陳 盟，吳 勇，姚金錢

(1.桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林541004；2.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川 成都 610059；3.華鎣山煤業(yè)股份有限公司龍門峽南煤礦，四川 廣安 638020)

華鎣山地區(qū)是四川東部龍?zhí)睹合档闹饕植己彤a(chǎn)出地區(qū)。龍?zhí)睹合档貙优c下伏或上覆巖溶含水層之間間隔薄層透水性較弱的泥巖層、構(gòu)造裂隙、采煤過(guò)程開啟的裂隙和陷落柱等通道以及礦井排水的再次滲漏通道之間有直接或間接的聯(lián)系，構(gòu)成了“水-煤”系統(tǒng)，采煤平硐和巷道空間系統(tǒng)成為巖溶水循環(huán)系統(tǒng)的一個(gè)環(huán)節(jié)，致使巖溶水系統(tǒng)發(fā)生變化。對(duì)于華鎣山地區(qū)巖溶水的研究，多集中于人類工程引起的水資源短缺[1-2]和隧道涌突水方面[3-7]，為該地區(qū)巖溶發(fā)育、巖溶水水文地質(zhì)條件分析等提供了數(shù)據(jù)和理論支撐；在煤礦涌突水方面，劉光明等[8]對(duì)華鎣山龍灘礦區(qū)長(zhǎng)興組(P2c)巖溶含水層的地下水運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析，闡述了其補(bǔ)徑排特征及其演化，指出該含水層與鄰近含水層有較好的水力聯(lián)系；向虎等[9]、雷才國(guó)等[10-11]研究了龍灘煤礦復(fù)雜水文地質(zhì)條件下的涌突水問(wèn)題；陳盟等[12]、Chen等[13]分析了龍門峽南煤礦區(qū)上下巖溶含水層之間的水力關(guān)系，明確了礦井突水水源點(diǎn)和水源，并指出二疊系長(zhǎng)興組(P2c)巖溶含水層為對(duì)煤礦安全生產(chǎn)危害最大的巖溶含水層。

本文在分析華鎣山地區(qū)巖溶含水層空間結(jié)構(gòu)及其補(bǔ)徑排條件的基礎(chǔ)上，以龍灘礦區(qū)為典型案例，采用水化學(xué)分析、聚類分析和連通試驗(yàn)等方法，分析了煤層的充水條件、含水層之間的水力聯(lián)系，該研究成果對(duì)華鎣山地區(qū)龍?zhí)睹合档貙娱_采具有重要的科學(xué)指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

1.1 地質(zhì)概況

華鎣山中部地區(qū)分布有龍灘礦區(qū)、蔡山洞煤礦、綠水洞煤礦、龍門峽南煤礦等多個(gè)開采礦井。該地區(qū)屬中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，多年平均氣溫為17.2℃，極端最高氣溫為41.5℃，極端最低氣溫為-3.1℃；區(qū)域內(nèi)雨量充沛，年降雨量多在950～1 250 mm，多年平均降雨量為1 085.4 mm，其中7月份降雨量平均值最大(為188.07mm)，1月份降雨量平均值最小(為16.64 mm)，5～10月份降雨量占全年總降雨量的70%[12]。

龍灘礦區(qū)地處華鎣山腹部，礦區(qū)及其周邊碳酸鹽巖地層多呈條帶狀大面積分布(見圖1)，其中三疊系雷口坡組(T2l)地層，巖性以白云巖、泥質(zhì)白云巖為主，夾灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r和膏鹽層；三疊系嘉陵江組(T1j)地層，巖性以厚層灰?guī)r為主，夾有白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r及薄層鈣質(zhì)泥巖；三疊系飛仙關(guān)組(T1f)地層劃分為5段，巖性為厚層灰?guī)r(T1f2和T1f4)夾泥巖和泥灰?guī)r(T1f1、T1f3和T1f5)；二疊系長(zhǎng)興組(P2c)地層，巖性為厚層灰?guī)r夾薄層泥質(zhì)灰?guī)r和泥巖，呈天窗式分布；二疊系龍?zhí)督M(P2l)地層劃分為5段，巖性主要由灰?guī)r、泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、鋁質(zhì)泥巖和煤層組成，是該區(qū)域內(nèi)主要的產(chǎn)煤層；二疊系茅口棲霞組(P1m+q)地層，巖性以灰?guī)r或燧石結(jié)核灰?guī)r為主。

圖1 華鎣山地區(qū)龍灘煤礦礦區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.1 Geological map of Longtan coal mine in Huayingshan area

區(qū)內(nèi)龍王洞背斜軸向貫穿南北，軸部寬緩，總體走向?yàn)镹E30°，向北傾伏，向南抬升，出露的最老地層為T1f和P2c；龍王洞背斜兩翼不對(duì)稱，西緩東陡，西翼斷層多與褶皺平行分布，巖體破碎，背斜軸部應(yīng)力變化，斷層多與褶皺垂直分布，巖溶發(fā)育。

1.2 水文地質(zhì)概況

1.2.1 巖溶含水層及空間結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)煤層與巖溶含水層之間的位置關(guān)系和充水特征，煤層的充水含水層可以劃分為包括底板P1m+q和頂板P2l巖溶含水層在內(nèi)的直接充水含水層，以及包括P2c、T1f、T1j和T2l等巖溶含水層在內(nèi)的間接充水含水層，見圖2。

P1m+q巖溶含水層，總厚達(dá)314～347 m，平均上距K1煤層為6.76 m(3.24～13.88 m)，由南向北到礦區(qū)范圍內(nèi)逐漸向下隱伏，極易串通煤層底板；礦區(qū)范圍是該含水層的排泄區(qū)域，補(bǔ)給區(qū)則主要位于礦區(qū)南部的李子埡—三百梯一線條帶狀露頭區(qū)域；鉆孔資料揭示該含水層巖溶管道、裂隙發(fā)育，富水性不均一。

P2l為一組復(fù)合巖溶含水層，灰?guī)r平均厚度約為77.72 m，平均下距K1煤層為16.28 m，該含水層溶蝕裂隙發(fā)育，鉆孔可見巖溶管道，富水性不均一。

P2c巖溶含水層僅在礦區(qū)東北側(cè)背斜軸部出露，鉆探揭露含水層平均厚度為218.06 m(含P2l5上部灰?guī)r)，自礦區(qū)北側(cè)向北逐漸向下隱伏，巖溶管道發(fā)育;礦區(qū)范圍是該含水層的徑流區(qū)域，補(bǔ)給區(qū)則主要位于礦區(qū)南側(cè)的綠水洞一帶，富水性極不均一，局部具強(qiáng)富水性，龍灘煤礦在2005年的“10·4”特大透水事故(突水點(diǎn)高程為553 m)的突水點(diǎn)位于該含水層，最大涌水量可達(dá)200 000 m3/h[14]。

T1f巖溶含水層分布廣泛，其中T1f2+4為含水層，巖溶發(fā)育強(qiáng)烈且不均一，T1f1、T1f3和T1f5為相對(duì)隔水層；T1j含水層的平均層厚為550 m，淺部巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，是區(qū)域的地下河主要發(fā)育層位，涌水量可達(dá)7.23～162.42 L/s，富水性極強(qiáng)。

T2l含水層距離礦區(qū)較遠(yuǎn)，淺部以裂隙或溶蝕裂隙為主，透水性較好，利于大氣降水和地表水的滲透補(bǔ)給，在礦區(qū)南側(cè)的李子埡煤礦礦山南二井+281 m主井2005年揭穿該含水層巖溶管道時(shí)涌水量達(dá)15 000 m3/h，在龍門峽北煤礦主平硐K0+881～K0+998進(jìn)程(高程為562.11～590.87 m)揭穿T2l2含水層時(shí)涌水量也達(dá)到600～1 500 m3/h，穩(wěn)定涌水量約為500 m3/h，可見該含水層淺部透水性良好。

T1j、T1f2+4和P1m+q等碳酸鹽巖地層層厚質(zhì)純，順層發(fā)育形成的溶隙組成主要儲(chǔ)水空間，是傳輸?shù)叵滤鞯闹黧w，地下水賦存具有強(qiáng)烈的不均一性；P2c和P2l等地層儲(chǔ)水空間由構(gòu)造裂隙和巖溶擴(kuò)展的裂隙組成，為碳酸鹽巖夾碎屑巖含水介質(zhì)，富水性相差較大。

區(qū)內(nèi)巖溶含水層與相對(duì)隔水層之間的空間疊置、接觸及組合關(guān)系組成不同的巖溶含水層空間結(jié)構(gòu)，總體呈現(xiàn)強(qiáng)-極強(qiáng)富水含水層與中-強(qiáng)富水含水層的疊置和組合，被相對(duì)隔水層間隔，形成多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的巖溶含水層空間結(jié)構(gòu)(見圖3)，其與巖溶水的補(bǔ)給、徑流和排泄等因素共同控制巖溶水的徑流方式和循環(huán)特征，影響巖溶水的富集。

1.2.2 巖溶水的補(bǔ)、徑、排條件

研究區(qū)巖溶發(fā)育，尤其是垂直形態(tài)的漏斗、落水洞、豎井等巖溶個(gè)體廣泛分布，大氣降水可通過(guò)淺部的垂直巖溶漏斗集中補(bǔ)給或緩慢滲流補(bǔ)給巖溶水，但一般無(wú)水；向下中部巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，地下水也從垂直運(yùn)動(dòng)向水平運(yùn)動(dòng)過(guò)渡，其徑流表現(xiàn)為管道的線狀富集，多近似平行于背斜軸向發(fā)育的地下溶洞管道，形成順軸向流動(dòng)的地下河徑流帶。區(qū)內(nèi)巖溶水循環(huán)交替條件較好，含水層富水性較強(qiáng)，且以集中的點(diǎn)狀(巖溶大泉、暗河等)排泄，同時(shí)受近東西向的區(qū)域地表分水嶺的控制，地下水分別向東、西兩個(gè)方向徑流，總排泄趨勢(shì)是以侵蝕基準(zhǔn)面為準(zhǔn)，沿巖層接觸面、沿低洼地帶邊緣、斷層線或沿褶皺轉(zhuǎn)折端以地下暗河為主要排泄形式，匯入地表徑流，形成地表、地下水相互補(bǔ)給的現(xiàn)象。此外，人工采動(dòng)(煤礦開采)也是巖溶水的主要排泄方式。

圖3 華鎣山地區(qū)龍灘煤礦礦區(qū)水文地質(zhì)剖面圖(據(jù)文獻(xiàn)[13]，有改動(dòng))Fig.3 Hydrogeological cross-section of Longtan coal mine in Huayingshan area (adapted from reference[13])

2 研究方法

2.1 采樣與測(cè)試

水樣參數(shù)的分析誤差采用陰陽(yáng)離子濃度平衡法進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)定誤差<5%。

2.2 聚類分析

2.3 連通試驗(yàn)

本次連通試驗(yàn)投放試劑選用食鹽(NaCl)，將硝酸銀標(biāo)準(zhǔn)溶液和鉻酸鉀指示劑作為試驗(yàn)試劑，試驗(yàn)原理為：在投放點(diǎn)投放NaCl后，在接收點(diǎn)間隔一定時(shí)間(1 h和2 h)取水樣，滴入鉻酸鉀指示劑，然后滴入硝酸銀標(biāo)準(zhǔn)溶液，水樣中Cl-與硝酸銀反應(yīng)完全之后達(dá)到平衡，持續(xù)滴加硝酸銀標(biāo)準(zhǔn)溶液并過(guò)量后將與鉻酸鉀指示劑反應(yīng)生成磚紅色沉淀。將達(dá)到平衡時(shí)所消耗的硝酸銀標(biāo)準(zhǔn)溶液用量作為計(jì)算水樣中Cl-濃度的依據(jù)。試驗(yàn)時(shí)間為枯水期(11月和12月)，且為了避免試驗(yàn)之間相互干擾，每次試驗(yàn)之后間隔1周再進(jìn)行下一次試驗(yàn)。已有研究[20]表明該方法可獲得較好的效果，既能滿足試驗(yàn)要求，又不會(huì)造成地下水污染。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同含水層水樣點(diǎn)的水化學(xué)特征

研究區(qū)不同含水層水樣點(diǎn)的水化學(xué)指標(biāo)分析結(jié)果見表1。

表1 研究區(qū)不同含水層水樣的水化學(xué)指標(biāo)分析結(jié)果Table 1 Analysis results of hydrochemical indexes of water samples from different aquifers in the study area

注：①“*”表示綠水洞煤礦位于場(chǎng)區(qū)南側(cè)5 km處，采樣點(diǎn)為采煤巷道揭露水點(diǎn)；②“-”表示未檢出；③除pH值無(wú)量綱外，其他水化學(xué)指標(biāo)單位均為mg/L。

圖4 研究區(qū)水樣中主要陽(yáng)離子毫克當(dāng)量濃度箱圖Fig.4 Milliequivalent concentration box diagram of the main cations in the water sample of the study area

研究區(qū)不同含水層水樣的水化學(xué)指標(biāo)聚類分析樹狀圖見圖5。

圖5 研究區(qū)不同含水層水樣的水化學(xué)指標(biāo)聚類 分析樹狀圖Fig.5 Cluster analysis tree diagram of hydrochemical indexes of water samples from different aquifers in the study area

由圖5可見，Phenon線的聯(lián)結(jié)距離為10，依據(jù)其相似性關(guān)系分為3個(gè)集群，即Group 1、Group 2、Group 3，分別有13個(gè)、1個(gè)和2個(gè)水樣樣品。

研究區(qū)各集群水化學(xué)指標(biāo)平均值的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

表2 研究區(qū)各集群水化學(xué)指標(biāo)平均值的統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 2 Statistical results of average values of water chemical indexes in each cluster of the study area

注：①“-”表示未檢出；②除pH值無(wú)量綱外，其他水化學(xué)指標(biāo)的單位均為mg/L。

由表2可以看出：

(2) 集群Group 2為1個(gè)鉆孔水樣點(diǎn)(ZK1)，水化學(xué)類型為HCO3·Cl-Na·Ca型，且與集群Group 1有更短的聯(lián)結(jié)距離，表明兩個(gè)集群之間水文地球化學(xué)信息具有一定的相似性。

(3) 集群Group 3為2個(gè)鉆孔水樣點(diǎn)，水化學(xué)類型為Cl·HCO3-Na型。

綜上可見，研究區(qū)各集群水樣點(diǎn)的水化學(xué)過(guò)渡與分帶特征明顯，水化學(xué)類型呈現(xiàn)HCO3-Ca→HCO3·Cl-Ca·Na→Cl·HCO3-Na的過(guò)渡特征，這也與水樣點(diǎn)水化學(xué)的垂向分帶特征一致。其中，集群Group 1中水樣點(diǎn)多為巷道揭露突水點(diǎn)、巖溶管道和地下河等，其徑流條件好、礦化度低，以溶濾作用為主；集群Group 3中水樣點(diǎn)為鉆孔揭露的深部含水層，巖溶發(fā)育較淺部弱，賦水空間和徑流通道發(fā)育較弱，其徑流速度較慢、礦化度高，以濃縮作用為主；集群Group 2則展示了兩者之間水化學(xué)的過(guò)渡特征，Na+與Cl-離子濃度比約5∶2，遠(yuǎn)大于1∶1，表明存在陽(yáng)離子吸附交換作用。此外，在同一含水層內(nèi)水樣點(diǎn)的水化學(xué)特征亦有較大的變化(如S01水樣點(diǎn)與P1m含水層的其他水樣點(diǎn)、S06水樣點(diǎn)與P2l含水層的其他水樣點(diǎn))，表明同一含水層之間水動(dòng)力條件有所差異，也證明了含水層的不均一性。

3.2 不同含水層之間的水力關(guān)系

本次研究對(duì)研究區(qū)主平硐K4+966 m磧頭茅口組(P1m)出水點(diǎn)(S03)與鉆孔ZK1揭露茅口組(P1m)灰?guī)r暗河出水點(diǎn)(下伏)和鉆孔ZK3揭露龍?zhí)督M(P2l)灰?guī)r層位(上覆)之間進(jìn)行了連通試驗(yàn)，用來(lái)驗(yàn)證煤層與頂、底板直接充水含水層之間的水力關(guān)系；對(duì)+620 m進(jìn)風(fēng)斜井磧頭(LT1，煤層上部)與+450 m回風(fēng)斜井(LT2)、蔡山洞暗河(LT3)和水源頭暗河(LT4)之間進(jìn)行了連通試驗(yàn)，用來(lái)驗(yàn)證煤層與各間接充水含水層之間的水力關(guān)系。研究區(qū)連通試驗(yàn)各試驗(yàn)點(diǎn)的空間位置見圖1，連通試驗(yàn)的結(jié)果見表3、圖6和圖7。

表3 研究區(qū)煤系地層與直接和間接充水含水層之間的連通試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of tracing test between coal measures and direct water filling aquifers or indirect water filling aquifers in the study area

圖6 研究區(qū)煤系地層與頂、底板直接充水含水層之間的 連通試驗(yàn)曲線Fig.6 Curves of tracing test between coal measures and bottom and roof aquifers in the study area

由圖6和表3可見，監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)試分析結(jié)果顯示鉆孔ZK3與主平硐K4+966 m磧頭出水點(diǎn)之間Cl-含量在20 h之后抬升至16.17 mg/L，保持至約36 h之后開始降低，又在8 h后迅速抬升至15.90 mg/L，表明鉆孔ZK3與主平硐K4+966 m磧頭出水點(diǎn)之間有較好的水力聯(lián)系，且有較為持續(xù)的過(guò)水?dāng)嗝妫尸F(xiàn)連通狀態(tài)；鉆孔ZK1與主平硐K4+966 m磧頭出水點(diǎn)之間Cl-含量在32 h之后抬升至20.48 mg/L，呈現(xiàn)連通狀態(tài)，Cl-含量出現(xiàn)峰值之后隨之降低，且Cl-含量波動(dòng)頻繁，Cl-含量曲線明顯呈現(xiàn)3次波峰，且鉆孔ZK3與主平硐K4+966 m磧頭出水點(diǎn)之間Cl-含量也同樣呈現(xiàn)4次波峰，表明連通點(diǎn)之間的徑流途徑非單一，區(qū)內(nèi)普遍發(fā)育的順層巖溶和切層巖溶可能存在兩條或多條徑流通道，在過(guò)水?dāng)嗝婧蛷搅骶嚯x等水力聯(lián)系上有所差異;從空間分布上看，區(qū)內(nèi)局部存在從北向南順軸向方向徑流(鉆孔ZK3至主平硐K4+966 m磧頭)，匯入地下河徑流帶，總體呈現(xiàn)從軸部向西翼、從南至北的徑流方向。

圖7 研究區(qū)煤系地層與間接充水含水層之間的連通 試驗(yàn)曲線Fig.7 Curves of tracing test between coal measures and indirect water filling aquifers in the study area

圖7和表3可見，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的Cl-含量分別在19 h、55 h和40 h之后均有不同程度的增加，依據(jù)投放點(diǎn)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的直線距離，計(jì)算得出理想平均流速分別為57.89 m/h、79.09 m/h和162.50 m/h，呈現(xiàn)良好的連通狀態(tài)；Cl-含量曲線同樣出現(xiàn)多個(gè)波峰，表明徑流途徑非單一，其中LT1至LT4之間Cl-含量更是出現(xiàn)5個(gè)波峰，但Cl-含量波動(dòng)區(qū)間較小，推測(cè)兩點(diǎn)之間多途徑匯集，過(guò)水?dāng)嗝娲?，徑流速度大，以管道流為主?/p>

上述連通試驗(yàn)結(jié)果表明：投放點(diǎn)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間均呈現(xiàn)不同程度的連通狀態(tài)，這也驗(yàn)證了前文聚類分析中各鉆孔、巷道、巖溶暗河等水樣點(diǎn)水化學(xué)組分之間的關(guān)系。前人研究表明[8-14]，長(zhǎng)興組(P2c)巖溶含水層是華鎣山地區(qū)龍灘礦區(qū)煤層開采突水事故的主要水源含水層，井硐、巷道多置于或穿越該含水層。本次連通試驗(yàn)結(jié)果也表明龍灘礦區(qū)內(nèi)上下含水層之間具有緊密的水力聯(lián)系，煤層上下含水層多有連通，通過(guò)裂隙、管道和人工巷道等產(chǎn)生水力聯(lián)系，地下水徑流并匯集至線狀富集的管道，并最終向順軸向流動(dòng)的地下河徑流帶匯流，見圖8。另外，龍灘礦區(qū)范圍為P1m含水層的排泄區(qū)，以越流排泄為主，直接威脅煤層開采，是礦井突水的潛在水源，而研究區(qū)含水層之間巖溶裂隙、管道及水力的上下貫通，為P1m巖溶水的越流和P2c巖溶水的徑流提供了導(dǎo)水通道。

圖8 研究區(qū)地下水徑流模式示意圖Fig.8 Schematic diagram of groundwater runoff mode in study area

4 結(jié) 論

本文運(yùn)用水化學(xué)分析、聚類分析和連通試驗(yàn)等方法，以華鎣山地區(qū)龍灘礦區(qū)為例，分析了龍?zhí)睹合档某渌畻l件、上下含水層之間的水力聯(lián)系，得到如下結(jié)論：

(1) 龍灘礦區(qū)煤層埋藏深度較大，垂向上多處于穩(wěn)定水位之下；煤層的直接充水含水層包括底板P1m和頂板P2l巖溶含水層，間接充水含水層包括P2c、T1f、T1j和T2l巖溶含水層；P1m巖溶水的越流和P2c巖溶水的徑流是礦井突水的主要水源或潛在水源。

(2) 聚類分析結(jié)果表明：礦井揭露水點(diǎn)之間的補(bǔ)給與徑流具有一定的同源性，連通試驗(yàn)也證明了巷道與鉆孔、暗河之間的連通關(guān)系。

(3) 區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育強(qiáng)烈、貫穿，煤層上與P2l、P2c、T1f、T1j巖溶含水層或暗河連通，煤層下與P1m巖溶含水層多有水力聯(lián)系，區(qū)內(nèi)巖溶含水層上下貫穿、水力聯(lián)系良好，在井硐開拓過(guò)程中如遇與暗河泉水相溝通的巖溶裂隙通道時(shí)，對(duì)井硐充水的影響較大，突水危害潛力大。