呼吉尔特矿区石拉乌素煤矿矿井涌水水源判别及定量分析.pdf
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1、中 国 煤 炭 地 质COAL GEOLOGY OF CHINA第 35 卷 8 期2023 年 8 月Vol.35 No.8Aug.2023呼吉尔特矿区石拉乌素煤矿矿井涌水水源判别及定量分析李运江1,王伟1,许峰2,3,黄欢2,3,4*,赵慧5(1.内蒙古昊盛煤业有限公司,内蒙古鄂尔多斯017399;2.中煤科工西安研究院(集团)有限公司,陕西西安710077;3.陕西省煤矿水害防治技术重点试验室,陕西西安710077;4.煤炭科学研究总院,北京100013;5.兖矿能源(鄂尔多斯)有限公司,内蒙古鄂尔多斯017010)摘要:针对石拉乌素煤矿主要充水含水层以及井下涌水中各含水层充水的贡献度不
2、清等问题,采用水质全分析、同位素及有机物检测,查明了顶板巨厚复合含水层地下水以及井下涌水中主要离子、矿化度、氢氧同位素、有机物含量特征。研究结果表明:志丹群含水层地下水矿化度平均为237.05mg/L,水化学类型为HCO3-Ca Na型;直罗组含水层地下水矿化度平均为 1 371.09mg/L,水化学类型为 SO4-Na 及 SO4HCO3-Na 型;矿井水矿化度平均为 1 507.08mg/L,水化学类型为SO4 HCO3-Na型;志丹群含水层地下水、直罗组含水层地下水D与18O基本落在当地大气降水线上或其附近,矿井水D与18O基本落在志丹群含水层水和直罗组含水层水之间;白垩系志丹群含水层地
3、下水、直罗组含水层地下水与矿井水的三维荧光光谱相似;同位素分析结果显示井田南翼矿井涌水中志丹群含水层水占31.18,直罗组含水层水占68.82,井田北翼矿井水中志丹群含水层水占10,直罗组含水层水占90;受体模型计算结果显示井田北翼矿井水中75%的水来自于直罗组含水层,井田南翼矿井水中直罗组含水层地下水占比在50%75%;综合分析认为,石拉乌素煤矿井下涌水受白垩系志丹群和侏罗系直罗组含水层共同补给,其中侏罗系直罗组含水层水是矿井涌水的最主要补给来源。关键词:矿井涌水;水化学特征;同位素;有机物;石拉乌素煤矿中图分类号:TD745文章标识码:AIdentification and Quantit
4、ative Analysis of Water Source in Shilawusu Coal Mine of Hujilt Mining AreaLI Yunjiang1,WANG Wei1,XU Feng2,3,HUANG Huan2,3,4*,ZHAO Hui5(1.Inner Mongolia Haosheng Coal Mining Ltd.,Ordos,Inner Mongolia 017399;2.China Coal Science and Technology XianResearch Institute(Group)Co.,Ltd.,Xi an,Shaanxi 71007
5、7;3.Key Laboratory of Coal Mine Water Pollution Prevention andControl Technology in Shaanxi Province,Xi an,Shaanxi 710077;4.China Coal Research Institute,Beijing 100013;5.YankuangEnergy(Ordos)Co.,Ltd.,Ordos,Inner Mongolia 017010)Abstract:In response to the unclear contribution of the main water fill
6、ing aquifers and various aquifers in the underground water inflowof Shilawusu coal mine,comprehensive water quality analysis,isotope and organic matter detection were adopted.The contentcharacteristics of main ions,salinity,hydrogen and oxygen isotopes,and organic matter in the groundwater of the ro
7、of thick-compositeaquifer and underground gushing water were identified.The results indicated that the average mineralization degree of groundwater inthe Zhidan group aquifer was 237.05mg/L,and the hydrochemical type was HCO3-Ca Na type.The average mineralization degree ofgroundwater in the Zhiluo f
8、ormation aquifer was 1 371.09mg/L,and the hydrochemical types were SO4-Na and SO4 HCO3-Na types.The average mineralization degree of mine water was 1 507.08mg/L,and the hydrochemical type was SO4 HCO3-Na type.Zhidan andZhiluo group aquifer groundwaterD and18O basically falls on or near the local atm
9、ospheric precipitation line.TheD and18O ofmine water basically fall between the aquifer water of Zhidan group and that of Zhiluo formation.The three-dimensional fluorescencespectrum of groundwater in the Zhidan group aquifer of the cretaceous system,groundwater in the Zhiluo formation aquifer,and mi
10、newater were similar.The isotope analysis results showed that the Zhidan group aquifer water accounts for 31.18%,Zhiluo group aquiferwater accounts for 68.82%,Zhidan group aquifer water accounts for 10%,and Zhiluo group aquifer water accounts for 90%in the waterinflow of the southern wing of the min
11、e field.The calculationresults of the receptor model showed that over 75%of the water inthe northern wing of the mine comes from the Zhiluo formationaquifer,while the groundwater in the southern wing of the mineaccounts for 50%to 75%of the Zhiluo formation aquifer.Thecomprehensiveanalysis showedthat
12、 theundergroundwatergushing in Shilawusu coal mine was supplied by the aquifer of the第一作者简介:李运江(1972),男,硕士,研究员,主要从事矿井地测防治水等方面的工作。*通讯作者简介:黄欢(1988),男,硕士,助理研究员,主要从事矿井水文地质、环境地质等方面的工作。E-mail:收稿日期:2023-04-17责任编辑:樊小舟doi:10.3969/j.issn.1674-1803.2023.08.08文章编号:1674-1803(2023)08-0045-07中国煤炭地质第 35 卷cretaceous
13、 Zhidan group and the jurassic Zhiluo formation,among which the aquifer of the jurassic Zhiluo formation was the mainsource of mine water gushing.Keywords:mine water inflow judgment;hydrochemical characteristics;isotope;organic compound;Shilawusu coal mine鄂尔多斯盆地北部深埋侏罗纪煤田区(包括呼吉尔特矿区、纳林河矿区、新街矿区等)为重要的 煤
14、 炭 资 源 后 备 区,该 区 矿 井 具 有 采 深 大(600m)、水文地质条件复杂等特点。石拉乌素煤矿位于呼吉尔特矿区东部,该矿主采煤层受其顶板多层巨厚复合含水层的影响,使得工作面开采过程中涌水较大,对工作面防排水系统造成较大压力,如 1208 工作面回采初期采空区出现两次涌水量突增现象,增加量均达到200300m3/h,采空区涌水量最大为1 000m3/h。由于对井下涌水主要充水含水层以及各含水层充水的贡献度缺少系统的认识和定量化的研究,导致以往矿井防治水工作缺乏针对性。在煤矿井下涌水水源判别研究中,水文地球化学分析是一种十分简便、可行的研究手段1-10。为此,本次通过水质全分析、同
15、位素以及有机物检测,获取井下涌水与各含水层水化学特征,分析其水力联系,定量化评价各含水层对于井下充水的贡献度,从水化学角度揭示井下涌水来源,为煤矿防治水工作提供有力的理论支撑和基础保障。1研究区水文地质特征石拉乌素煤矿处于毛乌素沙漠与黄土高原的接壤地带,井田面积约70.64km2,目前主采2-2煤层,分为南北两翼开采,煤层上覆地层由老至新分别为图1 主采煤层与主要含(隔)水层空间关系Figure 1 Spatial relationship between main coal seam and mainwater-bearing(separated)layer侏罗系延安组、直罗组、安定组、白垩
16、系志丹群以及第四系松散层,其中主要含水层为侏罗系直罗组含水层和白垩系志丹群含水层,主要隔水层为侏罗系安定组隔水层,以上地层组合形成典型的巨厚复合含水层。主采煤层与主要含(隔)水层空间关系详如图1所示。以往勘探资料表明,侏罗系直罗组含水层含水层 平 均 厚 度 153.23m,地 下 水 位 埋 深 为 62.2124.7m,水位标高为+1 247.5+1 274.7m,单位涌水量为 0.0080.016L/(s m)-1,渗透系数为 0.199m/d,富 水 性 弱;白 垩 系 志 丹 群 含 水 层 平 均 厚 度350.81m,地下水为埋深为 7.6107.3m,水位标高为+1 139.7
17、+1 328.7m,单 位 涌 水 量 为 0.0080.243L/(s m)-1,渗透系数为 0.177m/d,富水性弱中等。2水样采集与检测2022 年 1 月矿井对志丹群含水层开展抽水试验,抽水试验过程中采取水样,同时采取井下疏放直罗组含水层水水样、采空区水样。开展水质全分析 15 组、同位素分析 19 组、溶解性有机质分析样品 10组。水样采集过程严格按照 煤炭资源地质勘探地表水、地下水长期观测及水样采取规程执行。水质全分析项目包括:矿化度、pH 值、Ca2、Mg2、Na、K、SO42-、Cl-与HCO3-。其中主要阳离子(Ca2、Mg2、Na、K)采 用 美 国 Perkin-Elm
18、er8300DV 型电感耦合等离子体发射光谱仪检测分析;主要阴离子 SO42-、Cl-采用美国 Thermo ICS-600型离子色谱仪检测分析;HCO3-采用化学滴定法检测分析。同位素分析项目包括D和18O,通过液态水同位素分析仪,采用偏轴积分腔输出光谱技术(OA-ICOS)方法检测分析;溶解性有机质种类采用三维荧光光谱指纹技术来测定,并通过TOC值(总有机碳)来表征其含量。3水化学分析3.1主要离子及矿化度特征通过检测分析,获取主要含水层与井下涌水中主要指标含量结果见表1。468 期李运江,等:呼吉尔特矿区石拉乌素煤矿矿井涌水水源判别及定量分析表1 研究区水样主要离子含量分析结果Table
19、 1 Analysis of main ion content in water sample序号123456均值789均值101112131415均值层位志丹群志丹群志丹群志丹群志丹群志丹群直罗组直罗组直罗组矿井水矿井水矿井水矿井水矿井水矿井水矿化度/(mg L-1)220.36230.91200.10264.97292.79213.19237.051 609.26916.191 587.821 371.092 346.631 149.97919.841 071.431 261.362 293.271 507.08pH值8.077.697.968.058.048.057.988.408.68
20、8.668.587.797.967.727.677.887.457.75Ca2+(mg L-1)27.828.024.123.519.720.023.8516.26.7916.813.370.8724.1230.8445.6742.7485.5849.97Mg2+7.167.326.176.505.075.236.242.020.812.381.7410.683.064.066.175.7412.337.01Na+19.3020.2017.2036.9051.4028.9028.99506.78291.28498.38432.15650.90324.31241.71271.69340.7661
21、4.25407.27K+1.931.551.231.741.621.221.551.221.392.461.696.343.203.013.591.194.763.68SO42-5.635.924.6214.6018.808.279.64791.75406.29788.95662.33995.67378.06271.31301.10435.331 007.1564.76Cl-4.094.213.524.044.253.313.9181.1949.2681.1670.5479.8165.1537.6839.0150.71104.762.85HCO3-139.96148.77130.66168.3
22、5183.52136.05151.22205.56154.78190.91183.75531.73351.07331.05403.80384.27463.37410.88取样地点SW1钻孔上段SW1钻孔下段井下J20-3探放水钻孔井下J16-1探放水钻孔井下J20-3探放水钻孔1208采空区1208采空区1203采空区1208采空区1208采空区1208采空区根据7种主要阴阳离子浓度绘制Piper三线图,如图2所示。志丹群含水层地下水的水化学类型为HCO3Ca Na型;直罗组含水层地下水的水化学类型为SO4Na及SO4 HCO3Na型;矿井水的水化学类型 SO4 HCO3Na。同时,绘制了水样
23、主要离子Schoeller图(图3)。从Schoeller图中显示,矿井水与直罗组地下水的离子含量水平较为接近,同时部分离子(Cl-、Na+、Mg+)浓度介于志丹群含水层与直罗组含水层水之间,从水化学类型分析,矿井水为志丹群与直罗组含水层混合水的可能性较大。图2 主要水化学离子Piper三线图Figure 2 Piper triple line diagram of major water chemicalions图3 研究区主要水化学离子Schoeller图Figure 3 Schoeller diagram of major water chemical ions总体而言,白垩系志丹群含水
24、层地下水中离子含量均比较低,阳离子主要为Na+和Ca2+。随着埋深的增加,与志丹群含水层相比,直罗组地下水中Na+含量呈现出增加的趋势。相反,Ca2+和Mg2+含量呈现出下降的趋势。由此可以推测出Ca2+和Mg2+在浅层地下水向深层含水层补给过程中除了受水岩作用影响外,还受到阳离子交换作用的影响,即上部浅层地下水(志丹群含水层水)与有Na+和(或)K+的岩土发生阳离子交替吸附作用,使得深层地下水(直罗组含水层水)中Na+和K+浓度含量上升,Ca2+和Mg2+浓度含量下降 11-13。3.2同位素特征通过检测分析得到19组样品的D和18O值,如47中国煤炭地质第 35 卷表2所示。各水源稳定同位
25、素D(VSMOW)平均值在-85.92-59.93,18O(VSMOW)平 均 值 在-11.42-7.64。通过前人研究得到本研究区域大气降水线方程为D=7.1318O-1.6714。依据表2,绘制研究区各水源中D-18O关系图,如图4所示。表2 研究区各类型水样D、18O值Table 2 Value ofD and18O in water sample序号12345678910111213141516171819水样来源大气降水志丹群志丹群直罗组直罗组直罗组直罗组矿井水矿井水矿井水矿井水矿井水矿井水矿井水矿井水矿井水矿井水矿井水矿井水取样点大气降水SW1钻孔上段SW1钻孔下段井下J20-3
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