康小兵，李曉雪，饒麗芳，張文發(fā)，羅向奎，王克峰

（1.成都理工大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院,四川 成都 610059；2.重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局208 水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì),重慶 400700）

0 引言

“雙碳”目標(biāo)下我國(guó)煤礦產(chǎn)業(yè)加速退出。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止2021 年底我國(guó)共關(guān)閉煤礦5 700 處，預(yù)估到2030 年我國(guó)關(guān)閉煤礦數(shù)量將達(dá)到1.5 萬(wàn)處[1]。從水文地質(zhì)和水資源角度來(lái)看，煤礦一經(jīng)關(guān)閉，閉坑礦井便成為礦區(qū)不同深度含水層發(fā)生水力聯(lián)系的通道、地下水匯集儲(chǔ)存空間和地下水污染場(chǎng)所，將造成資源-安全-環(huán)境三重問題。為實(shí)現(xiàn)關(guān)閉煤礦排水的趨利避害，需準(zhǔn)確判識(shí)礦井涌水來(lái)源及涌水模式。

煤炭作為我國(guó)主體能源[2]，有著悠久的開采歷史，但受制于復(fù)雜的水文地質(zhì)條件，煤礦水害事故頻發(fā)[3]。為探究礦井水害問題的本質(zhì)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)煤礦涌水開展了較為深入的研究。姜本在上世紀(jì)80 年代就對(duì)我國(guó)南方典型巖溶煤礦床涌水規(guī)律進(jìn)行了探討[4]。HUANG 等[5]建立Piper-主成分分析（PCA）-Fisher 水源識(shí)別模型，經(jīng)驗(yàn)證該模型在識(shí)別煤礦涌水過(guò)程中具有較高的準(zhǔn)確率。陳陸望等[6]基于宿縣礦區(qū)主要突水含水層地下水水化學(xué)數(shù)據(jù)，得出礦區(qū)四含水主要受采礦活動(dòng)控制、煤系水主要受斷裂控制、太灰水主要受采礦活動(dòng)及構(gòu)造共同控制。趙利軍等[7]研究發(fā)現(xiàn)在復(fù)合隔水條件下，柳塔煤礦因礦業(yè)活動(dòng)使之隔水層產(chǎn)生裂隙，形成導(dǎo)水通道，從而導(dǎo)致礦井涌水量與降雨量呈線性相關(guān)。針對(duì)關(guān)閉煤礦，MENENDEZ 等[8]對(duì)西班牙阿斯圖里亞斯一處關(guān)閉煤礦進(jìn)行水資源評(píng)估，并驗(yàn)證了利用關(guān)閉煤礦建造抽水蓄能水電站的可能性。虎維岳等[9]將廢棄采礦區(qū)的地下水運(yùn)移介質(zhì)劃分為多層狀發(fā)育的巖溶空隙及裂隙、非均勻分布的網(wǎng)絡(luò)管道、似層狀分布的強(qiáng)滲透網(wǎng)絡(luò)裂隙、非均勻不規(guī)則分布的擾動(dòng)裂隙4 種類型。李琰慶等[10]通過(guò)分析淮南老礦區(qū)內(nèi)廢棄煤礦透水機(jī)理，總結(jié)出廢棄煤礦存在裂隙帶導(dǎo)通地表水、洪水倒灌廢棄煤礦和老窯水沖破煤巖柱3 種透水方式。

重慶松藻礦區(qū)是西南地區(qū)重點(diǎn)煤炭產(chǎn)業(yè)基地之一[11]，也是我國(guó)典型巖溶礦區(qū)，礦井涌水問題一直備受關(guān)注。巫顯鈞[12]、周述[13]等通過(guò)采面涌水量動(dòng)態(tài)結(jié)合礦區(qū)地質(zhì)條件、礦井布置情況，得到礦區(qū)煤礦總采工作面涌水主要為離層裂隙水，李永祥等[14]研究得出煤層上覆下伏長(zhǎng)興組及茅口組巖溶水沿?cái)嗔褬?gòu)造、“三帶”裂隙及茅口組開采巷道等介質(zhì)涌出。目前，松藻礦區(qū)多集中于煤礦建設(shè)與開發(fā)過(guò)程中的涌水規(guī)律探究，而對(duì)關(guān)閉煤礦涌水來(lái)源及模式的研究還不夠深入，同時(shí)大多數(shù)關(guān)閉煤礦已做封井處理，又大大增加了對(duì)其涌水來(lái)源及模式探究的難度。

筆者基于松藻礦區(qū)關(guān)閉煤礦涌水流量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及水化學(xué)、微生物檢測(cè)結(jié)果，采用涌水動(dòng)態(tài)解析、流量-降雨水文序列[15-16]、水質(zhì)指標(biāo)描述性統(tǒng)計(jì)分析、礦井涌水間水化學(xué)指標(biāo)的雙變量相關(guān)分析等方法，剖析礦井涌水徑流特征、釋水體儲(chǔ)導(dǎo)水性質(zhì)，反演礦井水涌水來(lái)源，并綜合礦區(qū)水文地質(zhì)條件，提出關(guān)閉煤礦涌水模式。以期為巖溶礦區(qū)關(guān)閉煤礦及其礦井涌水資源規(guī)劃利用提供依據(jù)，緩解區(qū)域水資源供需矛盾，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)促進(jìn)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

1 研究區(qū)概況

松藻礦區(qū)位于重慶市綦江區(qū)西南部，地勢(shì)西南高，東北低，以山地為主，區(qū)內(nèi)水系發(fā)育。礦區(qū)地處婁山褶皺帶與四川盆地沉降帶接合部位，其東側(cè)屬川黔南北構(gòu)造體系，西側(cè)屬北東向華夏構(gòu)造體系。區(qū)域由東向西依次有兩河口向斜、羊叉灘背斜、大木樹向斜及魚跳背斜，其褶曲幅度由東向西逐漸減緩，波幅減小，褶曲軸線在平面上北東向收斂，南西向發(fā)散，整體呈“帚”狀。閉坑煤礦大多分布于兩河口向斜構(gòu)造單元內(nèi)，涌水礦井口皆位于兩河口向斜東翼斜坡地帶，研究區(qū)位置及關(guān)閉煤礦分布如圖1 所示。

圖1 松藻礦區(qū)構(gòu)造與關(guān)閉煤礦分布Fig.1 Songzao mining area structure and closed coal mine distribution map

礦區(qū)出露地層均為沉積巖。除泥盆系、石炭系、第三系、白堊系下統(tǒng)缺失外，寒武系至第四系均有不同程度出露。與礦區(qū)涌水有關(guān)的地層主要有茅口組（P2m）、龍?zhí)督M（P3l）、長(zhǎng)興組（P3c）、玉龍山組（T1y）、飛仙關(guān)組（T1f）、嘉陵江組（T1j）、雷口坡組（T2l）、須家河組（T3xj）。

松藻礦區(qū)開采龍?zhí)督M煤層，屬瀉湖-潮坪沉積相。龍?zhí)督M總厚57～107 m，可采煤層3～6 層，由上到下分別為M6、M7、M8、M9、M11、M12（圖2），其中M8全區(qū)可采，煤層穩(wěn)定厚度0.71～6.68 m，平均厚2.94 m，約占礦區(qū)總儲(chǔ)量的60%，為礦區(qū)主采煤層，其余煤層局部可采[17]。煤層下伏平行不整合接觸茅口組（P2m）灰?guī)r，中間存在古侵蝕面，上覆整合接觸長(zhǎng)興組（P3c）灰?guī)r。礦區(qū)主要開采煤層硫分含量均大于3.2%，屬于高硫煤（St,d＞3.0%）范疇[18]。

圖2 K23 煤礦剖面圖及煤層分布示意Fig.2 Profile and coal seam distribution diagram of K23 coal mine

礦區(qū)大面積出露灰?guī)r，巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，巖溶水分布較廣泛，地下水類型以巖溶裂隙水為主，主要接受大氣降雨補(bǔ)給，其埋藏和分布不均一。根據(jù)礦區(qū)主采煤層上覆與下伏的地層巖性、富水性、地下水賦存介質(zhì)和水動(dòng)力特征，礦區(qū)含隔水巖組劃分見表1。

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本次研究的34 個(gè)關(guān)閉煤礦，受地形切割、巖溶發(fā)育、采動(dòng)裂隙等空間差異性的影響，其中10 個(gè)關(guān)閉煤礦涌水量相對(duì)較大，其余為無(wú)水或少水煤礦。研究數(shù)據(jù)來(lái)自這10 個(gè)涌水量較大的關(guān)閉煤礦，礦井涌水量為2016 年1 個(gè)水文年1 月2 次的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（圖3），水化學(xué)常規(guī)因子（pH、TDS、Na++K+、Mg2+、）和微生物（菌落總數(shù)、總大腸菌群）指標(biāo)為同年10 月取樣分析測(cè)試結(jié)果。降雨量數(shù)據(jù)取自距離礦區(qū)最近的綦江、桐梓兩個(gè)氣象站2016 年逐日降雨量平均值（圖3）。

2.2 研究方法

1）統(tǒng)計(jì)分析。運(yùn)用SPSS 軟件對(duì)礦井涌水水質(zhì)檢測(cè)指標(biāo)含量數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，來(lái)反映數(shù)據(jù)分布狀態(tài)、一般數(shù)值特征等特性。

2）相關(guān)性分析。將時(shí)間序列相關(guān)函數(shù)與Pearson 相關(guān)函數(shù)分別用于關(guān)閉煤礦涌水水量、水化學(xué)關(guān)聯(lián)性的探討。相關(guān)性分析是衡量變量間相關(guān)密切程度的一種統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，通過(guò)對(duì)相關(guān)系數(shù)的計(jì)算，量化復(fù)雜現(xiàn)象，并從中揭示規(guī)律[20]。

①水文序列相關(guān)函數(shù)。水文序列相關(guān)分析是基于時(shí)間尺度上水文序列關(guān)聯(lián)程度的定量判斷。自相關(guān)系數(shù)是為描述水文序列自身內(nèi)部相關(guān)聯(lián)性，互相關(guān)函數(shù)旨在描述兩個(gè)序列間的內(nèi)在聯(lián)系。自相關(guān)函數(shù)R（k）和互相關(guān)函數(shù)Rxy（k）計(jì)算公式如下：

式中：R（k）為自相關(guān)系數(shù)；Rxy（k）為互相關(guān)系數(shù)；C（k）為序列的自協(xié)方差；C（0）為樣本方差；Cxy（k）為兩個(gè)序列的互協(xié)方差；n為時(shí)間序列長(zhǎng)度；k為滯后時(shí)間；σ(x)、σ(y)分別為Xn、Yn序列的樣本標(biāo)準(zhǔn)差；為Xn、Yn的樣本均值。

②Pearson 相關(guān)函數(shù)。Pearson 相關(guān)性用于衡量?jī)蓚€(gè)序列間的線性關(guān)系。其計(jì)算公式為

式中：r為相關(guān)系數(shù)；m為樣本數(shù)量；σ2(xy)為x、y序列的協(xié)方差；、、與式（1）—式（4）相同。σ(x)σ(y)

3 關(guān)閉煤礦涌水特征與來(lái)源判識(shí)

3.1 涌水動(dòng)態(tài)成因解析

1）涌水量波動(dòng)特征。煤礦涌水的動(dòng)態(tài)特征是水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)、水的補(bǔ)給來(lái)源、導(dǎo)水介質(zhì)和采動(dòng)破壞擾動(dòng)程度等因素的綜合反映[21]。由降雨量與關(guān)閉煤礦流量動(dòng)態(tài)（圖3）可以看出，大多數(shù)關(guān)閉煤礦涌水量存在明顯季節(jié)性變化，且不同關(guān)閉煤礦涌水量存在明顯差異，主要有以下3 種波動(dòng)類型。

①驟升緩降型：關(guān)閉煤礦K29、K30、K33 涌水量較大，且流量年波動(dòng)幅度也大，流量對(duì)降雨的響應(yīng)呈現(xiàn)出驟升緩降勢(shì)態(tài)。說(shuō)明這3 個(gè)關(guān)閉煤礦釋水體富水性好，存在巖溶管道與徑流系統(tǒng)連通的可能性較大，補(bǔ)給迅速；且發(fā)育大量裂隙通道，徑流較巖溶管道緩慢，因此流量消降遲緩。由此推斷其流量波動(dòng)原因是由于這3 個(gè)關(guān)閉煤礦位于萬(wàn)隆村沖溝處，地形切割淺，裂隙發(fā)育，地下水水力梯度較大，交替循環(huán)迅速。

②緩升緩降型：關(guān)閉煤礦K07、K23、K27 涌水量中等，流量年波動(dòng)幅度較小，對(duì)降雨的響應(yīng)為緩升緩降型。說(shuō)明這3 個(gè)關(guān)閉煤礦釋水體富水性較差，徑流通道不存在巖溶管道等大型導(dǎo)水介質(zhì)，多為裂隙流，礦井涌水的補(bǔ)給與消降都較緩慢。

③平穩(wěn)型：K05、K15、K21、K36 涌水量較小，流量年波幅也極小，表現(xiàn)出平穩(wěn)的特征。說(shuō)明該類關(guān)閉煤礦釋水巖體富水性差，或?qū)ǖ啦话l(fā)育。

2）水文序列相關(guān)分析。自相關(guān)系數(shù)可以反映系統(tǒng)的記憶性，記憶性又取決于釋水體的蓄水能力和徑流速度[22]。關(guān)閉煤礦涌水量與降雨量自相關(guān)函數(shù)（圖4a）可以反應(yīng)出：因降雨事件為沒有記憶性的純隨機(jī)函數(shù)，所以研究區(qū)降雨量的自相關(guān)性較差，且波動(dòng)幅度較大[23]。關(guān)閉煤礦涌水流量自相關(guān)性較好，R（k）都在0.8～0.95，且變化趨勢(shì)大致相同，隨滯后期的增加而減小。

圖4 關(guān)閉煤礦涌水量自相關(guān)函數(shù)與涌水量-降雨量互相關(guān)函數(shù)Fig.4 Self-correlation function of water inflow and cross-correlation function of water inflow and rainfall in closed coal mine

本次將降雨量時(shí)間序列作為輸入信號(hào)，10 個(gè)關(guān)閉煤礦涌水量時(shí)間序列作為輸出信號(hào)，煤礦涌水量對(duì)降雨響應(yīng)的敏感程度依靠這兩序列互相關(guān)系數(shù)來(lái)反映[24-25]。得到關(guān)閉煤礦涌水量與降雨量的互相關(guān)函數(shù)圖（圖4b），結(jié)果顯示：

K27、K29、K30 三個(gè)關(guān)閉煤礦涌水量對(duì)降雨量的響應(yīng)存在1 個(gè)月的滯后性，涌水量大且與降雨量的相關(guān)性較差，說(shuō)明釋水體自身蓄水量大、透水性較差，且這幾處關(guān)閉煤礦涌水流量的波動(dòng)主要受自身調(diào)蓄，因此初步推斷這幾處關(guān)閉煤礦涌水來(lái)源于巷道揭露的碳酸鹽巖含水層。其余關(guān)閉煤礦涌水量對(duì)降雨量的響應(yīng)滯后時(shí)間≤15 d，對(duì)降雨的響應(yīng)較為敏感。推斷礦井涌水存在較為良好的補(bǔ)給通道，或釋水體補(bǔ)給條件較好。

K21 涌水量與降雨的相關(guān)性好，降雨對(duì)涌水量的控制作用較強(qiáng)，說(shuō)明降雨入滲對(duì)礦井涌水貢獻(xiàn)較大。K05、K33 涌水量與降雨量互相關(guān)性差，推測(cè)煤礦涌水為大氣降雨沿通道直接補(bǔ)給的可能性小，涌水可能來(lái)源于礦坑老空水、巷道揭露的碳酸鹽巖含水層釋水。K07、K15、K23、K36 流量對(duì)降雨量的響應(yīng)程度中等，K07、K23 流量中等，K15、K36 流量較小，從涌水動(dòng)態(tài)無(wú)法斷定其涌水來(lái)源，還需借助水化學(xué)特征進(jìn)一步證實(shí)。

3.2 水化學(xué)演化環(huán)境分析

3.2.1 水化學(xué)特征分析

水化學(xué)組分的變化主要受補(bǔ)給來(lái)源和演化環(huán)境的控制[26]。研究區(qū)關(guān)閉煤礦涌水有煤系地層頂?shù)装彘L(zhǎng)興組和茅口組灰?guī)r含水層、礦坑老空水、降雨入滲三個(gè)來(lái)源，其中碳酸鹽巖含水層水化學(xué)表現(xiàn)為pH 呈中堿性，Ca2+、濃度相對(duì)較高，TDS 含量取決于地下水循環(huán)速度的快慢；礦坑老空水因封閉滯流加之煤層伴生礦物黃鐵礦氧化，一般具有pH 低、、TDS 含量高的特點(diǎn)[27]。根據(jù)檢測(cè)指標(biāo)含量及比值關(guān)系可用來(lái)判識(shí)礦井水涌水來(lái)源。

由檢測(cè)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果（表2）可知，礦井涌水中pH 與TDS 變化幅度都較大，表明礦井水受多種因素影響，涌水來(lái)源不盡相同。研究區(qū)礦井水樣pH 變化范圍為2.87～7.92，平均值為5.92，其中K05、K07、K36 礦井水pH 分別為2.88、3.03、2.87，呈強(qiáng)酸性，分析此類礦井涌水主要來(lái)源于含煤地層黃鐵礦氧化形成的酸性礦坑老空水。水樣TDS 變化范圍在211.60～1 556.96 mg/L，平均值為678.82 mg/L，K21、K36 礦井水TDS 含量超過(guò)1 g/L，且pH 為酸性，推測(cè)這兩處煤礦受到一定量的老空水補(bǔ)給。根據(jù)礦井水主要離子濃度與TDS 的關(guān)系（圖5）可知，Ca2+、與TDS 呈顯著正相關(guān)，其余離子與TDS 相關(guān)性較小，表明陰陽(yáng)離子中Ca2+、的溶解輸入對(duì)礦井水成分貢獻(xiàn)最大。又因礦區(qū)碳酸鹽巖含水層中石膏較少，礦井涌水中的則主要來(lái)源于煤層黃鐵礦[28]，Ca2+則為碳酸鹽巖溶解的產(chǎn)物。

表2 關(guān)閉煤礦涌水水質(zhì)常規(guī)指標(biāo)及微生物指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 2 Statistical results of conventional indexes and microbial indexes of water inflow from closed coal mines

圖5 關(guān)閉煤礦涌水主要陰陽(yáng)離子與TDS 含量關(guān)系Fig.5 Relationship between TDS content and main anions and cations in water inflow of closed coal mines

根據(jù)離子含量特征繪制Piper 三線圖（圖6），研究區(qū)關(guān)閉煤礦涌水水化學(xué)特征，得到研究區(qū)水化學(xué)類型所占比例由高到低依次為SO4-Ca、HCO3-Ca、HCO3-Na。且隨TDS 含量的增加，礦井水水化學(xué)類型由HCO3-Ca 向SO4-Ca 過(guò)渡，再次體現(xiàn)了離子含量對(duì)TDS 的貢獻(xiàn)。據(jù)前人研究可知，松藻礦區(qū)茅口組（P2m）碳酸鹽巖含水層水化學(xué)類型主要為HCO3-K+Na+Ca 型，長(zhǎng)興組（P3c）碳酸鹽巖含水層水化學(xué)類型主要為HCO3-Ca 型[19]。關(guān)閉煤礦K23、K27 因巷道修建于長(zhǎng)興組地層中，水化學(xué)類型為HCO3-Ca 型，pH 呈中堿性，故推測(cè)這兩處礦井涌水主要接受長(zhǎng)興組灰?guī)r含水層補(bǔ)給；K33 因巷道修建于茅口組地層中，水化學(xué)類型為HCO3-Na 型，且pH呈中堿性、TDS 含量低，因此推測(cè)K33 涌水主要接受茅口組灰?guī)r含水層補(bǔ)給。

圖6 關(guān)閉煤礦涌水水化學(xué)成分Piper 三線圖Fig.6 Piper triplot of chemical composition of coal mine water inrush

3.2.2 涌水常規(guī)離子含量相關(guān)性分析

通過(guò)礦井涌水水質(zhì)指標(biāo)的雙變量Pearson 相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值大小，可識(shí)別礦井涌水來(lái)源關(guān)聯(lián)程度。對(duì)礦井水樣中pH 值、TDS、Na++K+、Mg2+、Ca2+、Cl-、8 個(gè)指標(biāo)進(jìn)行Pearson 相關(guān)性分析，分析結(jié)果見表3。由于水樣間距小、水源類型相近，水樣間相關(guān)系數(shù)普遍較高，其中有84.44%相關(guān)系數(shù)r＞0.7，51.11%相關(guān)系數(shù)r＞0.9，運(yùn)用傳統(tǒng)相關(guān)系數(shù)等級(jí)閾值進(jìn)行相關(guān)性解釋較為粗糙，因而根據(jù)數(shù)據(jù)情況將0.99 設(shè)置為本次相關(guān)系數(shù)判別值對(duì)礦井涌水來(lái)源進(jìn)行判別[29]。

表3 礦井水樣Pearson 相關(guān)系數(shù)Table 3 Pearson correlation coefficient of mine water samples

K07-K36、K29-K30 達(dá)到相關(guān)系數(shù)判別值，相關(guān)系數(shù)分別為0.993、0.992，表征兩組水樣來(lái)源相同，進(jìn)一步證實(shí)了前文推斷，結(jié)合其他特征表明2 組煤礦涌水分別受控于老空水和含水層釋水。K05、K07、K21、K36 相關(guān)系數(shù)均大于0.96，關(guān)聯(lián)性好，礦井涌水關(guān)鍵水源相同，為采空區(qū)老空水。結(jié)合水文序列分析，降雨也為K21 礦井水主要補(bǔ)給源，老空水受到降雨入滲稀釋，礦井水pH 值升高至6.52。據(jù)水文序列相關(guān)函數(shù)分析，指示降雨入滲為K23 涌水的關(guān)鍵因素，又因K23 與這幾處受老空水影響的煤礦相關(guān)系數(shù)均小于0.68，與其余煤礦水樣相關(guān)性大于0.86，說(shuō)明K23 除降雨入滲外，礦井水接受含水層補(bǔ)給的量大于接受老空水補(bǔ)給的量。K33 與K23 關(guān)聯(lián)性好，相關(guān)系數(shù)為0.965，表明K33 也受降雨補(bǔ)給，又因K33 與其余煤礦水樣關(guān)聯(lián)性優(yōu)于K23 與其余煤礦水樣的關(guān)聯(lián)性，說(shuō)明K33 涌水也受含水層釋水、老空水補(bǔ)給，結(jié)合涌水動(dòng)態(tài)與水化學(xué)兩方面可知，K33 涌水補(bǔ)給比例由高到低分別為含水層釋水、降雨、老空水。

3.3 細(xì)菌與微生物含量分析

地下水中的菌落與總大腸菌群主要來(lái)源于人畜糞便[30]，因此微生物指標(biāo)含量可作為礦井水接受降雨補(bǔ)給量的指示因子。由表2 可知K23 礦井水菌落總數(shù)達(dá)到620 CFU/mL，總大腸菌群＞200.5 MPN/100 mL，為水樣中微生物含量最高關(guān)閉煤礦，表明K23 礦井水與地表連通性好，接受降雨補(bǔ)給量較大。另外K27、K29 礦井水中微生物含量也相對(duì)較高，菌落總數(shù)、總大腸菌群含量分別在100 CFU/mL、80 MPN/100 mL 左右，但遠(yuǎn)低于K23，說(shuō)明這兩處煤礦礦井水亦受降雨地表匯流補(bǔ)給，但補(bǔ)給量小于K23 所受降雨補(bǔ)給量。其余煤礦礦井水微生物含量較少，推測(cè)其原因?yàn)榻邮芙涤暄a(bǔ)給量較少或入滲降雨未受污染。

4 關(guān)閉煤礦涌水模式

4.1 涌水來(lái)源

關(guān)閉煤礦礦井涌水量及其與降雨量的響應(yīng)、地下水常規(guī)離子、微生物含量等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，包含了大量地下水流動(dòng)系統(tǒng)演化環(huán)境與水動(dòng)力結(jié)構(gòu)信息，對(duì)涌水來(lái)源具有指示作用?；谇笆龇治?，結(jié)合關(guān)閉煤礦基本水文地質(zhì)條件，松藻礦區(qū)各關(guān)閉煤礦主要涌水來(lái)源判識(shí)結(jié)果見表4。

4.2 涌水模式

根據(jù)研究區(qū)關(guān)閉煤礦涌水來(lái)源識(shí)別結(jié)果，將關(guān)閉煤礦劃分出降雨入滲型、含水層釋水型、老空水溢出型、復(fù)合型4 種涌水模式。

1）降雨入滲型。礦區(qū)發(fā)育大量落水洞、溶隙、采動(dòng)裂隙等通道與巷道直接相連，大氣降雨在地表匯流后，沿以上優(yōu)勢(shì)通道快速通過(guò)地層，流至巷道，并隨巷道涌出（圖7）。關(guān)閉煤礦涌水量與降雨量相關(guān)性好，對(duì)降雨響應(yīng)敏感，涌水動(dòng)態(tài)受降雨、導(dǎo)水介質(zhì)控制，一般波動(dòng)幅度較大。又因水巖作用時(shí)間短，礦井涌水水化學(xué)表現(xiàn)為降雨型，水化學(xué)類型為型，pH 呈中堿性，含量偏低。若降雨流經(jīng)人口密集處，受人為活動(dòng)影響，呈現(xiàn)菌落總數(shù)、總大腸菌群等微生物含量高的特點(diǎn)，如研究區(qū)K23。

圖7 降雨入滲型涌水示意Fig.7 Schematic diagram of rainfall infiltration water inflow

2）含水層釋水型。碳酸鹽巖含水層在地表出露區(qū)接受補(bǔ)給，順巖層徑流，經(jīng)水巖作用，灰?guī)r水中Ca2+、含量較高，又因灰?guī)r中伴生礦物石膏的溶濾增加了水中含量。由于巖溶發(fā)育、巷道揭露、采礦擾動(dòng)等原因形成導(dǎo)水通道，因煤礦關(guān)閉常年失修，防滲措施失效，造成灰?guī)r含水層向礦井釋水（圖8）。

圖8 含水層釋水型涌水示意Fig.8 Schematic diagram of aquifer releasing water inflow

該種模式的煤礦涌水主要與區(qū)域含水層儲(chǔ)導(dǎo)水性有關(guān)，呈現(xiàn)含水層儲(chǔ)水性好，導(dǎo)水介質(zhì)發(fā)育且連通性好，則涌水量較大，反之則涌水量小。因礦區(qū)含水層富水性受補(bǔ)給范圍及補(bǔ)給徑流路徑等的影響，導(dǎo)致礦井涌水量對(duì)降雨的響應(yīng)存在一定的滯后性，且不同水動(dòng)力條件下滯后時(shí)間存在差異。礦井水pH呈中堿性、TDS 含量受地下水循環(huán)速度影響，礦井水水化學(xué)類型以HCO3-Ca、SO4-Ca 型為主。研究區(qū)關(guān)閉煤礦涌水多為含水層釋水，如K15、K27、K29、K30、K33。

3）老空水溢出型。煤層埋深較淺，以上山開拓為主，采空區(qū)老空水沿巷道流至礦井口涌出（圖9）。因研究區(qū)煤層富硫，黃鐵礦等低價(jià)位的硫氧化，導(dǎo)致老空水SO42-含量高，進(jìn)而降低水質(zhì)pH。另外，采空區(qū)儲(chǔ)水環(huán)境較封閉、補(bǔ)給條件差，因此溢出的老空水水量較小，對(duì)降雨響應(yīng)遲緩，涌水動(dòng)態(tài)多為緩升緩降型。綜上，該種模式礦井水水化學(xué)特征表現(xiàn)pH 偏低，TDS、SO42-含量較高，水化學(xué)類型表現(xiàn)為SO4-Ca 型。如研究區(qū)K05、K07、K36 三處關(guān)閉煤礦就為典型老空水溢出型。

圖9 礦坑老空水溢出型涌水示意Fig.9 Schematic diagram of spilling water from old mine water

4）復(fù)合型。在自然與人為雙重作用下，關(guān)閉煤礦涌水存在2 種或2 種以上來(lái)源，此類屬于復(fù)合型涌水模式。該模式礦井水水量水質(zhì)特征具有多樣性，涌水水量大小主要受降雨入滲或含水層釋水影響；因礦井老空水水化學(xué)特征明顯，對(duì)涌水水質(zhì)的控制作用較強(qiáng)，因此復(fù)合有老空水的關(guān)閉煤礦涌水水化學(xué)表現(xiàn)為礦井水或弱礦井水性質(zhì)。如K21 礦井涌水量與降雨相關(guān)性好，對(duì)降雨響應(yīng)速度較快，但pH 值為6.52 呈弱酸性、TDS 含量也較高，說(shuō)明K21 涌水模式為降雨入滲-老空水溢出兩種模式復(fù)合型。

5 結(jié)論

1）礦區(qū)關(guān)閉煤礦涌水動(dòng)態(tài)及對(duì)降雨的響應(yīng)存在時(shí)空差異性。空間差異體現(xiàn)在不同煤礦涌水量的不同，主要受礦井水釋水體和導(dǎo)水介質(zhì)的類型、性質(zhì)影響；時(shí)間差異性主要表現(xiàn)為關(guān)閉煤礦涌水季節(jié)性變化明顯、流量對(duì)降雨響應(yīng)滯后時(shí)間的不同；受釋水體儲(chǔ)水性和導(dǎo)水介質(zhì)之間連通性等地質(zhì)條件控制，研究區(qū)煤礦涌水隨降雨的變化存在驟升緩降、緩升緩降、平穩(wěn)三種動(dòng)態(tài)。

2）由礦井水來(lái)源和演化環(huán)境不同，煤礦涌水水化學(xué)環(huán)境特征也有差異。受碳酸鹽巖含水層及煤層黃鐵礦氧化的影響，關(guān)閉煤礦涌水水化學(xué)類型有HCO3-Ca、SO4-Ca、HCO3-Na 三種，其中以SO4-Ca 型為主，SO4-Ca 型次之。且Ca2+、離子含量與TDS 顯著正相關(guān)，對(duì)礦井水成分貢獻(xiàn)較大。微生物及TDS 含量、pH 值離散性較大。

3）結(jié)合礦井水文地質(zhì)條件、礦井涌水量動(dòng)態(tài)、涌水量與降雨量水文序列自相關(guān)和互相關(guān)函數(shù)、礦井水水化學(xué)特征、微生物含量、水樣間水化學(xué)相關(guān)系數(shù)判別值與水樣間關(guān)聯(lián)性大小關(guān)系，分析了每個(gè)礦井涌水的主要來(lái)源?；诘V井涌水來(lái)源判識(shí)結(jié)果，提出了大氣降雨入滲型、含水層釋水型、老空水溢出型、復(fù)合型4 種礦區(qū)關(guān)閉煤礦涌水模式。