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青東礦水質(zhì)變化規(guī)律及涌水水源判別模型

文檔作者：朱寧寧1，年賓2，高紅遠(yuǎn)3 文檔來源： 1．安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院 2．淮北礦業(yè)集團(tuán)青東煤業(yè)有限公司 3．江西省煤田地質(zhì)勘察研究院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2024年02月27日
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144
能源技術(shù)與管理
Energy Technology and Management
2016年第4l卷第6期
V01．4l No．6
doi：10．3969／j．issn．1672-9943．2016．06 049
青東礦水質(zhì)變化規(guī)律及涌水水源判別模型
朱寧寧1，年賓2，高紅遠(yuǎn)3
(1．安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽淮南232001；2．淮北礦業(yè)集團(tuán)青東煤業(yè)有限公司，安徽淮北235000；
3．江西省煤田地質(zhì)勘察研究院，江西南昌330001)
[摘要]礦井水害是威脅礦井安全生產(chǎn)的一大隱患，為了快速有效地判別青東礦10煤層開
采時可能出現(xiàn)的涌水水源，以便及時制定合理的治理措施，通過對青東礦實(shí)際的水
化學(xué)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理、制作并分析Piper三線圖、建立涌水水源的實(shí)用判別
模型，得到了礦井重要含水層煤系砂巖含水層及太灰水的具體水化學(xué)特征信息，為
合理采取防水措施及準(zhǔn)確判斷青東礦10煤開采時突水水源提供了科學(xué)依據(jù)。
[關(guān)鍵詞]青東礦；水化學(xué)特征；水源判別；水質(zhì)模型；判別模型
[中圖分類號]TD745+．21[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]B[文章編號]1672-9943(2016)06-0144-03
0引言
青東煤礦是淮北礦業(yè)集團(tuán)公司所屬的生產(chǎn)礦
井，主采位于太原組灰?guī)r含水層上的10煤層，正
常塊段突水系數(shù)在0．053 0～0．282 9 MPa／m之間，
平均0．1 14 3 MPa／m，太灰突水系數(shù)超過0．10 MPa／m
的鉆孔占58．5％。因?yàn)樘宜?0煤層開采時的
潛在涌水水源，其開采煤層頂?shù)装迕合瞪皫r水和
太灰水可能是主要充水含水層。另外，淺部開采
時，四含水有可能介人。為快速有效地判別涌水水
源，準(zhǔn)確提出防治水措施，在礦井各含水層水化學(xué)
特征分析的基礎(chǔ)上，建立10煤層開采時的涌水水
源判別模型。
1水質(zhì)變化規(guī)律
通過對青東礦生產(chǎn)資料的分析與研究，該礦
區(qū)地下水化學(xué)的組成現(xiàn)狀是受到了溶濾作用和離
子交替吸附作用占主導(dǎo)地位的影響。地區(qū)的特定
水化學(xué)成份的組成不僅受長期的水動力條件控
制，也受原始沉積條件等地質(zhì)因素影響，因此地下
水礦化度、各項(xiàng)離子含量等水化學(xué)特性隨著地下
水徑流和溶濾作用的長期發(fā)展，呈規(guī)律性變化。下
面以礦區(qū)主要含水層水質(zhì)化驗(yàn)的多種離子數(shù)據(jù)為
依據(jù)，通過制作Piper三線圖來分析礦區(qū)的部分
水化學(xué)特征?。
Piper三線圖由2個等腰三角形區(qū)域及二者
上方夾著一個菱形區(qū)域組成。它以3組主要的陽
離子和陰離子每升毫克當(dāng)量的百分?jǐn)?shù)投點(diǎn)表示，
坐標(biāo)表示的地下水中溶質(zhì)毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)，反映
陰陽離子相對成分，代表相對濃度。制作時先按照
試樣的陰陽離子對應(yīng)的百分?jǐn)?shù)值按三線坐標(biāo)投到
2個三角形區(qū)域，接著通過2個三角形區(qū)域內(nèi)所
投單點(diǎn)作各自三角形外側(cè)邊的平行線，2條平行
線會于菱形域內(nèi)相交于一點(diǎn)，最終可以分析得到
菱形區(qū)域的試樣點(diǎn)位來進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)規(guī)律。按照試
樣在菱形區(qū)域中不同的點(diǎn)位能對應(yīng)不同的分區(qū)從
而得到不同化學(xué)特征及分區(qū)特征信息．具體如圖
1昕不
◇
圖1可按區(qū)域位置劃分成以下9個區(qū)域：
1號分區(qū)：堿土金屬離子含量大于堿金屬離
子；2號分區(qū)：堿土金屬離子含量小于堿金屬離
子；3號分區(qū)：弱酸根離子含量大于強(qiáng)酸根；4號分
萬方數(shù)據(jù)
2016年12月
Dec．，2016 朱寧寧，等青東礦水質(zhì)變化規(guī)律及涌水水源判別模型145
區(qū)：弱酸根離子含量小于強(qiáng)酸根；5號分區(qū)：碳酸
鹽離子硬度大于50％；6號分區(qū)：非碳酸鹽離子硬
度大于50％；7號分區(qū)：堿及強(qiáng)酸性離子為主；8
號分區(qū)：堿及弱酸性離子為主；9號分區(qū)：無任何
一對陰陽離子毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)超過50％tza。
據(jù)礦井實(shí)際生產(chǎn)水文資料得出的水質(zhì)分析數(shù)
據(jù)及Piper三線圖如表1、圖2所示。
表1 青東礦地下含水層水質(zhì)分析表
圖2青東礦地l、含水層水質(zhì)三線圖
從圖2的左側(cè)部分來看，自7-8煤層的煤系
砂巖水所投點(diǎn)到5～7層太灰水所投點(diǎn)大致呈從右
下向左上的條帶分布；其ca2+、M礦相對含量呈升
高趨勢，而K++Na+則在減少。圖2中陰離子從10
煤層煤系砂巖水到太灰水，水樣所處區(qū)域非常接
近。這表明兩者的陰離子含量比較相似。
不同的四含水樣在右下方陰離子三角形區(qū)域
分布較分散，表明四含水組成復(fù)雜并不均一。其
HC03-含量偏大是因?yàn)榈乇硭南聺B使CO：溶解
在四含水中；同時受到下部的煤系砂巖水影響，所
以引起SO。2一占優(yōu)勢。7～8煤層煤系砂巖水樣點(diǎn)分
布在4號區(qū)，強(qiáng)酸根離子比例大于弱酸根離子，其
中S042-含量占優(yōu)，特征是含有大量的K+和Na+。
10煤層煤系砂巖水因受7～8煤砂巖裂隙水和太
灰水的共同影響，它的特點(diǎn)是介于兩者之間。太灰
水基本上分布在菱形9號區(qū)域邊緣，位置上靠近
7號區(qū)域，這代表各離子含量相對較均衡。此外，
太灰水中的K+和Na+相對含量較上覆煤層煤系
砂巖水偏小，由于溶解的白云巖、泥灰?guī)r及硫酸鹽
巖，而使其Ca2+、M礦離子含量一定程度上有所增
加，硬度及礦化度上均有提高。下面通過試樣具體
分析礦區(qū)的水化學(xué)特征變化情況。
1．1礦化度變化
礦化度表示單位體積地下水中可溶性鹽類的
質(zhì)量，在不同地質(zhì)條件下的地下水的礦化度是不
相同的。通常情況下，地下水與圍巖接觸時間越
長，圍巖中可溶鹽成分越高，循環(huán)深度越深，礦化
度則會相應(yīng)增大。從表i統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中可以看出，四
含水礦化度的平均值1．21 g／L，7～8煤層砂巖裂隙
水的礦化度平均值約為2．17 g／L，10煤層砂巖裂
隙水的礦化度稍大，均值為2．43 g／L；而1～4層和
5～7層太灰?guī)r含水層礦化度平均值分別為2．66、
1．33∥L。
該礦井地下水礦化度總體隨深度的加深而逐
漸升高，到了5～7層太灰水出現(xiàn)降低。由于地下循
環(huán)深度形成總體的變化趨勢，底部5～7灰?guī)r因徑
流強(qiáng)度增大，和巖石接觸不夠充分，且灰?guī)r為主的
圍巖環(huán)境，故礦化度比煤系砂巖水小。由于礦區(qū)煤
系地層的隔水性相對較好，砂巖裂隙水的流動性
則相對較差，與圍巖的溶濾和離子交換作用較為
充分，所以其地下水礦化度高。
1．2水化學(xué)類型演變
經(jīng)分析得到：①四含水分別為HCO，一Na·Mg、
S04-Na·Ca型；②7～8煤層的煤系砂巖水為S0。·
HCO，一Na型；③10煤層的煤系砂巖水為S0。一Na
型；④太灰水類型為S0。一Na·ca·Mg型。
四含水因離地表近，溶解了一定量CO：的地
表水下滲，造成HCO。一含量增加，形成了HCO，一
萬方數(shù)據(jù)
146
能源技術(shù)與管理
Energy Technology and Management
2016年第4l卷第6期
V01．41 No．6
Na·Mg型水；7～8、10煤層煤系砂巖含水層上有若
干隔水層組，主要發(fā)生與圍巖間的離子交換，形成
S042-相對含量較高的S04-Na·Ca型水。隨著地下
水的埋藏深度增加，徑流強(qiáng)度減弱，HCO。一含量減
少，太原組灰?guī)r水陰離子多以易溶的S042-為主。
1．3硬度變化
硬度隨地層深度方向上變化明顯，四含水硬
度均值26．21 0H；煤系地層中隨層位不等，7～8煤
層煤系砂巖水硬度均值為15．17數(shù)0H，10煤的
煤系砂巖水則為20．71 oH；更深處太灰水1～4
層硬度更高，為53．61。H，5～7層甚至達(dá)到了
642．86 oH。
硬度的變化能從地下水的賦存狀態(tài)得到解
釋。水的硬度主要是體現(xiàn)Ca2+與M礦的含量，煤
系砂巖層處于一個相對滯留封閉狀態(tài)，使得陽離
子交替吸附作用發(fā)展充分，使水中原有的大量
ca2+、M礦被吸附在圍巖的Na+充分置換，因此硬
度變小，Na+含量升高。其中7。8煤層煤系砂巖水
最為典型，不僅硬度低(150H左右)，Na+毫克當(dāng)量
百分比也多達(dá)90％，Ca2+、M礦之和平均僅占12％
左右。太原組地層雖然埋深大，但其巖石的基本成
分為CaCO，和MgCO，，Ca2+、M：礦毫克當(dāng)量百分比
達(dá)到20％以上，硬度較大。
毫克當(dāng)量百分比占80％左右，Ca2+、M礦為20％左
右。占主導(dǎo)的s042-陰離子礦化度值在2．5 g／L附
近，其水質(zhì)類型為S02-一Na+。
(2)模型Ⅱ(太灰水水源)：Na+和K+占比
35％～55％，Ca2+、M鏟離子均在20％～30％之間，總
硬度均在50。H以上，水質(zhì)類型為S042--Na+·Ca“·
M礦。
2．3礦井涌水的判別模式
根據(jù)礦井實(shí)際水樣信息，得出上述2種水質(zhì)
模型。建立的青東礦井涌水判別模式如圖3所示。
圖3青東礦10煤的涌水水源判別模式
2水源判別3結(jié)語
青東礦lO煤層開采主要受10煤層頂?shù)装迕?
系砂巖水和太灰水的充水威脅，因青東礦四含大
部不發(fā)育且有三隔存在，所以松散層水影響lo煤
層開采的可能性微乎其微。
2．1 煤系砂巖水與太灰水比較
將礦區(qū)10煤層的煤系砂巖水和其太灰水相
比，前者Na+、K+離子的毫克當(dāng)量百分比明顯大于
后者，其中HCO，一也是后者的2。3倍，而太灰水的
Ca2+、M礦含量則遠(yuǎn)大與前者，是前者的2～4倍。
2．2涌水水源水質(zhì)模型
通過比較可以看出，青東礦井田內(nèi)可能成為
礦井生產(chǎn)充水水源的含水層水質(zhì)特征明顯，差異
清楚地表現(xiàn)在陰陽離子含量及礦化度上。在生產(chǎn)
過程中判別10煤的涌水水源時，可通過識別涌水
水樣的離子含量及礦化度來判別水源含水層。由
于礦井涌水可能是混合水源，還存在時間的先后
性，所以通過下面水質(zhì)模型來研究判別。
(1)模型I(10煤層砂巖裂隙水水源)：Na++K+
通過對礦井水化學(xué)特征的分析，得出青東礦
地下水以淺部循環(huán)為主，深部地下水徑流相對較
弱，即含水層埋藏越深，水的徑流條件越差，表明
礦井處于相對封閉的水文地質(zhì)環(huán)境。本次由水質(zhì)
化驗(yàn)資料得出礦井涌水水源的判別模式，為涌、突
水水源的準(zhǔn)確判定提供了技術(shù)支撐。
[參考文獻(xiàn)]
[1]王瑞久．三線圖解及其水文地質(zhì)解釋[J]．工程勘察，
1983(6)：6—1 1．
[2]沈照理，朱宛華，鐘左桑．水文地球化學(xué)基礎(chǔ)[M]．北
京：地質(zhì)出版社，1995．
[3]陳從磊，姚多喜．地下水化學(xué)特征在岱河礦涌水水源
判別中的應(yīng)用[J]．中國煤炭地質(zhì)，2012，24(10)：35—
41．
[作者簡介]
朱寧寧(1993一)，男，安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院
2015級碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)樗牡刭|(zhì)與工程地質(zhì)。
[收稿日期：2016—09—13]

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