＊申曉峰

（晉能控股裝備制造集團(tuán)趙莊煤業(yè)有限責(zé)任公司 山西 046605）

引言

隨著趙莊礦井開采水平和范圍的不斷加深和增大，礦井水文地質(zhì)條件也日趨復(fù)雜，不同含水層水源對礦井開采過程的影響程度不同，在預(yù)防和治理過程中需選擇不同的應(yīng)對手段及措施。因此，為有效預(yù)防水害事故的發(fā)生，提高防治措施的針對性及有效性，針對趙莊煤礦不同含水層需建立健全的水化學(xué)資料檔案及水化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫。本文針對趙莊礦水文地質(zhì)資料及水化學(xué)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行分析，掌握井下不同含水層的水化學(xué)特征，建立完善的數(shù)據(jù)庫，以便礦井開采中及時(shí)準(zhǔn)確判別不同含水層的水源，確保礦井安全開采，進(jìn)而推動(dòng)趙莊煤礦實(shí)現(xiàn)更加穩(wěn)健的發(fā)展。

1.水源標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫的建立

通過收集趙莊礦水文地質(zhì)資料及礦井水化學(xué)資料，并對礦井井下含水層出水點(diǎn)、采空區(qū)、礦井周邊的井、泉、地表河流、水庫等水源進(jìn)行調(diào)查及取樣測試，對不同含水層水化學(xué)資料進(jìn)行補(bǔ)充和完善，建立聚類分析、灰色關(guān)聯(lián)分析及多組逐步判別分析模型。并用分析系統(tǒng)軟件對不同含水層水化學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫資料進(jìn)行聚類分析、篩選，結(jié)合水樣從取樣到測試時(shí)的實(shí)際情況，剔除異常水質(zhì)數(shù)據(jù)資料，建立趙莊礦水化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫。

2.礦區(qū)各含水層水化學(xué)特征分析

通過礦區(qū)對各含水層水化學(xué)類型及檢測指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總，將相關(guān)數(shù)據(jù)資料錄入數(shù)據(jù)庫中，并對各含水層常規(guī)離子的組成及相關(guān)性進(jìn)行進(jìn)一步分析，具體如下：

(1)地表水

本次共采集地表水兩個(gè)，采集地點(diǎn)所屬礦井分別是趙莊礦、相鄰礦井。晉煤礦區(qū)地表水陽離子以Ca2+為主，Mg2+次之，其中Ca2+當(dāng)量百分含量為45.5%～60.3%，Mg2+當(dāng)量百分含量為28.8%～41.5%，K++Na+百分含量非常少，僅為10.9%～13%；陰離子以HCO3-、SO42-為主，HCO3-當(dāng)量百分含量為56.1%～61.8%，SO42-當(dāng)量百分含量為29.3%～33.2%，Cl-當(dāng)量百分含量非常少，僅為8.9%～10.7%；地表水的水化學(xué)類型為HCO3·SO4-Ca·Mg；pH值為6.525～8.254，總硬度305.84～484.53mg/L，屬于硬水～高硬水，礦化度為667.88～739.55mg/L。

(2)二疊系砂巖水

①離子組成情況本次共采集砂巖水14個(gè)樣本，采集地點(diǎn)所屬礦井周邊5個(gè)礦。晉煤礦區(qū)砂巖水的14個(gè)水樣中，水化學(xué)類型比較單一，均為HCO3-K+Na，且離子組成結(jié)構(gòu)非常一致，反映出該含水層與其他含水層之間水力聯(lián)系較少，自身補(bǔ)、徑、排條件比較獨(dú)立，形成了穩(wěn)定、單一的水化學(xué)特征；砂巖水離子組成結(jié)構(gòu)非常相似，陽離子均以K++Na+為主，Na+當(dāng)量百分含量為91.6%～96.9%，Ca2+和Mg2+含量非常少，二者當(dāng)量百分含量僅為3.1%～8.4%；陰離子以HCO3-為主，HCO3-當(dāng)量百分含量為69.7%～92.5%，SO42-和Cl-含量非常少，當(dāng)量百分含量為1.5%～21.5%，Cl-當(dāng)量百分含量為3.7%～24.1%；pH值為7.588～8.859，總硬度21.85～67.82mg/L，礦化度為766.19～2875.63mg/L。

②相關(guān)性分析可揭示地下水水化學(xué)參數(shù)的相似相異性及來源的一致性和差異性，計(jì)算砂巖水樣水質(zhì)參數(shù)之間的Pearson系數(shù)，結(jié)果顯示砂巖水中K++Na+與Ca2+、K++Na+與CO32-+HCO3-、K++Na+與Cl-、Ca2+與CO32-+HCO3-、CO32-+HCO3-與Cl-，相關(guān)系數(shù)均大于0.9，說明二者具有極高線性正相關(guān)性；Ca2+與Cl-相關(guān)系數(shù)大于0.7但小于0.90，屬于高度線性正相關(guān)性，說明砂巖水與鋁硅酸鹽礦物的溶解有關(guān)。

(3)太灰水

①本次共采集太灰水20個(gè)樣本，采集地點(diǎn)共計(jì)14個(gè)礦。通過多次抽放水試驗(yàn)得知，礦區(qū)含有多組灰?guī)r含水層組，且由于各含水層水力聯(lián)系比較密切，使得水化學(xué)類型比較復(fù)雜。太灰水可以分為兩種類型，一種是HCO3-Ca、HCO3-Ca·Mg、HCO3-Mg·Ca；HCO3·SO4-Ca·Mg型，其中有6個(gè)礦所采集的太灰水屬于此類型，此類太灰水陽離子以Ca2+為主，Mg2+次之，Ca2+當(dāng)量百分含量為41.4%～67.6%，Mg2+當(dāng)量百分含量為24.5%～53.4%，K++Na+當(dāng)量百分含量非常少，僅為3.3%～17.5%。

另一種為HCO3-K+Na、HCO3·SO4-K+Na、HCO3·SO4-K+Na·Ca型，其中3個(gè)礦所采集的太灰水為此類型水，與前者不同，此類水K++Na+含量較高，尤其是寺河二號井和長平礦，K++Na+當(dāng)量百分含量達(dá)到93.8%～95.7%，Ca2+和Mg2+含量非常少，二者當(dāng)量百分含量僅為4.3%～6.2%；太灰水陰離子均以HCO3-為主，SO42-次之，HCO3-當(dāng)量百分含量為37.5%～85.1%，SO42-為1.9%～45.2%，Cl-當(dāng)量百分含量非常少，僅為3.6%～26.7%；太灰水pH值為6.618～8.672，總硬度34.52～716.88mg/L，礦化度為559.94～2756.03mg/L。

②分析結(jié)果顯示，太灰水中K++Na+與，相關(guān)系數(shù)為0.944＞0.9，屬于極高線性正相關(guān)；Ca2+與Mg2+，相關(guān)系數(shù)為0.830＞0.8，屬于高度線性正相關(guān)。

太灰水中Ca2+、Mg2+之間呈正相關(guān)性，表明它們之間具有相似的來源，白云石及方解石溶解，可導(dǎo)致Ca2+、Mg2+含量同時(shí)增加。

白云石溶解方程：CaMg(CO3)2→Ca2++Mg2++2CO32-。

方解石溶解方程：CaCO3→Ca2++CO32-。

K++Na+與CO32-+HCO3-之間正相關(guān)，表明地下水中鉀長石和鈉長石的風(fēng)化溶解對的貢獻(xiàn)。

(4)奧灰水

①本次共采集奧灰水13個(gè)樣本，采集地點(diǎn)5個(gè)礦。礦區(qū)奧灰水陽離子中K++Na+含量特別少，這與砂巖水以K++Na+為主要陽離子及太灰水中部分陽離子以K++Na+為主要陽離子為主的情況完全不同，礦區(qū)奧灰水中K++Na+含量非常少，其當(dāng)量百分含量為0.8%～25.3%；陽離子均以Ca2+、Mg2+為主，Ca2+當(dāng)量百分含量為44.4%～63.7%，Mg2+當(dāng)量百分含量為29.1%～41.2%。

②奧灰水中陰離子以HCO3-、為主，HCO3-當(dāng)量百分含量為21.7%～67.9%，SO42-當(dāng)量百分含量為26.7%～76.6%。與其他類型的水源不同，奧灰水中Cl-當(dāng)量百分含量相當(dāng)少，僅有1.5%～7%，平均為3.52%，而砂巖水Cl-平均當(dāng)量百分含量為14.2%，太灰水為11.06%，3號煤層采空區(qū)積水為11.75%。

③礦奧灰水的水化學(xué)類型為SO4·HCO3-Ca·Mg、HCO3·SO4-Ca·Mg；奧灰水pH值為6.878～8.135，總硬度407.75～935.44mg/L，礦化度為714.86～1338.88mg/L。

④通過分析各離子的相關(guān)系數(shù)，可知奧灰水中Mg2+與SO42-，相關(guān)系數(shù)為0.937＞0.9，屬于極高線性正相關(guān)，表明奧灰水與硫酸鹽礦物的風(fēng)化溶解有關(guān)。

(5)3號煤層采空區(qū)積水

①本次共采集3號煤層采空區(qū)積水19個(gè)樣本，采集地點(diǎn)共6個(gè)礦。由于采空區(qū)積水不同于原始含水層，與采掘活動(dòng)聯(lián)系密切，煤層回采后形成的導(dǎo)水裂隙帶會導(dǎo)通上覆含水層，加劇砂巖含水層之間的水力聯(lián)系，有些煤層埋藏較淺的采空區(qū)，甚至?xí)艿降乇硭挠绊憽Ｒ虼?號煤層采空區(qū)積水水化學(xué)特征比較復(fù)雜，根據(jù)其水化學(xué)特征，將本次分析的3號煤層采空區(qū)積水的化學(xué)特征分為以下三類。

②砂巖水相似型：水化學(xué)類型為K+Na-HCO3，陽離子以K++Na+為主，當(dāng)量百分含量達(dá)到90.4%～96%，Ca2+、Mg2+當(dāng)量百分含量非常少，僅為4%～9.6%；陰離子以CO32-+HCO3-為主，當(dāng)量百分含量達(dá)到71.5%～88%，SO42-和Cl-當(dāng)量百分含量很少，僅為12%～28.5%。反映出所取的3號煤層采空區(qū)積水直接充水來源主要為上覆砂巖水。

③砂巖水與地表水混合型：水化學(xué)類型為HCO3·SO4-K+Na、HCO3-K+Na·Ca，陽離子表現(xiàn)出與砂巖水相似，仍然以K++Na+為主，但Ca2+、Mg2+含量較砂巖水較高，Ca2+、Mg2+當(dāng)量百分含量為21.8%～50.7%，接近地表水；陰離子也與砂巖水相似以為主，但SO42-含量砂巖水較高，與地表水陰離子組成相似，反映出所取的3號煤層采空區(qū)積水大部分直接充水水源為砂巖水，但仍然有部分地表水大量滲入，使得樣品反映出砂巖水與地表水混合的水化學(xué)特征。

④地表水相似型：從本次采集相鄰6個(gè)礦井的3號煤層采空區(qū)積水水樣分析來看，其水化學(xué)特征與地表水非常接近（見表1），其水化學(xué)類型均為HCO3·SO4-Ca·Mg，這與相鄰礦井3號煤層埋藏淺且煤層存在露頭區(qū)，大氣降水及地表水可能會從3號煤層開采后產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙帶、裂縫、塌陷坑等進(jìn)入礦井的實(shí)際情況相吻合。說明6個(gè)礦井3號煤層采空區(qū)積水的直接充水水源為地表水。

表1 3號煤層采空區(qū)積水充水水源分析表

⑤3號煤層采空區(qū)積水總硬度45.91～604.44mg/L，總礦化度775.13～2326.47mg/L；3號煤層采空區(qū)積水主要直接充水水源為砂巖水，與砂巖水相比，3號煤層采空區(qū)積水明顯偏酸性，3號煤層采空區(qū)積水pH值為7.369～8.247，砂巖水pH值為8.586～8.899。

3.研究的重要意義

通過化探取樣分析礦區(qū)各含水層水化學(xué)特征并建立數(shù)據(jù)庫，對礦區(qū)安全開采及穩(wěn)健發(fā)展有著重要的現(xiàn)實(shí)意義，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）基于井下不同含水層標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫的建立，對礦井出水點(diǎn)水質(zhì)進(jìn)行檢測，判別其水源，可做到心中有數(shù)，有的放矢。而且用水化學(xué)方法對水源進(jìn)行預(yù)測、預(yù)報(bào)水源，比用物探、鉆探等手段更節(jié)約成本，同時(shí)該方法所提供的信息是其它方法所不能代替的。

（2）對于在采掘中碰到的先兆性出水，通過分析判別屬危險(xiǎn)突水水源時(shí)，應(yīng)考慮相應(yīng)對策，對導(dǎo)水部位及時(shí)采取注槳封堵措施，防止事態(tài)擴(kuò)大，造成淹井事故，可以為趙莊煤礦未來生產(chǎn)積累經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)遇到水害威脅時(shí)，可避免淹井事故，幫助企業(yè)獲得最大化的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

（3）此次化探研究可為趙莊煤礦礦井的安全開采提供更加經(jīng)濟(jì)、有效的技術(shù)手段，也可為晉煤集團(tuán)其它兄弟礦井在井下突水水源判別上提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)及技術(shù)支撐。另外，該成果還可以向其它煤炭企業(yè)進(jìn)行推廣使用。

4.總結(jié)

綜上所述，此次研究中通過收集足夠多的樣本，分析掌握了趙莊煤礦礦區(qū)不同含水層水化資料，并剔除出處異常或是數(shù)據(jù)異常的資料，最終統(tǒng)計(jì)匯總形成各含水層水化學(xué)特征數(shù)據(jù)庫，可為趙莊煤礦未來安全生產(chǎn)提供可靠依據(jù)。