謝華東，侯俊華，李 萍，朱術(shù)云

（1.兗州煤業(yè)股份有限公司東灘煤礦，山東鄒城273512；2.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州221116）

0 引言

隨著開采年限增加，許多礦井相對比較安全容易開采的煤炭資源逐漸減少，甚至基本開采完畢，礦井為可持續(xù)發(fā)展，要么進(jìn)行提高開采上限，要么向深部延伸開采，但這2個方向的開采均面臨水害威脅問題[1-4]。礦井采掘過程中一旦發(fā)生突水，及時準(zhǔn)確確定突水水源是快速解決治理水害問題的關(guān)鍵[5-7]。而水源識別過程中，水化學(xué)是識別突水水源的主要方法，這種方法主要是依靠不同含水層水化學(xué)特征離子的差異性來分辨不同含水層的[8-12]。為此，本文以東灘煤礦正在回采的63上06工作面突水為背景，利用水化學(xué)方法進(jìn)行分析，探討各主要充水含水層水化學(xué)成分特征及其形成機制，找出差異性，進(jìn)行突水水源判別。

1 研究區(qū)背景概況

東灘煤礦位于兗州煤田向斜核部，主采的3煤層被巨厚松散層和侏羅系紅層覆蓋，63上06工作面切眼位于3煤層露頭附近，屬于深埋煤層的淺部開采范疇，距離奧灰遠(yuǎn)，且三維地震顯示切眼附近周邊沒有較大落差的斷層，直接充水含水層為3煤頂?shù)装迳皫r水和侏羅系紅層水，間接充水含水層主要是底板的三灰水[13]。該工作面于2020年2月11日開始回采，每日推進(jìn)3.5 m左右；2020年2月26日上午，工作面開采至距切眼56 m處（圖1），在30-33號架、37號架、97-107號架底板架后開始向外突水，總涌水量約15 m3/h，但回采面支架范圍頂板無水，初步分析工作面處于初次來壓期間后采空區(qū)頂板水。隨后加強觀測，2月27日突水增加到25 m3/h，2月28日早班推進(jìn)60 m位置，14-41號架，154號架架后突水，回采面支架范圍頂板仍無水，架后總涌水量30 m3/h。3月1日突水量增大到35 m3/h；3月2日推進(jìn)74 m（圖1），架后突水約40 m3/h。由此可見，短期內(nèi)該工作面隨著回采的推進(jìn)，涌水量將呈增加的變化趨勢。為保證工作面能順利回采，故需要對突水水源進(jìn)行分析，以便采取及時有針對性的防治措施。

2 突水點水質(zhì)類型對比劃分

為了對比分析63上06工作面突水水源類型，這里收集整理了19個相關(guān)水質(zhì)分析數(shù)據(jù)（表1），其中，3砂水、侏羅系紅層水和三灰水各3個水化學(xué)分析數(shù)據(jù)，6個其它工作面采空區(qū)水質(zhì)分析數(shù)據(jù)和要識別的63上06工作面4個水質(zhì)分析數(shù)據(jù)。從表1可明顯看出，4個63上06工作面突水的6個主要陰陽離子、礦化度和總硬度等水質(zhì)特征和3砂水、侏羅系紅層水及三灰水均具有明顯的差異性，而和6個其它工作面采空水的具有較好的一致性，初步分析屬于頂板垮落后的3砂水和侏羅系紅層的混合水通過該工作面采空區(qū)流出。

根據(jù)表1中6個主要陰陽離子，利用AquaChem軟件進(jìn)行了P iper圖的繪制（圖2）[14-15]，根據(jù)各含水層在菱形區(qū)域的分布特征，3砂水屬于Na-H C O3-S O4型，侏羅系水屬于Na-Cl-H C O3型，三灰水屬于Na-H C O3型，采空區(qū)水基本均屬于Na-S O4型。這樣可初步分析63上06工作面出的水屬于采空區(qū)水。

表1 東灘煤礦部分突水位置水化學(xué)主要特征對比表單位：mg/L

為進(jìn)一步分析突水水源類型，根據(jù)這19個水質(zhì)分析數(shù)據(jù)，進(jìn)行典型特征離子在各個含水層中所占毫克當(dāng)量百分比進(jìn)行分析。根據(jù)毫克當(dāng)量換算關(guān)系，限于篇幅，這里對每個含水層的主要陰陽離子的平均值進(jìn)行分析（見表2），分析結(jié)果和圖2所反映的特征基本一致。

表2 突水位置主要含水層離子毫克當(dāng)量相關(guān)分析

圖2 不同類型水的P iper對比圖

3 典型離子比值分析與討論

為進(jìn)一步探究各含水層水化學(xué)特征差異性，根據(jù)各水樣中典型離子毫克當(dāng)量濃度比值所反映的水化學(xué)場信息[16]，對其中的幾種特征離子進(jìn)行比值分析（表3），5中類型水的3種典型離子比值具有較大差異性，這3種比值所反映的水化學(xué)特征分述如下：

表3 突水位置主要含水層典型離子毫克當(dāng)量比值相關(guān)分析

1）γCl-/γCa2+。是用來描述水動力特征的參數(shù)，Cl-通常在水動力條件滯緩的區(qū)域富集，而Ca2+是低礦化度水中的主要離子，所以通常γCl-/γCa2+值越大則表明該區(qū)域水動力條件越差，地下水流流動滯緩，水流交替作用弱，溶濾作用不充分，巖層中保留了易溶鹽。

從表3可明顯看出，63上06面4個采空區(qū)水的γCl-/γCa2+系數(shù)和其它6個工作面的基本一致，但和其它3個含水層的有明顯區(qū)別，均明顯小于3砂、侏羅系和三灰這3個含水層的水，說明采空區(qū)水的水動力條件好，水流交替作用強。

2）γNa+/γCl-。系數(shù)通常是用來表征地下水的變質(zhì)程度。變質(zhì)系數(shù)是地層封閉性、地層水變質(zhì)程度和活動性的重要指標(biāo)，由于Cl-化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，很少產(chǎn)生吸附、沉淀和交換反應(yīng)，Na+則可能由于吸附、沉淀等化學(xué)反應(yīng)而減少，因此在地下水埋藏沉積后，γNa+/γCl-一般都趨于降低，從而反映地下水的變質(zhì)程度。γNa+/γCl-越大，反映地層水受滲入水的影響越強，反之則反映地層水受滲入水影響越弱。它又被稱為地下水成因系數(shù)，可當(dāng)作表征水-巖作用中礦物質(zhì)鹽分淋溶與積累強度的標(biāo)志，同時此系數(shù)對判斷地下水中Na+富集程度有重要意義。海水中γNa+/γCl-的均值為0.85，因為海水以Na+為主，侵入陸相沉積物時，Na+吸附地層中的Ca2+，發(fā)生陽離子交替吸附作用，水體中的鈉離子含量下降（γNa+/γCl-＜0.85）；當(dāng)γNa+/γCl-接近于1時，表明含巖鹽地層溶濾在地下水起主導(dǎo)作用。自然條件下，地下水中的Na+和Cl-的主要來源是巖鹽，理論上巖鹽的溶解會釋放出等量的Na+和Cl-進(jìn)入溶液中。當(dāng)γNa+/γCl-大于1時，Cl-離子通常來源于細(xì)粒沉積物中的侵染狀巖鹽巖，而地下水中的鈉離子可能來源于除巖鹽溶解外其他不同的化學(xué)作用。Ca2+、Mg2+和Na+之間的陽離子交換，也可以解釋地下水中Na+的高濃度。

從表3可明顯看出，63上06面4個采空區(qū)水的γNa+/γCl-系數(shù)和其它6個工作面的基本一致，但和其它3個含水層的有明顯區(qū)別，均明顯大于3砂、侏羅系和三灰這3個含水層的水，說明采空區(qū)水的水動力條件好，受其它含水層滲入水的影響強。

（3）γNa+/γS O42-。比例系數(shù)可以用于判斷Na+、S O42-含量與芒硝溶解的關(guān)系。芒硝，主要成分為含水硫酸鈉Na2S O4·10H2O，因此分析Na+和S O42-關(guān)系時可以參考1∶1（毫克當(dāng)量為單位）趨勢線。當(dāng)γNa+/γS O42-趨近于1時，說明土體或巖體中可能存在芒硝。

63上06面4個采空區(qū)水的γNa+/γS O42-系數(shù)均值明顯接近于1，而其它含水層水對應(yīng)比值均大于1，認(rèn)為頂板的侏羅系紅層水和3砂水經(jīng)過采空區(qū)后水化學(xué)成分發(fā)生較大變化（見表3），一方面可能流經(jīng)采空區(qū)和硫化物如煤中的黃鐵礦發(fā)生反應(yīng)，另一方面沿途滲流補給中可能源于地層巖體中的芒硝溶解。

4 結(jié)論

1）基于63上06工作面地質(zhì)及水文地質(zhì)分析基礎(chǔ)上，確定了63上06工作面突水的主要充水含水層，選取了各含水層典型水化學(xué)分析數(shù)據(jù)，進(jìn)行了各含水層水化學(xué)場特征分析，發(fā)現(xiàn)4個63上06工作面突水的6個主要陰陽離子、礦化度和總硬度等水質(zhì)特征和3砂水、侏羅系紅層水及三灰水的均具有明顯差異性，而和6個其它工作面采空水的具有較好的一致性，初步分析認(rèn)為該工作面突水屬于頂板3砂水和侏羅系紅層的混合水通過采空區(qū)流出。

2）通過P iper三線圖獲得了5個含水層的主要水化學(xué)類型，63上06工作面水質(zhì)和其它6個采空區(qū)的是一致的，和3砂水、侏羅系紅層水及三灰水的水化學(xué)類型存在較大差異性。

3）基于部分典型離子毫克當(dāng)量比值較詳細(xì)探討了這5種水的水環(huán)境變化過程及機理，通過對比分析不同離子毫克當(dāng)量比值的均值變化，發(fā)現(xiàn)侏羅系紅層水的水動力條件最弱，相對滯緩，以靜儲量為主，63上06工作面目前突水屬于典型的采空區(qū)水，是可以疏放的。