井下水文地质观测与分析.doc

井下水文地质观测与分析 井下水文地质观测与分析 各种类的矿井突水往往都有一定的征兆，加强水文地质观测与分析工作是矿井防治水的基础工作，也是一项重要工作。各种类型的突水，事前都可能出现各种征兆，下面分别作简单介绍。 一一般征兆 n 1、煤层变潮湿、松软；煤帮出现滴水、淋水现象，且淋水可由小变大；有时煤帮出现铁锈色水迹。 n 2、工作面气温降低，或出现雾气及硫化氢气味。 n 3、有时可闻到水“嘶嘶”声。 n 4、矿压增大，发生片帮冒顶及底臌。 二工作面底板灰岩含水层突水征兆 n 1、工作面压力增大，底板臌起，底臌量有时可达500mm以上。 n 2、工作面底板产生裂隙，并逐渐增大。 n 3、沿裂隙或煤帮向外渗水。 n 4、随着裂隙的增大，水量增加，当底板渗水量增大到一定程度时，煤帮渗水可能停止，此时水色时清时浊，底板活动时水质混浊、底板稳定时水色变清。 n 5、底板破裂，沿裂缝有高压水喷出，并伴有“嘶嘶”声或刺耳水声。 n 6、底板发生“底爆”，伴有巨响，水大量涌出，水色乳白或呈黄色。 三冲积层水的突水征兆 n 1、突水部位发潮，滴水。滴水逐渐增大，仔细观察可发现水中有少量细砂。 n 2、发生局部冒顶，水量突增并出现流砂。流砂常呈间歇性，水色时清时混，总的趋势是水量、砂量增加，直至流砂大量涌出。 n 3、发生大量溃水、溃砂，这种现象可能影响到地表，致使地表出现塌陷坑。 n 以上征兆典型情况，在一些突水过程中，并不一定全部表现出来，所以，应该细心观察，认真分析、判断。 n 分析和判断突水水源可以对突水的发展及突水的后果作出预测，是组织抢救和正确决策的前提。 n 分析水源 n 分析水源一般可利用以下方法 n 一、直面分析法 n 矿井突水后，应仔细观察突水点及周围情况，包括出水点的位置、周围的地质情况、巷道压力，以及水的气味、颜色、声音、水压、水温及水中携带的物质。不同水源的突水现象及突水特征不同、出水规律不同。 二、 水文地质条件分析法 n 发生突水后，应对突水的水文地质条件进行综合分析。 n 矿井突水的因素，可从以下几个方面进行分析 n 1、煤层底板接近强含水层，致使水突破隔水层。 n 2、底板有断层、裂隙、隐伏的陷落柱，发生地下水垂向补给。 n 3、采掘工作面接近或揭露含水陷落柱。 n 4、断层使强含水层与煤层中的薄层灰岩含水层接触，地下水发生侧向补给。 n 5、工作面接近或揭露与强含水层串通的钻孔。 n 6、浅部露头补给。 n 7、地表水和冲积层水补给。 n 8、断层带含水，并与地表水或强含水层勾通。 n 9、采掘工作面揭露含水层或含水溶洞。 n 10、上下采空区被导水裂缝带连通。 三、水化学试验法及示踪试验 n （一）水化学试验法 n 1、一般概况 n 地下水是天然的溶液，在含水层中储存运移，不可避免地与围岩发生化学、物理、生物等方面的反应。这些反应使地下水成为含多种化学成分的复杂溶液。地化环境、水文地质条件以及含水部位的不同，会产生含有不同成分的地下水。因此通过水化学试验，可以了解地下水取样点所反映的水文地质条件和地化环境。因而可以查清不同含水层地下水的水质差别，用其判别井下和泉点的出水水源，了解不同含水层之间的联系和补给关系，甚至了解地下水循环交替和径流的强弱、含水层的富水性等。 n 2．取样的化验 n 为使水样有代表性，取样工作应按以下要求进行 n （1）取一般水质样品用塑料桶或玻璃瓶。取样前用水样水将2000mL的桶或瓶涮洗于净，水样取满（玻璃瓶要留一小空隙），将盖盖紧后用胶布或石腊封口，写好取样地点、时间、含水层位、水温、要分析的项目和取样人员的姓名等，尽快送化验室。无污染的清洁水样在分析前最多只能存放3d。 n （2）要求分析侵蚀性CO2、H2S、溶解氧和易挥发变质项目的水样，应按化验要求，在现场取样后立即加稳定剂，并作专项分析送样；检测含CU、ZU、Pb的水样，每升须加5mL的11HC1进行酸化处理；分析含Fe的水样，应加醋酸----醋酸钠缓冲溶液，防止氧化沉淀。 n （3）同位素分析的取样，要根据分析同位素的要求进行取样。如18O一般需要100200mL水样；3H（氚）用电解法需取20003000 mL；14C的取样要根据水中CO32-、HCO3-和CO2的含量确定；Rn要求在现场马上分析，用扩散瓶直接取样100Lm即可。 n 3.煤矿地下水中几种主要水源的基本水化学特征及判别 n 在矿井开采过程中，经常遇到的地下水源有厚层灰岩水、煤系薄层灰岩水、煤系砂岩水、老空水、冲积层砾石层水。在一般情况下，它们的主要水化学类型分别是 n 厚层灰岩水HCO3-Ca-Mg型（径流条件较好的）； n 煤系薄层灰岩水SO4-HCO3-Ca型； n 煤系砂岩水HCO3-Na型； n 老空水SO4-Ca或SO4-HCO3-Ca型； n 冲积层砾石层水HCO3-CL-Ca或其它型。 n 实际情况要复杂的多，有的矿区由于水文地质条件复杂，在同一厚层灰含水层中可以出现从HCO3-Ca、SO4-Ca到CL-Na中的多种水质类型。因此，每个矿区要建立不同含水层和同一含水层不同区间的水质特征资料档案，为具体区分和判别不同水源准备充分的基础资料，以便水害事故发生时，通过水质分析作出正确判断。 n 煤矿区地下水除用水质类型作基础判别外，还有几种情况可作参考 n 出水水样中若含有Mn2和Fe2，或水样取上后被空气氧化自行产生Fe2O3沉淀，则此水一定来自处于还原条件的煤系薄层灰岩水、水量一般不会很大。 n 水中若出现白色沉淀或有H2S臭味，而且矿化度高，则大部分是属于封闭性的老空水或还原性强的煤系水。 n 冲积层水中氡Rn的含量，比煤系地层水中高，如奥陶系灰岩水由于径流条件较好，在非放射性矿区的HCO3-Ca-Mg型水中，其氡Rn的含量一般小于冲积层水中含量的1/2。 n 溴Br-在不同含不同水层中的含量，也可以作为判别水源的指标之一。 n 奥陶系灰岩水，是我国北方煤矿的主要供水水源，也是威胁矿井安全生产的主要因素。由于该层有径流带和滞水带的差别，致使水质类型不同，因此通过水质分析的方法研究含水层不同区间的径流条件或富水性，也是水文地质研究中的重要手段之一。 （二）示踪试验 n 示踪试验又叫连通试验，是将溶于水或水均匀混合的物质、药品试剂等投放到可能成为补给水源的水体中（如地表水、强含水层的不同方向与位置等），然后在井下出（突）水点或放水点（或地面钻孔中）进行取样检测。用以确定地下水的补给关系。 n 一示踪剂的种类 n 目前国内外使用的示踪物质，主要有以下几大类 n 1、电离解物质 指极易溶于水并离解成离子的化学物质，如由CL-、Br-、I-、No3-、No2-、K、Li、NH4等离子所组成的盐类。 n 2、放射性物质 用放射性同位素作示踪剂 ，在一定条件下有其特殊的优越性。放射性核素种类很多，但由于半衰期、射线种类和毒性等限制，可以作地下水示踪用的放射性核素只有以下几种。 n 3、有机染料 用作示踪剂的有机染料是荧光黄或荧光素钠盐、伊红、酸性大红等水溶性强的颜料。 n 4、其它种类 乙醇、重量金属络合物、氟碳化合物CCL2F2、CCL3F、固体粉末（孢子花粉）等，在一定条件下也可作示踪物质。 2、示踪剂的选择与应用 n 用于地下水示踪的物质种类虽然不少，但具体到试验现场进行选择时，还有很多实际问题需要考虑。 n 在现场选择示踪剂时，需要考虑以下几点①示踪剂的来源容易，价格适当，可以在附近地区得到；②被示踪的地下水中背景值低，示踪剂的灵敏度，在被水稀释后仍可测出其异常；③有快速方便的检出方法，干扰物质少；④对地下水不污染或污染小，示踪物被水稀释后应在国家规定的允许浓度以下。 n 在离子示踪剂物质中，CI-在许多地下水中的背景值含量较高，限制了它作示踪剂的机会；Li是理想的示踪剂，但目前检测只能在大型离子色谱仪上进行，现场检测困难；NO2-灵敏度极高，可测到0.01PPm，循环条件较好的地下水中很少含它，但在卫生防护士对NO2-限制较高，与生活饮用水有联系的地下水源，不能用它作示踪剂。除上述几种外，Br-、I-、NH4、K、NO3-等几种离子可作为示踪剂。 n 颜料类作示踪剂在卫生上虽然没有明确的规定，有些颜料甚至可以用作食品的添加剂，但是在生活饮用水中职出现意外的颜色，总会引起居民强烈的反应。因此，作用颜料类示踪剂，也要尽量避开与生活用水有直接联系的地下水源。颜料示踪剂的检测基本上都是用直接比色法，操作简单。 n 如荧光素钠盐C20H10O5Na2，在紫外灯光下进行比色，其灵敏度可达到投入试剂原始浓度的10-8PPm，一般颜料的目视直接比色可达到10-6～10-7PPm。 示踪试验过程简介 n 示踪试验全过程是选孔、试剂准备、投放示踪剂、取样检测分析、资料整理等。 n 选孔 示剂投放孔一定要选在取样点或放水点所能影响到的范围内，要在自然流场的上游。检测孔（点）一般可选用井下出水量较大的涌水点（孔）。利用抽水，人为造成降落漏斗，进行示踪试验也是勘探区常用的方法。 n 试剂准备 示踪试验根据现场条件，可用一元或多元互不影响的示踪剂同时进行多孔投放试验。示踪剂的投放量应根据现场投放点与检测点的距离、水量大小、示踪剂的灵敏度以及背景值的高低而定。 n 另外、检测人员还应根据试验检测的需要，准备多种分析药品和试剂。 n 投放示踪剂 投放孔选定后，还要了解孔内结构、水位、孔径、含水层顶板到水位的高度以及套管长度等，略算钻孔水柱体积。被投放的试剂，一般是极易溶解于水的物质，不需进行化学处理。对于少部分难溶于水的示踪物，则需进行化学处理。如转换成钠盐的荧光素C20H12O5和变成络合物的金属元素，在一般化学手册上均可找到配制方法。 n 投放的方式一般有两种一是先将试剂溶于水，直接灌入钻孔中，后用清水压入含水层；另一是将试剂药品装入布袋，用长尼龙绳下到含水层透水部位后，再压入清水。前者多用于钻孔水柱小于50m（从水位到透水部位）的投放孔；后者用于钻孔水柱大于50m的投放孔。如果示踪物投放量大（超过20kg），则一般是先溶解，后灌入钻孔中，投放试剂后压入的清水量，须根据水柱高程决定，一般是4～8t，用消防水车或钻机用的拉水车拉1～2车即可。 n （4）取样检测分析 在试剂投放前2～3d就要定时取样，主要是监测地下水中示踪物的背景值的变化。取样间隔时间视示踪距离和水量大小而定。在井下放水试验的同时作示踪试验，一般是每隔1～2h取样。取1L水样，可供2～3种示踪剂同时检测之用。取样地点根据水文地质上的要求，和井下地面具体情况而定。试验前要对井下取样人员交待注意事项，严格控制取样时间，取样后，立即用胶布写上取样地点和日期、时间、按班次送检测站进行化验分析。 n 示踪剂的检测方法视示踪离子和物质类型而定。对离子示踪剂多用离子选择性电极法或比色法。这两种方法操作简便，快速，一般干扰物质少。用电极法分析示踪物前，要配制系列标准溶液，并测试绘制电位值（mV）----标准浓度工作曲线，以便正式测试水样时，从所测电位值查得水样中示踪物浓度的变化。用比色法分析水样时，每一批样品都要同时作标准色列颜色比较。从颜色深浅了解示踪物离子浓度的变化 n 5资料整理 在检测分析中，按各取样点及取样的时间顺序分析水样，记录分析结果，然后在坐标纸上画出时间浓度曲线，用离子选择性电极法确定异常值时，只有当电位值变化超出背景值电位40MV左右才能视为异常。即有示踪物出现在被分析的水样中。 n 示踪物出现后，异常峰值的高低有波动，这种波动与不同的岩溶通道来水有关，也反映进入含水层的示踪剂混合运动的非均一性。用示踪试验确定地下水的直观流速时，以曲线高峰第一次出现的时间计算。 n 示踪试验的成功与否，不应简单地认为试剂被接收到就是成功，否则就是不成功。只要示踪剂性能可靠，投放量足够，既使接收不到，水样中不出现异常值，也是正常现象。特别是在断层上、下盘试验时，无论示踪剂收到与否，对于确定断层的导水性都是有意义的。 n 4