陳陸望，宋正輝

（合肥工業(yè)大學 資源與環(huán)境工程學院，安徽 合肥230009）

1 引言

我國華北隱伏型煤礦地下水系統(tǒng)往往是由多含水層構成的，且含水層間普遍存在不同程度的水力聯(lián)系［1］。為了有效防治煤礦重大突水事故，“預測預報”是首當其沖的任務。目前煤礦突水預測預報一般根據(jù)開采圍巖應力、變形、地球物理、水壓、水溫等信息的變化，構建煤礦開采突水預警模式［2］。不過，凡是煤礦重大突水，在發(fā)生之前總有一些預兆。從水量變化看，一般有“濕幫→滴水→淋水→流水→突水”的量變到質變的過程。于是，一些研究者另辟蹊徑，通過捕捉突水預兆期內的水化學信息，從簡單水質類型對比、標型組分識別、水化學多元統(tǒng)計或非線性分析等方法判別突水水源類型和預測突水模式［3-9］。但是，上述成果只是把我國華北隱伏型煤礦多含水層地下水系統(tǒng)看作孤立含水層的簡單組合，注重的是其中單一含水層的靜態(tài)水化學場，很少根據(jù)時間跨度與空間尺度考慮開采進程中多含水層地下水系統(tǒng)水化學演化，以致上述突水水源判別模型與突水模式在煤礦后續(xù)生產(chǎn)過程中的適用性受到限制。

淮北煤田是我國華北隱伏型煤田，現(xiàn)有大、中型礦井30余對，面積30 000km2。該煤田開采歷史悠久，目前煤炭產(chǎn)量6 000萬t／a，是華東地區(qū)重要的煤炭基地。煤田普遍發(fā)育松散層含水層（一般發(fā)育4個含水層，底部含水層（一般稱為“四含”）、二疊系煤系砂巖裂隙含水層（簡稱“煤系”）、石炭系太原組巖溶含水層（簡稱“太灰”）及奧陶系巖溶含水層（簡稱“奧灰”），為主要突水含水層。

本課題在闡明淮北煤田地下水系統(tǒng)基于地下水滲流路徑的水文地球化學演化模式的基礎上，以蘆嶺煤礦為研究示范，開展突水點常規(guī)水化學分析，建立采動影響下礦井突水模式與水源判別模型，研究成果對我國華北隱伏型煤礦水災防治提供重要理論支持。

2 地下水滲流與水化學演化模式

2.1 四含水滲流路徑與水化學特征

淮北煤田境內煤礦井下出水點水源如果來自四含水，一種可能路徑為直接通過煤層頂板導水裂隙，另一種路徑為通過斷層（或其它快速通道，如巖溶陷落柱等）進入煤系砂巖裂隙滲出。存在兩種滲流模式，一種為地下水在煤系砂巖裂隙內滲流路徑短、速度快；另一種為地下水在煤系砂巖裂隙內滲流路徑長、速度慢。

地下水在煤系砂巖裂隙內滲流路徑短、速度快主要有兩種情況：工作面煤層采動后頂板導水裂隙帶貫通四含（圖1中A模式）或頂板導水裂隙帶直接溝通斷層（圖1中B模式），以致四含水在工作面、采空區(qū)或巷道涌出。在這種情況下，井下出水點水化學特征應與上部四含水基本一致，由于地下水快速通過基巖風化帶或煤系砂巖裂隙以及斷層裂隙等，陽離子交替吸附作用微弱，水化學動態(tài)演化受控于上部四含水文地球化學環(huán)境。

圖1 四含出水點地下水滲流與水化學演化模式（在砂巖裂隙內滲流路徑短、速度快）

地下水在煤系砂巖裂隙內滲流路徑長、速度慢也有兩種情況：工作面采動后煤層頂板導水裂隙帶貫通砂巖裂隙，并且砂巖裂隙通過基巖風化帶與四含存在較好的水力聯(lián)系（圖2中A模式）或導水裂隙帶溝通上部煤系砂巖裂隙，并且砂巖裂隙通過導水斷層與四含水存在較好的水力聯(lián)系（圖2中B模式），以致四含水在工作面、采空區(qū)或巷道涌出。在這種情況下，出水點水化學特征不同于上部四含水，由于地下水在煤系砂巖裂隙內滲流路徑長、速度慢，水化學動態(tài)演化基于上部四含水地下水類型，并受控于煤系砂巖裂隙水文地球化學環(huán)境。

圖2 四含水出水點地下水滲流與水化學演化模式（在砂巖裂隙內滲流路徑長、速度慢）

2.2 煤系水滲流路徑與水化學特征

煤系水以靜儲量為主，地下含水空間零星分布，并且儲量不大，水量有限。井下出水點水源如果只是煤系水，而與其他含水層地下水水力聯(lián)系不暢，則水化學動態(tài)穩(wěn)定，來自同一含水組的煤系水常規(guī)離子的測試結果基本上在誤差的范圍內。

工作面采動后頂板導水裂隙帶貫通煤系儲水空間（圖3中A模式），或頂板導水裂隙帶溝通導水斷層，并與煤系儲水空間存在水力聯(lián)系（圖3中B模式），以致煤系水在工作面、采空區(qū)或巷道涌出。在這種情況下，出水點水化學特征基于煤系水類型，并受控于煤系砂巖裂隙含水層零星展布空間與范圍、層組、展布形態(tài)與水文地球化學環(huán)境等，煤系出水點水化學特征表現(xiàn)微小差別。

圖3 煤系水出水點地下水滲流與水化學演化模式

2.3 灰?guī)r水滲流路徑與水化學特征

工作面采動后底板導水裂隙帶與導水斷層（或巖溶陷落柱）溝通（圖4中A模式），以致灰?guī)r水（包括太灰水與奧灰水）在工作面、采空區(qū)或巷道涌出。此時灰?guī)r水通過砂巖裂隙滲出（或通過斷層或陷落柱直接涌出），滲流路徑短、速度快，井下出水點水化學特征應與下部灰?guī)r水基本一致，水化學動態(tài)演化受控于下部灰?guī)r水文地球化學環(huán)境。另外，導水斷層或巖溶陷落柱與煤系砂巖裂隙層組溝通，工作面采動后，其底板導水裂隙帶溝通煤系砂巖裂隙層組（圖4中B模式），以致灰?guī)r水在工作面、采空區(qū)或巷道涌出。此時灰?guī)r水在砂巖裂隙內滲流路徑長、速度慢，水化學動態(tài)演化基于下部灰?guī)r水類型，并受控于煤系砂巖裂隙水文地球化學環(huán)境。

圖4 灰?guī)r水出水點地下水滲流與水化學模式

3 基于地下水滲流與水化學演化的水源判別

3.1 淮北煤田主要突水含水層常規(guī)水化學特征

常規(guī)水化學揭示了地下水系統(tǒng)主要水-巖相互作用。基于礦區(qū)常規(guī)水化學資料，利用離子組合法，開展統(tǒng)計分析，得出淮北煤田主要突水含水層常規(guī)水化學特征如下：

（1）（rNa＋-rCl-）／rSO42-＞3，rNa＋／rCl-＞1，（rSO42-＋0.5rHCO3-）／（rCa2＋＋rMg2＋）＞3為煤系水特征；

（2）0＜（rNa＋-rCl-）／rSO42-＜1，rNa＋／rCl-＞1為四含水特征；

（3）0＜rSO42-／rCl-＜1，0＜（rSO42-＋0.5rHCO3-）／（rCa2＋＋rMg2＋）＜1為太灰水特征；

（4）rSO42-／rCl-＞1，（rSO42-＋0.5rHCO3-）／（rCa2＋＋rMg2＋）＞1為奧灰水特征；

（5）不滿足上述離子組合比公式，有可能是一種或幾種水的混合。

3.2 典型工作面突水點水化學動態(tài)分析

2010年9月28日下午17：00點，淮北煤田蘆嶺煤礦Ⅱ1016工作面回采至160m，機尾底板出現(xiàn)滲、涌水現(xiàn)象，實測涌水量為10m3／h。2010年9月29日涌水量上升至12m3／h。2010年10月1日夜班綜采支架向前推進了0.5m，在推進過程中涌水量一度升至48m3／h，工作面停采。2010年10月至12月份，水量穩(wěn)定在19～40m3／h。2010年9月28日～2011年5月10日不定期地開展了水質測試，相關離子組合比值的變化趨勢見圖5。

結合模型離子組合比（rNa＋-rCl-）／rSO42-、（rSO42-＋0.5rHCO3-）／（rCa2＋＋rMg2＋）、rNa＋／rCl-、rSO42＋／rCl-在考察期間的動態(tài)變化，基于地下水滲流與水化學演化模式，可知Ⅱ1016工作面出水有如下特征：

（1）Ⅱ1016工作面出水不是真正的以靜儲量為主的煤系水，而是與太灰或四含存在較強的水力聯(lián)系；

（2）Ⅱ1016工作面出水點地下水在砂巖裂隙內滲流路徑長、速度慢，水化學動態(tài)演化基于太灰或四含水化學類型，并受控于煤系砂巖裂隙含水層水文地球化學環(huán)境。

煤系水滲流過程中具有較強的溶濾溶解作用與陽離子交替吸附作用（特別是在滲流初期）［10］，煤系水Na＋有明顯增加的趨勢，Ca2＋、Mg2＋顯著減少的趨勢。如果是四含水補給煤系砂巖裂隙，地下水在滲流過程中rNa＋／rCl-將會更大，與實際遠低于四含水樣相悖。另外，煤系水滲流過程中同樣具有較強的脫硫酸作用（特別是在涌水中期）［10］，因此，地下水在滲流過程中HCO3-有明顯增加的趨勢，如果是四含水補給煤系砂巖裂隙，地下水在滲流過程中rHCO3-／rCl-將會更大，與實際低于四含水樣相悖。因此，Ⅱ1016工作面水源來自四含水的可能性不大，應為下部太灰水，且地下水在砂巖裂隙中具有徑流路徑長、滲流速度慢、滯留時間長等特點。

3.3 典型工作面突水點水源判別分析

圖5 蘆嶺煤礦Ⅱ1016工作面地下水典型離子組合比的歷時曲線

將淮北煤田166個水樣的 Na＋＋K＋、Ca2＋、Mg2＋、SO42-、Cl-、HCO3-、CO32-測試結果分別代入判別模型，并繪制判別函數(shù)F1-F2散點圖（圖6）。根據(jù)圖6水樣點集中程度，可分析混合程度。煤系水基本上可以確定一個完整區(qū)，說明煤系水與四含、太灰與奧灰水混合程度小。相反，四含、太灰與奧灰水樣點不易確定完整區(qū)，說明采動影響下四含、太灰與奧灰水力聯(lián)系密切，含水層之間混合明顯。

蘆嶺煤礦2007年5月6日～2007年5月27日動態(tài)監(jiān)測的太灰放水孔地下水點在F1-F2散點圖中位置基本不變，動態(tài)穩(wěn)定，能較好地代表近期蘆嶺煤礦太灰水化學特征。同樣，蘆嶺井田Ⅱ1016工作面出水后，2010年9月28日～2011年5月10日對Ⅱ1016工作面突水點采集地下水樣品開展水化學動態(tài)監(jiān)測。監(jiān)測結果顯示，隨著時間的延續(xù)，Ⅱ1016工作面水樣點有向太灰水區(qū)域靠近的趨勢，因此，可判定Ⅱ1016工作面突水與太灰含水層地下水有直接的水力聯(lián)系，且地下水在砂巖裂隙中具有徑流路徑長、滲流速度慢、滯留時間長等特點。

圖6 蘆嶺井田主要突水含水層地下水樣F1-F2散點圖

4 結語

我國華北隱伏型煤礦采動后，巖層的移動與破壞進一步導致地下水系統(tǒng)水動力條件改變，系統(tǒng)內各含水層之間的補給關系在礦區(qū)內定然發(fā)生不同程度的改變［11］。水化學研究如果一味關注某一含水層，而不考慮開采擾動影響下系統(tǒng)內各含水層之間相互聯(lián)系和可能存在的水巖作用，也就很難全面認識地下水水化學環(huán)境的本來面目和可能的發(fā)展趨勢。因此，考慮典型華北隱伏型煤田——淮北煤田長期采動影響，以礦井下出水點為研究起點，通過反演分析，提出了淮北煤田主要突水含水層地下水滲流與水化學演化模式。基于此，分析蘆嶺煤礦Ⅱ1016出水點水化學動態(tài)變化，進而正確判別水源及其滲流突水模式。

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