深部岩溶矿井水化学特征及含水层水力联系研究.pdf
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1、近年来,华北型煤矿区上组煤开采中受奥灰岩溶水影响的事件时有发生,威胁巨大,为此,以东滩煤矿为例,采用统计分析、Piper三线图、Gibbs图、氯碱指数等水化学研究方法对研究区地表水及各含水层进行了分析。结果显示:研究区地表及地下水整体偏碱性,水质受岩石风化作用影响为主,部分受到蒸发沉淀作用,大气降水对含水层的水化学性质影响很小;各含水层离子来源主要为硅酸盐、蒸发盐及碳酸盐风化及阳离子交换作用;东滩煤矿奥灰含水层与地表水、第四系、十四灰水力联系密切,侏罗系砂砾岩与3煤顶板砂岩含水层水力联系紧密;未来东滩煤矿开采过程中,一、三采区受奥灰影响较大,突水风险较高,十四采区次之,四采区受奥灰影响突水风险
2、较低,需提前做好预防。关键词:地下水;水化学特征;水力联系;奥灰含水层;突水中图分类号:P741文献标志码:B文章编号:1 0 0 3-49 6 X(2023)08-0150-11Hydrochemistry characteristics and connection of aquifers in deep karst mineXU Kaiqing,QIAO Weil,LI Wenping,FENG Lushun,LIU Mengnan,CHENG Xianggang(1.School of Resources and Geosciences,China University of Mini
3、ng and Technology,Xuzhou 221116,China;2.Dongtan Coal Mine,Shandong Energy Group Yanzhou Coal Mining Company Limited,Jining 273512,China)Abstract:In recent years,mine water inrush accidents occurred several times in North China type coalfield during the miningprocess of the upper group of coal,and po
4、ssessed great threat.Taking Dongtan Coal Mine as an example,statistical analysis,Pipertrilinear diagram,Gibbs diagram,Chlorine-alkali index were used to analyze the hydrochemistry of the surface water and aquifers.The results show that the surface and groundwater in the research area is generally al
5、kaline,rock weathering process is the mainfactor influencing the water quality,secondly is evaporation and precipitation,the atmospheric precipitation has little impact.Theion sources of aquifers are mainly silicate,evaporite and carbonate weathering and cation exchange.It is inferred that thehydrau
6、lic connection among Ordovician aquifer,surface water,Quaternary and the 14th limestone aquifers is close,Jurassicsandstone aquifer and No.3 coal roof sandstone aquifer have certain hydraulic connection.It is predicted that in the future,thefirst and the third mining areas will be affected by Ordovi
7、cian water greater,then the fourteenth mining area,and the affection forthe fourth mining areas is low.More attention must be paid to prevention in advance.Key words:groundwater;hydrochemical characteristic;hydraulic connection;Ordovician aquifer;water inrush收稿日期:2 0 2 2-0 7-2 2责任编辑:庚馨杰基金项目:国家自然科学基金
8、资助项目(41 7 7 2 30 2)作者简介:许开卿(1 9 8 6 一),女,山东邹城人,博士研究生,研究方向为水文地质与工程地质。E-mail:x u k a i q i n g 7 47 1 6 3.c o m通讯作者:乔伟(1 9 8 4一),男,山东临沂人,教授,博士研究生导师,博士,主要从事工程地质与水文地质的科研与教学工作。E-mail:151SafetyinCoal MinesAug.20232023年8 月Vol.54No.8煤砺发全第8 期第54卷2019年全国煤炭消费总量达到了2 2.2 亿t,占当年全国原煤产量的57.7%。实现碳达峰、碳中和“3060”目标的过程中,
9、虽然煤炭能源消费产生的碳是我国碳排放的重要来源,但是在相当一段时间内煤炭都将是我国的主体能源 2-3。然而,受复杂的水文地质条件的影响,矿井水害发生频繁,带来巨大的人员伤亡和经济损失,使得煤矿水害成为主要的安全灾害之一 4-7 。因此开展矿区地下水化学特征及其控制因素研究 8-9 ,了解各含水层水力联系 1 0-,快速、准确识别矿井突水水源 1 2-1 4、防止矿井突水的发生具有重要的社会及经济意义 1 5-1 8 。孙鹏飞等 1 9 采用Gibbs图及因子分析法,发现淮南矿区沉陷积水区地下水化学特征与该区域浅层地下水化学特征相同,其主要补给水源为浅层地下水及地表径流;朱乐章 2 0 利用离子
10、含量对比、Piper三线图、Gibbs图3种方法直观、有效的识别出了朱庄煤矿突水水源;武亚遵等 2 1 采用离子相关性分析、Piper三线图、Gibbs图和主成分分析相结合的方法,揭示了鹤壁矿区主要充水含水层水化学特征及控制因素,为矿井突水水源的识别与预测、水资源的开发、保护与利用提供了理论依据;刘凯旋等 8 综合运用多种水化学分析方法确定了孙疃矿区7-8 煤、1 0 煤上下含水层和太灰水具有水力联系,奥灰水和其它3个含水层之间有稳定隔水层的存在;蔚波等 2 以水化学研究为基础,结合井田构造、水位变化、氢氧同位素特征等分析,查明了孟加拉国巴拉普库利亚煤矿水文地质特征及含水层间的水力联系,为后期
11、矿井水害防治提供理论依据。我国煤矿地质条件复杂,且随着浅部能源的减少,采煤活动逐渐向深部延伸,煤层底板尤其是煤系基底为奥陶系石灰岩含水层者,受高承压岩溶水害的影响日趋加剧。2 0 1 8 年9 月1 0 日2 2:45,山东霄云煤矿1 31 3采煤工作面底板发生突水事故,出水量由10m/h增加至1 50 m/h左右,峰值达到36 7 3m/h,至9 月1 1 日2 1:56 淹井,直接经济损失2 56 6.1 4万元,无人员伤亡,经查为奥灰水突水导致,突水通道为隐伏陷落柱 2 3。2 0 2 0 年7 月1 2 日,山东东山古城煤矿331 5采煤工作面发生底板奥灰突水事故,最大突水量超过30
12、0 0 m/h,无人员伤亡,但造成巨大的经济损失。由此也可以看出,即使是距离奥陶系较远(1 50 2 0 0 m)的上组煤(二叠系煤层)在开采过程中也会受到奥灰突水影响,必须引起重视。充州煤田东滩煤矿,主要含煤地层为石炭-二叠系的山西组和太原组,属华北型含煤岩系。该类含煤岩系的共性是奥灰含水层富水性强,水压大,而煤层底板隔水层却很薄 2 4。2 0 1 3年,东滩煤矿1 30 6工作面轨道巷某处发现1 处水岩溶陷落柱,进一步证明了东滩煤矿具有形成陷落柱的条件,因此必须加强对该矿区地下水、各含水层,尤其是奥陶系灰岩的研究与监测,提前做好矿井水害防治工作。目前关于深部岩溶矿井地下水水化学特征及各含
13、水层水力联系的研究较少。为此,以东滩煤矿矿区为研究对象,在充分了解该矿区地质及水文地质条件的基础上,统计分析了2 0 2 0 年地表水、第四系砂岩、侏罗系砂砾岩含水层、山西组3煤顶底板砂岩含水层、本溪组第十四层石灰岩及奥陶系石灰岩水化学参数,采用Piper三线图、Gibbs图、氯碱指数图及聚类分析等相结合的方法对地下水水化学特征及各含水层之间的水力联系及联系程度进行了研究;并在此基础上,对奥灰含水层未来突水情况进行了预测,希望对矿井水害防治提供一定的参考。1研究区概况1.1地质概况东滩煤矿位于山东省邹城市境内,地处邹城、充州、曲阜3个市(区)接壤处,区内为第四系洪冲积平原,地形平坦,地面标高+
14、42.46 +54.58 m,地势由东北向西南逐渐降低,坡度平缓。区内河流有白马河及其支流泥河和友谊河,纵贯全区,向南流人南阳湖,皆属季节性河流。井田位于充州煤田的东部,东以峰山断层为界,北以滋阳断层为界与星村煤矿为邻,西北以人为边界与兴隆庄煤矿为邻,西以人为边界与鲍店煤矿为邻,南以皇甫断层和人为边界与南屯煤矿为邻。南北长约1 2.5km,东西宽约4.8 km,面积59.9 6 km。井田地层由老到新依次为奥陶系、石炭系本溪组、石炭-二叠系月门沟群(太原组、山西组)、二叠系石盒子统下石盒子组、侏罗系三台组、第四系。本井田含煤地层属石炭-二叠系,即由石炭-二叠系的太原组和山西组组成,矿井投产以来
15、开采山西组2、3(3上、3下、3下1)煤层。井田内因采煤已形成多个采煤塌陷区,塌陷区大部分为农田,塌陷区部分区域形成积水。东滩煤矿井田位置及四邻关系图如图1。1.2水文地质概况井田内主要含水层有:第四系上组、下组砂及砂砾层(简称第四系);侏罗系砂砾岩(简称侏罗系);山西组3煤层顶底板砂岩;太原组第三层石灰岩(简称三灰)、太原组第十下层石灰岩(简称152SafetyinCoal MinesAug.20232023年8 月No.8Vol.54煤防发全第54卷第8 期北兴隆庄煤矿星村煤矿杨庄煤矿杨庄煤矿兴隆庄煤矿杨村煤矿东滩煤矿鲍店煤矿田庄煤矿横河煤矿南屯煤矿太平煤矿北宿煤矿里彦煤矿唐村煤矿落陵煤矿
16、图1东滩煤矿井田位置及四邻关系图Fig.1Location and neighboring relationship ofDongtan Coal Mine十下灰)、本溪组第十三层石灰岩(简称十三灰)、本溪组第十四层石灰岩(简称十四灰);奥陶系灰岩(简称奥灰含水层等。其中直接充水含水层为罗系砂砾岩(3煤层剥蚀露头附近),山西组3煤层顶底板砂岩和三灰、十下灰。各含水层之间为黏土、粉砂岩、铝质泥岩和泥岩等隔水层,水力联系较差,补给条件不好。1)第四系含水层。厚度52.40 1 9 1.1 5m,平均114.25m,厚度自西向东逐渐变薄,分为上、下含水层组和中部隔水层组。上组岩性以黄褐色、棕色黏土、
17、砂质黏土为主,夹有数层砂砾层,透水性较强,含水丰富。下组仅井田西北部发育,岩性以灰白、灰绿色砂质黏土、粉砂及砂砾为主,补给条件差,以静储量为主。2)侏罗系(三台组)含水层。厚度8 8.2 9 8 6 9.9 5m,平均42 4.9 2 m,由西向东厚度不断增大。三台组整体含水性较弱,局部富水性较好。分为上下2 段:上段岩性以深灰、灰绿、褐灰色粉砂岩、细砂岩及粉、细砂岩互层为主,含中砂岩,间夹泥岩;下段上部岩性以紫红色、暗红色中砂岩、细砂岩和粉砂岩为主,夹多层泥质岩。岩性以杂色粉细砂岩互层为主,底部有1 层杂色砾岩,泥质胶结,致密坚硬。3)山西组3煤层顶底板砂岩含水层。厚度0 95.78m,平均
18、2 8.6 5m,以灰至灰白色中细砂岩为主,局部相变为细砂岩、粉砂岩与细砂岩互层,富水性受构造裂隙发育控制较明显4)十四灰。厚度0 1 5.40 m,平均8.1 8 m,层位较稳定,但厚度变化大。岩性为浅灰色至灰色石灰岩,隐晶质结构,块状,局部发育少量裂隙,充填泥质或方解石脉,属岩溶裂隙承压水5)奥灰。厚度约7 50 m。岩性主要以浅灰色或灰白色石灰岩为主,夹数层薄层泥岩或泥质灰岩2水化学特征2.1水化学组分特征东滩煤矿地表水及各含水层水化学参数统计表见表1。从表1 可以看出:东滩煤矿矿区地下水pH值为6.7 9 1 2.2 3,平均为8.46,总体呈弱碱性。地表水与侏罗系含水层水样阴阳离子浓
19、度关系相同,阳离子浓度K+NatCa2Mg?+,阴离子浓度SO?-HCO;Cl-,K+Na+与SO2-浓度占优势,说明地表水与侏罗系含水层水化学性质相近,推测可能是由于侏罗系含水层以越流形式获得上覆第四系水的补给,而第四系受到大气降水和地表水的直接补给所致;另外侏罗系含水层与3煤顶板砂岩含水层,阳离子浓度均为K+NatCa+Mg?+,阴离子浓度方面,3煤顶板砂岩含水层HCO3占优势,SO2-浓度较低,侏罗系含水层SO2-与HCO;平均浓度较为接近,说明二者阴离子浓度方面具有相似性,2 个含水层水化学性质相近,水力联系密切;3煤顶板砂岩、十四灰中K+Na+与HCO浓度均较高,说明这2 个含水层水
20、化学性质相近,均存在钠的硅酸盐和碳酸盐溶解矿物;奥灰含水层SO2-含量较高,且Ca2+、M g 2+和SO2-变异系数均大于1,说明该含水层地下水径流环境差异较大,水质发生了较大变化2.2水化学类型Piper三线图是分析地下水水化学类型的最普遍、最有效的方法之一 2 5-2 6 ,它与舒卡列夫分类相结合,选择毫克当量百分数大于2 5%的离子参与分类,不仅可以表征水样离子的组成特征,还可以定性判断水样控制的端源!。东滩煤矿地下水水化学成分Piper三线图如图2。.153SafetyinCoal MinesAug.20232023年8 月No.8Vol.54煤发全第8 期第54卷表1东滩煤矿地表水
21、及各含水层水化学参数统计表Table 1Water chemical parameters of surface water and aquifers in Dongtan Coal MineC1/SO.2-/HCO;-CO;2-K+Nat/Ca2/Mg2TDS/TH/含水层名称(mgL-)(mgL-)(mgL-1)(mgL-1)(mgL-)(mgL-)(mgL-)(mg:L-)(mgL-)pH最小值161.59308.99315.610130.10125.8828.331155.08431.037.53最大值293.14435.45378.160260.56291.9752.381 495.
22、73944.848.37地表水平均值206.92364.81348.170192.73181.4037.071 353.31605.657.89标准差74.7064.5231.35065.3995.7613.31177.05293.790.43变异系数0.360.180.09一0.340.530.360.130.490.06最小值40.6012.8531.56015.4123.203.66140.8673.017.47第四系最大值125.57183.50543.88081.65255.9523.751214.17736.998.38砂砾平均值77.9382.93282.13049.77112.
23、6413.66635.75337.557.82含水层标准差43.4479.85246.08027.80117.488.64528.26326.950.36变异系数0.560.960.87一0.561.040.630.830.970.05最小值32.659.560034.761.100.22199.872.767.09罗系最大值161.01488.99274.41180.58273.5783.1310.801 137.72252.0711.38砂砾平均值80.94115.30108.3242.48158.1923.983.72542.6671.378.91含水层标准差38.36161.07111
24、.8361.8183.2432.494.18292.4791.311.72变异系数0.471.401.031.450.531.351.130.541.280.19最小值10.111.000047.734.680.13223.5225.037.503煤顶板最大值57.15249.951209.38214.99563.2367.196.822.034.76168.3212.23砂岩平均值34.5393.69515.8543.51317.9621.373.501 077.3264.579.15含水层标准差15.82102.68538.3375.11207.1820.402.96749.8945.21
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