韓 永，連會(huì)青

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 101601)

0 引言

煤礦水害是影響煤礦安全開采的重要因素之一[1]。特別是近煤層灰?guī)r含水層水害防治對(duì)煤礦安全開采至關(guān)重要[2]，因?yàn)榫嚯x煤層較近，在特殊構(gòu)造或者采礦活動(dòng)影響下，容易導(dǎo)致水害事故的發(fā)生[3]。水害防治過程中，水文地球化學(xué)探查在分析地下水循環(huán)、礦井突水水源、地下水徑流通道、不同含水層水力聯(lián)系(混合作用)及注漿效果等方面有著獨(dú)特作用[4-5]。但，水文地球化學(xué)探查的應(yīng)用基礎(chǔ)是地下水化學(xué)和同位素組分的分布、變化特征及規(guī)律的研究[6-7]。因此，研究近煤層灰?guī)r含水層水化學(xué)特征能夠?yàn)樗磁袆e等煤礦防治水工作提供一定依據(jù)，具有一定理論和實(shí)用意義。

1 研究區(qū)概況

鄭州礦區(qū)“三軟”煤層防治水難度大，礦井水害事故時(shí)有發(fā)生。利用井下涌水水化學(xué)特征進(jìn)行水源判別，查找突(涌)水水源，是有效防治突水災(zāi)害的關(guān)鍵。而開展水源判別的前提就是掌握礦區(qū)不同區(qū)域內(nèi)各含水層的水化學(xué)規(guī)律。因此，開展地下水水化學(xué)規(guī)律研究對(duì)快速判斷出水層位、制定合理、有效的防治水措施、避免或減小水害損失具有重要的意義。

鄭州礦區(qū)的超化礦、裴溝礦、趙家寨礦和李梁店礦，屬新密煤田，區(qū)內(nèi)構(gòu)造形跡以斷裂為主，屬于密縣～新鄭褶皺斷裂水文地質(zhì)區(qū)(圖1)。告成礦屬登封煤田，位于穎陽-蘆店向斜的南翼東段，構(gòu)造形式以斷裂為主，屬于登封～告成水文地質(zhì)區(qū)。

圖1 區(qū)域水文地質(zhì)圖

區(qū)內(nèi)主要含水層有：第四系含水層、二疊系山西組砂巖孔隙裂隙承壓水含水層(頂板砂巖含水層)、石炭系太原組上段和下段灰?guī)r巖溶裂隙承壓水含水層(L7-8含水層和L1-4含水層)、奧陶系馬家溝組灰?guī)r巖溶裂隙水含水層(O2含水層)(圖2)。

2 水化學(xué)類型

在水化學(xué)類型分析中，常用到Piper圖。該圖左下角、右下角的三角形分別為主要的陰、陽離子的毫克當(dāng)量百分比，然后據(jù)此將各水樣點(diǎn)投射到上方的菱形圖上。Piper圖可以簡潔明了、直觀形象地展現(xiàn)不同水樣的水質(zhì)差異，甚至可以用于分析地下水水質(zhì)演化規(guī)律。

圖2 主要含水層與主煤層的關(guān)系示意圖

2.1 L7-8含水層水化學(xué)類型

趙家寨礦水樣點(diǎn)在Piper圖上比較集中，絕大部分水樣點(diǎn)位于菱形左上側(cè)(圖3)，水化學(xué)類型主要為：Ca-Mg-HCO3-SO4、Ca-Mg-Na-HCO3-SO4。李梁店礦L7-8含水層水樣點(diǎn)與趙家寨礦位置相近(圖3)，水化學(xué)類型相近，為Ca-Mg-Na-HCO3-SO4。

圖3 L7-8含水層Piper圖

告成礦L7-8含水層水樣點(diǎn)在Piper圖上比較分散，既有位于菱形左側(cè)的點(diǎn)，也有位于中下部的點(diǎn)(圖3)，水化學(xué)類型比較分散，主要為：Na-HCO3、Ca-Na-HCO3和Ca-Mg-HCO3，這反映其L7-8灰地下水水化學(xué)環(huán)境和水動(dòng)力情況相對(duì)復(fù)雜。

2.2 L1-4含水層水化學(xué)類型

裴溝礦水樣點(diǎn)位于左側(cè)(圖4)，水化學(xué)類型為Ca-Mg-Na-HCO3。趙家寨礦分別相對(duì)集中到Piper圖的左上方和右側(cè)(圖4)，左上方水樣點(diǎn)水化學(xué)類型為Ca-Mg-HCO3-SO4、Ca-Mg-Na-HCO3-SO4，右側(cè)水化學(xué)類型為Na-SO4?？梢钥闯?，從裴溝礦向趙家寨礦徑流過程中，水化學(xué)類型逐漸由HCO3向HCO3-SO4演化。

告成礦兩個(gè)水樣點(diǎn)位于左側(cè)，水化學(xué)類型為Ca-Mg-HCO3、Ca-HCO3，另外一個(gè)水樣點(diǎn)位于左下方(圖4)，水化學(xué)類型Na-Mg-HCO3。

圖4 L1-4含水層Piper圖

2.3 O2含水層水化學(xué)類型

超化礦奧灰?guī)r水水樣點(diǎn)位于菱形左側(cè)(圖5)，水化學(xué)類型為Ca-Mg-HCO3。裴溝礦水樣點(diǎn)主要分布在1區(qū)(圖5)，堿土金屬超過堿金屬，水化學(xué)類型為Ca-Mg-HCO3-SO4。趙家寨礦水樣點(diǎn)在Piper圖中分布比較分散(圖5)，水化學(xué)類型包括： Ca-Na-Mg-SO4-HCO3、Ca-Mg-Na-SO4-HCO3、Na-Ca-HCO3-SO4、Na-Cl-HCO3-SO4，說明趙家寨礦區(qū)奧灰?guī)r水水動(dòng)力和水化學(xué)環(huán)境較為復(fù)雜。

圖5 O2含水層Piper圖

3 不同礦區(qū)的同一含水層離子濃度特征

為了更好地了解不同礦井水化學(xué)特征及離子分布規(guī)律的異同，需要將不同礦區(qū)相同含水層的水化學(xué)規(guī)律進(jìn)行對(duì)比。

3.1 L7-8含水層離子濃度對(duì)比

圖6 L7-8灰?guī)r水離子濃度對(duì)比圖

3.2 L1-4含水層離子濃度對(duì)比

3.3 O2含水層離子濃度對(duì)比

奧灰?guī)r水水量豐富、水壓高，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義[8]，因此，分析奧灰?guī)r水在不同礦區(qū)水化學(xué)特征的差別對(duì)于水源判別非常有意義。

圖7 L1-4灰?guī)r水離子濃度對(duì)比圖

圖8 O2含水層地下水離子濃度對(duì)比圖

4 結(jié)論

1)不同礦區(qū)的同一含水層的水化學(xué)類型有異同。如L7-8含水層，趙家寨礦水化學(xué)類型主要為Ca-Mg-HCO3-SO4、Ca-Mg-Na-HCO3-SO4，李梁店礦L7-8含水層水樣點(diǎn)與趙家寨礦位置相近，水化學(xué)類型相近，為Ca-Mg-Na-HCO3-SO4。O2含水層，超化礦水化學(xué)類型為Ca-Mg-HCO3，裴溝礦水化學(xué)類型為Ca-Mg-HCO3-SO4。

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