī)r溶水主要化學(xué)特征值，并依據(jù)舒卡列夫分類方法確定了各組水樣的水質(zhì)類型，成果如表1所示。

表1 奧灰?guī)r溶水水化學(xué)特征值

將奧灰含水層巖溶水所有水樣的陰陽離子毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)投影到 Piper三線圖上，得到如圖2所示的水化學(xué)三線圖。Piper三線圖可以填入大量的分析結(jié)果，從而查明所分析水中陰陽離子的對(duì)比關(guān)系，這種表示簡捷有效［6］。

圖2 奧灰含水層水化學(xué)三線圖

根據(jù)Piper三線圖圖解分區(qū)，菱形區(qū)共劃分為 9個(gè)分區(qū)，落在不同分區(qū)的水樣具有不同的化學(xué)特征。分析圖2可知，奧灰水樣分布分散，主要分布區(qū)為 5區(qū)、6區(qū)、7區(qū)及9區(qū)。5區(qū)表示奧灰水以 Ca2++Mg2+離子和為主，酸性較弱，硬度較小;6區(qū)表示奧灰水中陰離子以為主，Na+(K+)逐漸增多，硬度逐漸增大;7區(qū)表示奧灰水中陰離子以 Cl－為主，陽離子以 Na+(K+)為主，硬度大;9區(qū)表示區(qū)內(nèi)水樣為6區(qū)與5區(qū)及7區(qū)的過渡區(qū)，奧灰水中含有的陰陽離子多樣，可視為不同演化階段巖溶水的過渡地下水。

3.3 井田奧灰含水層巖溶水演化特征分析

根據(jù)3.2分析，所取的12個(gè)水樣水化學(xué)成分差別較大，說明水樣選取點(diǎn)奧灰?guī)r溶水徑流條件及演化階段的不同。研究表明，奧灰?guī)r溶水隨徑流條件變化，其化學(xué)成分的演化主要受以下三項(xiàng)化學(xué)溶解反應(yīng)影響:

受以上三個(gè)平衡化學(xué)式影響，奧灰?guī)r溶水補(bǔ)給區(qū)CO2供給充足可以溶解方解石、石膏和白云石，沿巖溶水徑流路徑，Mg2+、Ca2+、SO2－4及 HCO－3離子含量均呈增加趨勢，礦化度也隨之增加［7］;隨著巖溶水徑流條件變差，CO2逐漸消耗，則方解石趨于飽和、不再溶解，奧灰水中HCO－3離子含量逐漸穩(wěn)定，而石膏和白云石仍在溶解，SO42－離子含量仍在增加;巖溶水徑流條件進(jìn)一步變差，白云石趨于飽和、停止溶解，Mg2+離子含量逐漸趨于穩(wěn)定，當(dāng)石膏也趨于飽和、停止溶解后，SO2－4離子含量也逐漸穩(wěn)定，此時(shí)巖溶水處于滯流狀態(tài)。隨著巖溶水徑流路徑的延長，濃縮作用不斷增強(qiáng)，加之煤系中淋濾作用，巖溶水中 Na+(K+)、Cl－離子含量隨徑流條件的改變不斷增加。

（1）靜脈炎。與導(dǎo)管相關(guān)性靜脈炎性癥狀或體征：持續(xù)疼痛（靜脈輸液結(jié)束后持續(xù)疼痛大于2小時(shí)）；發(fā)紅；腫脹；硬化（條索狀）；膿性分泌物。分析采用美國靜脈輸液護(hù)理學(xué)會(huì)（Infusion Nursing Society，INS）分級(jí)系統(tǒng) [6]和 Tager’s[7]評(píng)分綜合考慮，分為三級(jí)。

圖3 井田奧灰?guī)r溶水徑流路徑及演化過程

根據(jù)以上分析，可將取樣按照水化學(xué)特征劃分為以下5組(如表1所示):

(1)Ⅰ組:包括2#、4#及5#供水井，該組奧灰水水質(zhì)類型為Na(Na·Ca)型，反映了徑流區(qū)水質(zhì)特征，處于井田以東區(qū)域;

(2)Ⅱ組:包括1#及6#供水井，該組奧灰水水質(zhì)類型為HCO3·Cl－Na型，離子比例減少，Cl－離子比例明顯增加，反映了徑流區(qū)向弱徑流區(qū)轉(zhuǎn)化的水質(zhì)特征，處于井田北部;

(3)Ⅲ組:包括CK6孔及3#供水井，該組奧灰水水質(zhì)類型為HCO3·Cl－Na·Ca(Ca·Mg)型，巖溶水徑流條件減弱，反映了弱徑流區(qū)水質(zhì)特征，處于井田東部邊界;

(4)Ⅳ組:包括CK3孔，奧灰水水質(zhì)為Cl·SO4－Ca型離子為主要陰離子，巖溶水徑流條件進(jìn)一步減弱，反映了弱徑流區(qū)向滯流區(qū)轉(zhuǎn)化的水質(zhì)特征，處于井田東南部;

(5)Ⅴ組:包括CK2、CK4、CK5及CK1孔，該組奧灰水水質(zhì)為Cl－Na，反映出滯流奧灰?guī)r溶水特點(diǎn)，處于井田中部。

各組水化學(xué)特征變化反映了井田內(nèi)不同區(qū)段奧灰?guī)r溶水水動(dòng)力條件及演化路徑，即井田內(nèi)巖溶水總體上由東北向西南徑流，依次可劃分為弱徑流區(qū)、弱徑流 －滯流過渡區(qū)及滯流區(qū)。隨著巖溶水演化過程的延續(xù)，地下水徑流路徑不斷延長，礦化度逐漸升高，水質(zhì)類型總體呈HCO3－Na(Na·Ca)→HCO3·Cl－Na·Ca(Ca· Mg)→Cl－Na的演化順序。此規(guī)律與天橋泉域內(nèi)水化學(xué)特征基本一致［8、9］。

4. 奧灰含水層群孔抽水試驗(yàn)

群孔抽水試驗(yàn)是研究含水層地下水連通性、流場特征及水動(dòng)力條件的有效手段［10］。為檢驗(yàn)水化學(xué)分析結(jié)論，并進(jìn)一步查明奧灰含水層流場特征，獲取水文地質(zhì)參數(shù)，本礦首采區(qū)進(jìn)行群孔抽水試驗(yàn)。

4.1 抽水孔及觀測孔布置

受井田地面及井下條件所限，不能施工新奧灰孔，只能以現(xiàn)有鉆孔為基礎(chǔ)進(jìn)行群孔抽水試驗(yàn)。抽水孔及觀測孔位置如圖 5所示。在首采區(qū)中部選取抽水孔 3個(gè)，分別為CK1、CK2及CK4，觀測孔5個(gè)，位于抽水孔外圍，分別為CK8、CK21、CK10、CK22和CK3。

4.2 抽水試驗(yàn)結(jié)果及分析

抽水試驗(yàn)從2009年 12月 4日 12時(shí)開始，同時(shí)打開CK 1、CK 2及CK 4抽水孔，水量控制閥開至最大，同步進(jìn)行觀測孔水位觀測。13日8時(shí)關(guān)閉抽水孔閥門，并開始觀測各觀測孔水位恢復(fù)，直至16日11時(shí)各孔奧灰水位恢復(fù)至抽水前水平。抽水試驗(yàn)結(jié)束，歷時(shí)17220min，其中抽水歷時(shí)12720min，恢復(fù)水位觀測歷時(shí)4500min。整個(gè)抽水試驗(yàn)過程中抽水孔水量變化不大，在抽水初期稍有波動(dòng)，后期基本穩(wěn)定，抽水量及其變化見圖4。試驗(yàn)過程中，各觀測孔水位變化都不大(如圖6所示)，說明群孔抽水試驗(yàn)過程中，地下水位降落漏斗擴(kuò)散范圍普遍較小，橫向上奧灰含水層水力聯(lián)系弱。

圖4 抽水孔水量歷時(shí)變化曲線圖

5. 奧灰含水層地下水流場數(shù)值模擬

GMS軟件是國際上最受歡迎的地下水模擬軟件［11］，在地下水流場模擬及水文地質(zhì)參數(shù)反演方面等領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用前景。本文基于群孔抽水試驗(yàn)結(jié)果，利用該軟件進(jìn)行水文地質(zhì)參數(shù)反演，研究奧灰含水層抽水試驗(yàn)過程中流場變化特征。

5.1 水文地質(zhì)概念模型

研究區(qū)域?yàn)榫锛安糠滞鈹U(kuò)區(qū)域，由于區(qū)域內(nèi)無較大的裂隙構(gòu)造，邊界均為人為邊界，即由井田邊界外擴(kuò)1800m。根據(jù)地質(zhì)資料和抽水試驗(yàn)資料，含水層內(nèi)部結(jié)構(gòu)概化為非均質(zhì)各向異性的非穩(wěn)定承壓二維流;邊界定為一類補(bǔ)給邊界;補(bǔ)給項(xiàng)為大氣降水，排泄項(xiàng)為抽水孔排泄抽水。

5.2 空間及時(shí)間離散

全區(qū)離散采用矩形網(wǎng)格剖分，劃分網(wǎng)格時(shí)在抽水孔及觀測孔結(jié)點(diǎn)處適當(dāng)細(xì)化，共計(jì)剖分單元 5512個(gè)，有效單元5082個(gè)(圖5)。模擬時(shí)段采用整個(gè)抽水試驗(yàn)過程，本次模擬時(shí)間離散時(shí)段劃分較細(xì)，共69個(gè)應(yīng)力期，離散結(jié)果列于表2中。

圖5 研究區(qū)網(wǎng)格剖分圖

表2 模擬時(shí)間離散結(jié)果

5.3 水文地質(zhì)模型識(shí)別與檢驗(yàn)

由于研究模型邊界均為人為劃定，模型中存在較多不確定量，給參數(shù)識(shí)別帶來較大困難。為克服這個(gè)難題，本文采用試估法進(jìn)行模型識(shí)別，識(shí)別內(nèi)容包括滲透系數(shù)(Kx、Ky)和貯水系數(shù)μ*。首先進(jìn)行水文地質(zhì)參數(shù)預(yù)估算，即采用配線法利用 CK4孔的抽水量及 CK21孔和CK10孔的水位觀測資料對(duì)含水層導(dǎo)水系數(shù)、滲透系數(shù)及貯水系數(shù)等進(jìn)行初步估算，并作為數(shù)值模擬求參的初始值。其次將觀測孔的水位動(dòng)態(tài)實(shí)測資料作為擬合對(duì)象，以此確定含水層的水文地質(zhì)參數(shù)，觀測孔水頭的擬合程度基本上可以反映所求參數(shù)的精度。設(shè)目標(biāo)函數(shù):

式中，p1，p2，pn——待求的水文地質(zhì)參數(shù);

m——用于水頭對(duì)比的觀測孔個(gè)數(shù);

n——水頭對(duì)比時(shí)段數(shù);

H(i，j)——模型計(jì)算的 i點(diǎn)觀測孔 j時(shí)段的水位(m);

Hg(i，j)——i點(diǎn)觀測孔j時(shí)段的實(shí)測水位(m)。

根據(jù)各參數(shù)的約束條件，求取目標(biāo)函數(shù) E最小。若此時(shí)的水位擬合差未達(dá)到足夠小，則進(jìn)一步分析其原因，必要時(shí)對(duì)約束條件及模型定解條件進(jìn)行必要的調(diào)整，再次求取目標(biāo)函數(shù)最小。如此反復(fù)計(jì)算、分析，直到求得滿意的結(jié)果為止。

識(shí)別選取抽水試驗(yàn)中所有抽水孔及觀測孔資料，水位擬合針對(duì)所有觀測孔，擬合數(shù)據(jù)時(shí)間段為整個(gè)抽水試驗(yàn)過程，其中包括觀測孔水位恢復(fù)階段。經(jīng)過模型參數(shù)識(shí)別，最終確定奧灰含水層水文地質(zhì)參數(shù)為:Kx=0.00152m/ min，Ky=0.00182m/min，μ* =0.45×10－5m－1。

在整個(gè)模型識(shí)別、驗(yàn)證過程中觀測孔水位計(jì)算值與實(shí)測值的誤差統(tǒng)計(jì)見表3，觀測孔水位擬合曲線見圖6。由結(jié)果可以看出奧灰含水層的實(shí)測水位與計(jì)算水位相對(duì)誤差集中在1%內(nèi)，符合《中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14497－93地下水資源管理模型工作要求》的規(guī)定，模擬效果較理想。

表3 奧灰含水層地下水位計(jì)算值與觀測值擬合統(tǒng)計(jì)

圖6 觀測孔水位擬合曲線

5.4 模擬結(jié)果分析

圖7為奧灰含水層數(shù)值模擬初始及結(jié)束時(shí)地下水流場分布圖。對(duì)比(a)、(b)可知，抽水試驗(yàn)過程中，地下水流場分布及流向變化總體變化不大。同時(shí)，除CK8及CK22兩孔降深相對(duì)較大外，其他觀測孔水位沒有明顯波動(dòng)，說明奧灰含水層橫向上溶(裂)隙連通性差、水力聯(lián)系差。究其原因，研究區(qū)奧灰含水層處于巖溶水弱徑流－滯流區(qū)，水動(dòng)力條件較差，溶隙、溶孔等含導(dǎo)水構(gòu)造水力聯(lián)系差，致使地下水運(yùn)移緩慢，水力交替周期長，橫向滲透性及富水性差別較大。

圖7 模擬初始及結(jié)束時(shí)奧灰含水層地下水流場

6. 結(jié)論

奧灰含水層水文地質(zhì)條件研究是下組煤開采安全評(píng)價(jià)的前提和關(guān)鍵。本文在研究區(qū)選取了12個(gè)奧灰?guī)r溶水取樣點(diǎn)，通過對(duì)水樣進(jìn)行水化學(xué)分析，得到了奧灰?guī)r溶水水化學(xué)參數(shù)，并采用 Piper三線圖方法分析了地下水的水質(zhì)特征。將水化學(xué)資料整理分組，發(fā)現(xiàn)各組水化學(xué)特征反映了井田不同區(qū)段巖溶水演化階段，據(jù)此將井田奧灰流場劃分為弱徑流區(qū)、弱徑流 －滯流過渡區(qū)及滯流區(qū)。井田奧灰群孔抽水試驗(yàn)驗(yàn)證了水化學(xué)特征分析結(jié)論，即井田奧灰含水層橫向水力聯(lián)系弱，水動(dòng)力條件差。同時(shí)，運(yùn)用地下水模擬軟件 GMS對(duì)井田奧灰含水層地下水流場變化規(guī)律進(jìn)行了模擬和水文地質(zhì)參數(shù)反演。結(jié)果表明群孔抽水影響范圍小;且奧灰含水層滲透系數(shù)及貯水系數(shù)量級(jí)較小，分別為 Kx=0.00152m/ min，Ky=0.00182m/min，μ* =0.45×10－5m－1。本文初步掌握了該礦奧灰含水層水文地質(zhì)特征，為下組煤開采奧灰?guī)r溶水防治提供了可靠依據(jù)。

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(責(zé)任編輯 陳永康)

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P641

A

1008－7257(2012)02－0075－05

2012－03－22

李國紅(1974－)，男，河南洛陽人，河南省煤田地質(zhì)局二隊(duì)助理工程師。