陳陸望，宋正輝

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

1 引言

我國(guó)華北隱伏型煤礦地下水系統(tǒng)往往是由多含水層構(gòu)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(yù)測(cè)預(yù)報(bào)”是首當(dāng)其沖的任務(wù)。目前煤礦突水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)一般根據(jù)開(kāi)采圍巖應(yīng)力、變形、地球物理、水壓、水溫等信息的變化，構(gòu)建煤礦開(kāi)采突水預(yù)警模式［2］。不過(guò)，凡是煤礦重大突水，在發(fā)生之前總有一些預(yù)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(zhì)變的過(guò)程。于是，一些研究者另辟蹊徑，通過(guò)捕捉突水預(yù)兆期內(nèi)的水化學(xué)信息，從簡(jiǎn)單水質(zhì)類型對(duì)比、標(biāo)型組分識(shí)別、水化學(xué)多元統(tǒng)計(jì)或非線性分析等方法判別突水水源類型和預(yù)測(cè)突水模式［3-9］。但是，上述成果只是把我國(guó)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(jiǎn)單組合，注重的是其中單一含水層的靜態(tài)水化學(xué)場(chǎng)，很少根據(jù)時(shí)間跨度與空間尺度考慮開(kāi)采進(jìn)程中多含水層地下水系統(tǒng)水化學(xué)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(guò)程中的適用性受到限制。

淮北煤田是我國(guó)華北隱伏型煤田，現(xiàn)有大、中型礦井30余對(duì)，面積30 000km2。該煤田開(kāi)采歷史悠久，目前煤炭產(chǎn)量6 000萬(wàn)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(gè)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(jiǎn)稱“煤系”）、石炭系太原組巖溶含水層（簡(jiǎn)稱“太灰”）及奧陶系巖溶含水層（簡(jiǎn)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(xué)演化模式的基礎(chǔ)上，以蘆嶺煤礦為研究示范，開(kāi)展突水點(diǎn)常規(guī)水化學(xué)分析，建立采動(dòng)影響下礦井突水模式與水源判別模型，研究成果對(duì)我國(guó)華北隱伏型煤礦水災(zāi)防治提供重要理論支持。

2 地下水滲流與水化學(xué)演化模式

2.1 四含水滲流路徑與水化學(xué)特征

淮北煤田境內(nèi)煤礦井下出水點(diǎn)水源如果來(lái)自四含水，一種可能路徑為直接通過(guò)煤層頂板導(dǎo)水裂隙，另一種路徑為通過(guò)斷層（或其它快速通道，如巖溶陷落柱等）進(jìn)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(nèi)滲流路徑短、速度快；另一種為地下水在煤系砂巖裂隙內(nèi)滲流路徑長(zhǎng)、速度慢。

地下水在煤系砂巖裂隙內(nèi)滲流路徑短、速度快主要有兩種情況：工作面煤層采動(dòng)后頂板導(dǎo)水裂隙帶貫通四含（圖1中A模式）或頂板導(dǎo)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(diǎn)水化學(xué)特征應(yīng)與上部四含水基本一致，由于地下水快速通過(guò)基巖風(fēng)化帶或煤系砂巖裂隙以及斷層裂隙等，陽(yáng)離子交替吸附作用微弱，水化學(xué)動(dòng)態(tài)演化受控于上部四含水文地球化學(xué)環(huán)境。

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

地下水在煤系砂巖裂隙內(nèi)滲流路徑長(zhǎng)、速度慢也有兩種情況：工作面采動(dòng)后煤層頂板導(dǎo)水裂隙帶貫通砂巖裂隙，并且砂巖裂隙通過(guò)基巖風(fēng)化帶與四含存在較好的水力聯(lián)系（圖2中A模式）或?qū)严稁贤ㄉ喜棵合瞪皫r裂隙，并且砂巖裂隙通過(guò)導(dǎo)水?dāng)鄬优c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(diǎn)水化學(xué)特征不同于上部四含水，由于地下水在煤系砂巖裂隙內(nèi)滲流路徑長(zhǎng)、速度慢，水化學(xué)動(dòng)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(xué)環(huán)境。

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

2.2 煤系水滲流路徑與水化學(xué)特征

煤系水以靜儲(chǔ)量為主，地下含水空間零星分布，并且儲(chǔ)量不大，水量有限。井下出水點(diǎn)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(xué)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，來(lái)自同一含水組的煤系水常規(guī)離子的測(cè)試結(jié)果基本上在誤差的范圍內(nèi)。

工作面采動(dòng)后頂板導(dǎo)水裂隙帶貫通煤系儲(chǔ)水空間（圖3中A模式），或頂板導(dǎo)水裂隙帶溝通導(dǎo)水?dāng)鄬樱⑴c煤系儲(chǔ)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(diǎn)水化學(xué)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(xué)環(huán)境等，煤系出水點(diǎn)水化學(xué)特征表現(xiàn)微小差別。

圖3 煤系水出水點(diǎn)地下水滲流與水化學(xué)演化模式

2.3 灰?guī)r水滲流路徑與水化學(xué)特征

工作面采動(dòng)后底板導(dǎo)水裂隙帶與導(dǎo)水?dāng)鄬樱ɑ驇r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(shí)灰?guī)r水通過(guò)砂巖裂隙滲出（或通過(guò)斷層或陷落柱直接涌出），滲流路徑短、速度快，井下出水點(diǎn)水化學(xué)特征應(yīng)與下部灰?guī)r水基本一致，水化學(xué)動(dòng)態(tài)演化受控于下部灰?guī)r水文地球化學(xué)環(huán)境。另外，導(dǎo)水?dāng)鄬踊驇r溶陷落柱與煤系砂巖裂隙層組溝通，工作面采動(dòng)后，其底板導(dǎo)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(shí)灰?guī)r水在砂巖裂隙內(nèi)滲流路徑長(zhǎng)、速度慢，水化學(xué)動(dòng)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(xué)環(huán)境。

圖4 灰?guī)r水出水點(diǎn)地下水滲流與水化學(xué)模式

3 基于地下水滲流與水化學(xué)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(xué)特征

常規(guī)水化學(xué)揭示了地下水系統(tǒng)主要水-巖相互作用?；诘V區(qū)常規(guī)水化學(xué)資料，利用離子組合法，開(kāi)展統(tǒng)計(jì)分析，得出淮北煤田主要突水含水層常規(guī)水化學(xué)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(diǎn)水化學(xué)動(dòng)態(tài)分析

2010年9月28日下午17：00點(diǎn)，淮北煤田蘆嶺煤礦Ⅱ1016工作面回采至160m，機(jī)尾底板出現(xiàn)滲、涌水現(xiàn)象，實(shí)測(cè)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(jìn)了0.5m，在推進(jìn)過(guò)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(kāi)展了水質(zhì)測(cè)試，相關(guān)離子組合比值的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖5。

結(jié)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(dòng)態(tài)變化，基于地下水滲流與水化學(xué)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(chǔ)量為主的煤系水，而是與太灰或四含存在較強(qiáng)的水力聯(lián)系；

（2）Ⅱ1016工作面出水點(diǎn)地下水在砂巖裂隙內(nèi)滲流路徑長(zhǎng)、速度慢，水化學(xué)動(dòng)態(tài)演化基于太灰或四含水化學(xué)類型，并受控于煤系砂巖裂隙含水層水文地球化學(xué)環(huán)境。

煤系水滲流過(guò)程中具有較強(qiáng)的溶濾溶解作用與陽(yáng)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(shì)，Ca2＋、Mg2＋顯著減少的趨勢(shì)。如果是四含水補(bǔ)給煤系砂巖裂隙，地下水在滲流過(guò)程中rNa＋／rCl-將會(huì)更大，與實(shí)際遠(yuǎn)低于四含水樣相悖。另外，煤系水滲流過(guò)程中同樣具有較強(qiáng)的脫硫酸作用（特別是在涌水中期）［10］，因此，地下水在滲流過(guò)程中HCO3-有明顯增加的趨勢(shì)，如果是四含水補(bǔ)給煤系砂巖裂隙，地下水在滲流過(guò)程中rHCO3-／rCl-將會(huì)更大，與實(shí)際低于四含水樣相悖。因此，Ⅱ1016工作面水源來(lái)自四含水的可能性不大，應(yīng)為下部太灰水，且地下水在砂巖裂隙中具有徑流路徑長(zhǎng)、滲流速度慢、滯留時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)。

3.3 典型工作面突水點(diǎn)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(shí)曲線

將淮北煤田166個(gè)水樣的 Na＋＋K＋、Ca2＋、Mg2＋、SO42-、Cl-、HCO3-、CO32-測(cè)試結(jié)果分別代入判別模型，并繪制判別函數(shù)F1-F2散點(diǎn)圖（圖6）。根據(jù)圖6水樣點(diǎn)集中程度，可分析混合程度。煤系水基本上可以確定一個(gè)完整區(qū)，說(shuō)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(diǎn)不易確定完整區(qū)，說(shuō)明采動(dòng)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(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的太灰放水孔地下水點(diǎn)在F1-F2散點(diǎn)圖中位置基本不變，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，能較好地代表近期蘆嶺煤礦太灰水化學(xué)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(duì)Ⅱ1016工作面突水點(diǎn)采集地下水樣品開(kāi)展水化學(xué)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，隨著時(shí)間的延續(xù)，Ⅱ1016工作面水樣點(diǎn)有向太灰水區(qū)域靠近的趨勢(shì)，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(zhǎng)、滲流速度慢、滯留時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)。

圖6 蘆嶺井田主要突水含水層地下水樣F1-F2散點(diǎn)圖

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)華北隱伏型煤礦采動(dòng)后，巖層的移動(dòng)與破壞進(jìn)一步導(dǎo)致地下水系統(tǒng)水動(dòng)力條件改變，系統(tǒng)內(nèi)各含水層之間的補(bǔ)給關(guān)系在礦區(qū)內(nèi)定然發(fā)生不同程度的改變［11］。水化學(xué)研究如果一味關(guān)注某一含水層，而不考慮開(kāi)采擾動(dòng)影響下系統(tǒng)內(nèi)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(rèn)識(shí)地下水水化學(xué)環(huán)境的本來(lái)面目和可能的發(fā)展趨勢(shì)。因此，考慮典型華北隱伏型煤田——淮北煤田長(zhǎng)期采動(dòng)影響，以礦井下出水點(diǎn)為研究起點(diǎn)，通過(guò)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(xué)演化模式?；诖?，分析蘆嶺煤礦Ⅱ1016出水點(diǎn)水化學(xué)動(dòng)態(tài)變化，進(jìn)而正確判別水源及其滲流突水模式。

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