利用水化学特征识别桑树坪煤矿突水水源_张乐中.pdf

第41卷第4期 2013年8月 煤田地质与勘探Vol. 41 No.4 Aug. 2013 COALGEOLOGY 2.中煤科工集团西安研究院，陕西西安710054 摘要及时准确地找到突水水源，是解决矿井突水问题的关键．通过对桑树坪煤矿主要含水层水 样进行常规，水质分析，并通过Piper三线图揭示了矿区不同地下水含水层的水化学特征，并通过出 水点与背景值的水文地球化学特征对比，正确地判断出了该矿区突水水源为奥灰岩溶水．研究认 为，水化学特征分析是一种快速判别突水水源的有效方法． 关键词突水水源；水化学特征分析；Piper三线图 中图分类号P641;TD741 文献标识码ADOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2013.04.011 Distinguishing the sources of water inrush in Sangshuping coal mine by hydrochemical characteristics ZHANG Lezhong1, CAO Haidong2 1. College of Geology Engineering and Geomatics, Changan Universi纱，Xian710054, China; 2.XianRιsearch Institute, China Coal Technology and Engineering Group Corp, Xian 710054, China Abstract Finding the water source timely and accurately is the key for solving water bursting problem in mine. The water quality analysis of water samples in groundwater aquifer in a mining area was conducted. The hydro- chemical characteristics of different groundwater aquifers were analyzed using the trilinear chart of Piper. Through comparison of the water bursting place and the hydrogeochemical characteristics, the results indicated that the source of water bursting in mine is Ordovician limestone karst water. The hydrochemical characteristics analysis is a quick for identification of the source of water bursting. Key words sources of inrush water; hydrochemical characteristics; Piper trilinear nomogragh 目前，突水水源识别方法包括地下水化学成分分 析法、同位素测定法、水温比对法、水位动态观测法 等。在研究突水的众多方法中，结合当地的水文地质 条件，分析突水的水化学特征是一种简单有效的判断 矿井突水水源的方法。该方法是在收集已知潜在的突 水水源水样的基础上，通过分析出水点特征离子含量 来判断出水所属的水源。不少学者采用数理统计、 Piper三线图、灰色系统、模糊评判以及遗传神经网 络等方法进行地下水化学特征组分识别，并取得了一 定的成果［1-12］。本文针对2011年8月7日陕西煤业 化工集团韩城矿业公司桑树坪煤矿发生的透水事故， 在对矿井先前采集以及后续补充采集的水样进行详 细的水化学特征分析后，结合水样的Piper三线图， 并通过出水点与背景值的水文地球化学特征的对比， 从而判定矿区的突水水源为奥灰岩溶水。 1 研究区概况 桑树坪煤矿位于陕西韩城矿区北部的桑树坪镇。 收稿日期2012-09-19 属华北型石炭－二叠系煤田，主要开采二叠系山西组的 2号、3号煤层及石炭系太原组的5号、11号煤层。井 田内大中型断裂不发育，自勘探、建矿以来，未发现断 距大于10m的断层，煤层中所揭露的断层均为小断层。 桑树坪井田位于韩城矿区水文地质单元的北区， 地下水的补给、径流、排泄系统自成一个独立的水文 地质单元。该矿区地下水受构造、岩性及地形地貌的 控制，主要赋存于第四系底部、石炭－二叠系基岩裂 隙与奥灰岩岩溶裂隙之中。可把矿区地下水系统分为 以下4个子系统。 a.上部新生界松散孔附潜水含水子系统， 新生界松散层主要分布于梁、捕顶部及沟谷地 带，由粉砂类、粉（细）砂及砂（砾）石组成，层厚一般 为43m，直接接受大气降水或河水的侧向补给，渗 透系数为1.93-6.73mid，矿化度为0.63-0.75g/L。该 含水层水可与本区其他含水层相接触，从而补给相应 的含水层，成为矿井水的来源之一。 作者简介张乐中（1975一），男，山西汾阳人，博士研究生，工程师，从事地质灾害方面的研究． ChaoXing 张乐中等利用水化学特征识别桑树坪煤矿突水水源第4期 43 b.二叠系砂岩裂隙承压弱含水层组 由于组成该含水层的岩层岩性种类多，且厚度 大，故这些裂隙中的地下水水质也不同。其渗透系数为 0刷35-0.但4nνd，单位涌水量为0.制17--0.005IJsm）。 该含水层的主要补给来源为大气降水，补给区主 要是分布于黄河及凿开河河谷地带的含水层露头区。 排泄形式一部分以泉或渗流的形式流人沟谷中，另一 部分沿地下水径流流向岩层倾向的深部。该区地下水 流向为北西，与岩层倾向一致。 c.石炭系砂岩（灰岩）裂隙承压极弱含水层组 石炭系太原组总厚5仇80m，一般60m，在矿区内 广泛分布，但埋藏深度大，地表仅出露于凿开河和黄河 河谷。该含水层属承压含水层，补给区在矿区外围，补 给来源有露头区的大气降水、塌陷裂隙及其他含水层（含 奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层）的垂、侧向补给。近年来， 矿井排水是其主要排泄方式。其渗透系数为0.0002 0.008 8时d，单位涌水量为0.0017--0.005 L/sm）。 d.奥陶系石灰岩溶隙溶洞承压强含水层组 桑树坪煤矿范围内，奥灰岩主要出露在煤矿东缘 黄河、凿开河两岸，其岩性及地层组合较复杂。由较 纯的碳酸盐岩与不纯的碳酸盐岩相间组合而成。较纯 的碳酸盐岩往往形成强岩溶裂隙含水层段，不纯的碳 酸盐岩形成相对隔水层段，从而形成复杂的含水岩 系。矿井水主要来自该含水层组。在区域上，奥灰岩 岩溶水水位稳定在＋380m左右。该含水层组的渗透 系数为1.0mid，单位涌水量为0.35～124.0L/sm）。 水、其他强富水含水层或地表水。根据分析，桑树坪 煤矿280巷道突水可能的充水水源为奥陶系岩溶水 突水；煤系砂岩裂隙含水层的突水；老窑水的揭露而 引发突水；黄河水与矿井导通引发的突水。不同水源 存在环境和水交替强弱的信息在水化学特征上的表 现不同，进行研究区水化学特征的分析研究，可有效 判别矿井突水来源。 事故发生后，为了快速判别出水水源，进行了两 次不同时段的水化学取样测试分析，第一次水样取于 8月7日事故发生不久，第二次水样取于事故发生后 的第9天。与此同时，还收集了矿区不同含水层的水 样资料13份。其中奥灰水样7份，砂岩水样2份（11 号煤顶板砂岩裂隙水水样和山西组底砂岩裂隙水水 样各I份），黄河水样1份，矿井老窑积水2份，井 下污水1份。并将所有水质资料进行编号，见表1。 以水中主要离子绘制三线图。将各个水样阴阳离 子每升毫克当量百分数含量投影到菱形图上，绘制出 所收集水样的Piper三线图（图1）。根据样点投影到图 上分布区域的不同，可以直观反映出不同含水层和相 同含水层水化学类型的差异。 2.1 奥陶系石灰岩溶隙溶洞承压强含水层组 从奥灰水分析结果（表1）可知，水样矿化度变化范围为 981.25-1532.50 mg/L, pH值为7.1～7.3，呈中性。 由图1可以清晰看出，奥灰7个水样均位于Piper 图的中上区域，且彼此靠近。根据MT/T672-1997 煤矿水害防治水化学分析方法规定（13］，主要离子 毫克当量百分数大于25参加评定水质类型；介于20协 25的成分作为参考成分，并用括号区别。奥灰水水 样水化学类型为S04HC03一CaMgNa）、 2 研究区地下水化学特征 对矿井造成威胁的水源主要来自厚层灰岩岩溶 表1研究区水化学分析结果 ’fable 1 Results of water quality analysis of the study area 编号取水点 阳离子阴离子 Nak Ca2 Mg2 c,- so- 开始突水时突水水样397.44 428.49 158.48 477.24 I 817.21 2 第二次取水突水水样547.00 189.61 46.40 787.20 533.64 3 老窑积水59.87 462.76 194.02 162.85 7 347.06 4 老窑积水26.91 481.32 156.84 55.05 6 052.58 5 黄洞水64.09 47.43 19.29 74.14 62.15 6 奥灰水02231.63 171.06 49.32 240.39 267.17 7 奥灰水0290.07 162.50 51.50 106.07 427.65 8 奥灰水0285.45 160.14 53.02 92.87 417.36 9 奥灰水0220.40 189.48 57.63 70.00 404.60 10 奥灰水02225.49 182.75 52.73 292.07 507.71 11 奥灰水02174.27 194.69 56.09 280.05 505.65 12 奥灰水02180.96 182.44 54.76 246.40 470.46 13 11号煤顶板砂岩裂隙水204.08 267.94 44.97 137.54 962.53 14 山西组底部砂岩裂隙水751.00 3.15 2.87 107.54 215.06 15 矿井污水118.24 128.20 73.54 88.00 527.05 mg/L 矿化度pH 3 318.62 5.9 2 323.98 7.4 9 396.32 4.5 7 653.78 4.5 501.71 7.8 1 438.18 7.1 1 129.74 7.3 981.25 7.3 1 022.07 7.1 1 532.50 7.3 1 488.57 7.3 1 423.95 7.3 1 742.77 7.4 2 084.46 8.6 1 187.01 7.8 - 3 734 0一创 2． c - 19 H －1 川 240.61 277.53 282.19 170.38 278.26 271.32 276.70 287.45 124.72 11.396 248.72 ChaoXing 44 煤田地质与勘探第41卷 100 奥灰水 图1奥陶系含水层水质Piper图 100 0 c1- Fig. I Piper figure of water quality for Ordovician aquifer S04ClHCO分一CaNa例g）及S04Cl-CaNa型，水样 所含特征离子浓度及其水质类型均显示该含水层地下 水为循环深度较深、径流条件较差深层水的水质特征。 2.2 煤系砂岩裂隙含水层 从图2、图3可知，11号煤顶板砂岩裂隙水（编 号13）水质类型为S04Cl-CaNa型，pH值7.4。水 样so－含量较高，根据实验资料，r50/rc1 5，具有 煤矿薄层灰岩水特征（r为离子的毫克当量）。说明11 号煤顶板砂岩裂隙水的充水水源为煤系薄层灰岩含 水层。在Piper图上与奥灰水样的落点较近。 山西组底砂岩裂隙水（编号14），水样的阳离子类 型主要为Na型水，水质类型无法定名。矿化度为 2 084.46, pH值为8.6，呈碱性。 2.3 老窑水 从图2和图3可以看到，2个水样均位于Piper图的 最上方的区域，且彼此靠近。水样的阴离子主要为so-, 阳离子主要为Al3＋，水质类型无法定名。矿化 图2老窑水、黄河水等水质Piper图 100 0 c1- Fig. 2 Piper figure of water quality for water in gob and water in Yellow River 100 图3水样Piper对比图 Fig. 3 Piper comparison of water samples 度较高，分别为9396刀mg/L与7653刊mg/L,pH 值为4.5，呈酸性，可能由于水体中富含so了，或H2S 等物质。同时，水样中含有NO；、Mn2,Fe2＋等组分， 水源处于还原环境，其水交替迟缓，属于封闭性水源。 2.4 黄河水 黄河水水样位于Piper图的右下方，与砂岩含水 层、奥灰含水层水样的落点偏离很大。水质类型为 HC03Cl一CaNaMg,pH值为7.8，呈弱碱性。 3 研究区突水水源判别 利用表1资料，将出水点和收集的13个水样资料 共同绘制出叠加的Piper三线图（图3）。突水开始时，突 水巷280大巷水样（编号1）水质类型为S04Cl但C03← CaNaMg型，矿化度3318.62 mg/L, pH值5.9。仅 从水样中主要阴离子为so－以及矿化度较高，pH值 较低等特征来看，其水质更像老窑水。但从Piper图 上可以看到，其落点更接近于11号煤顶板砂岩裂隙 水以及奥灰水水样。 突水巷280大巷水样（编号2），其水质类型为 ClS04-NaCa型，c1－和HC03－明显增多，矿化度 降为2323.98 mg/L，比刚开始突水降低了很多，约 为刚开始突水时的1/3。pH值增高到7.4，有逐渐符 合于奥灰水水质的趋势。从Piper图上可以看到，其 落点接近于奥灰水水样。 从图3可以看出，突水巷280大巷水样技影落点 与11号煤顶板砂岩裂隙水以及灰岩含水层水样相 近，而与山西组底砂岩裂隙含水层、老窑积水、黄河 水水样的落点偏离较大。虽然此出水点位于巷道顶 部，但结合矿井水文地质勘探资料，顶底板砂岩富水 性较弱，与本次突水水量较大且水情稳定的特点不 符，水源不会是煤层顶板含水层和采空区水；另外， 出水点离地表水较远，且出水后附近凿开河河水位没 ChaoXing 第4期张乐中等利用水化学特征识别桑树坪煤矿突水水源 45 有出现明显的变化，所以也不会是地表水，有人认为 本次突水水源为黄河水，但是通过水质类型分析，排 除了黄河水是本次突水水源的可能。但是，本区域奥 陶系灰岩含水层为强含水层，完全符合本次突水的特 点。由于本研究是在不同的时间段采集的突水水样， 所以突水水质存在明显的区别。分析认为最先采集的 水样应该是混杂有奥灰水的老窑水，后续采集的水样才 应该是引起本次突水水源的真实水样。因此，可以判定 本次突水事故的突水水源为奥陶纪灰岩岩溶水。 2012年4月28日，桑树坪煤矿突水治理工程完 工。验证了本次水害水源为奥灰岩溶水的这一判断结 果的准确性，其突水点位置为禹昌矿开采巷道。事故 原因是与该矿相邻的禹昌煤矿（乡镇资源整合矿）11 号煤层底板发生突水，通过采空区进入桑树坪煤矿北 二采区，在280大巷密闭墙处渍人矿井。 4结语 a.通过对桑树坪煤矿矿井出水点的水化学特征 的分析，并且和矿区不同含水层可能引发突水的背景 值进行比较，结合矿井的水文地质条件和突水情况等 特点，综合判断出水点的水源为奥灰岩溶水，并且这 一结论在突水事故治理中加以证实。 b.建议今后建立并完善矿井各个含水层的水化 学特征数据库，依据不同水源的差别和内在联系，揭 示判别主要指标。当出现井下涌水的突发事故时，可 准确利用水化学特征分析方法较为快速的对出水水 （上接第41页） e.增多加大沉淀池。经过振动筛分级处理后的 水中仍存在0.3mm以下的煤泥，为进一步促使其与 水分离，在泄水巷共设有4个大型和3个小型沉淀池， 这些沉淀池可交替轮换使用。 t建立清水收集系统。将疏水钻孔的涌水收集起 来，不使清水进入工作面水沟，减少水沟浑水流量。钻 孔水进入单独的管路，经风道、泄水巷的分支管路排至 北二大巷的总排水管路（φ273mm），再外排至大巷水沟。 经上述各阶段煤、水分离后，采面的水媒体变清 水后才能进人大巷水沟。这一煤水分离系统对减少巷 道淤堵、保证中央泵房排水安全均起到了重要作用。 4 实际效果 目前，该采面已回采540m，共获得煤炭59.5万t。 在实际生产中，工作面最大总涌水量曾至10.52旷／min, 但采面最大涌水量仅为1.9旷Im血，其余均为疏水孔疏 水量，目前工作面总水量为7.83m3/min，采面水量为 1.2 m3/min，采面老塘0.25旷／min，风道及运道老塘水 源做出判别。 参考文献 川赵同谦，张彦红利用水化学数据判别矿井突水水源方法探 讨［几焦作工学院学报，1996,154 34-39. [2］王玉民，焦立敏．利用水质分析法判定矿井涌水水源［月．煤矿 安全，2001,3210 12-14. [3］高卫东．水化学法在矿井突水水源判断中的应用［几矿业安全 与环保，2001,105“-45. [4］李明山，禹云霄，路风光．姚桥煤矿矿井突水水源模糊综合评 判模型［月．勘察科学技术，2001216-20. [5］闰志刚，杜堵军，郭达志矿井涌水水源分析的支持向量机模 型［巧．煤炭学报，2007,328 842-847. [6］张瑞刚．基于GIS的潘一矿地下水环境特征分析及突水水源判 别模型[D］.合肥合肥工业大学，200871-80. [7］岳梅．判断矿井突水水源灰色系统关联分析的应用［几煤炭科 学技术，2002,304 37-39. [8］余克林，杨永生，章臣平．模糊综合评判法在判别矿井突水水 源中的应用［月．金属矿山，2007347-50. [9］魏永强，梁化强，任印固，等．神经网络在判别煤矿突水水源 中的应用［月．江苏地质，2004,281 36-38. [10］钱会，马致远．水文地球化学阳］．北京地质出版社，2005. [11］黄平华，陈建生．焦作矿区地下水水化学特征及涌水水源判别 的FDA模型［几煤田地质与勘探，2011,392 42-47. [12］杨海军，王广才．煤矿突水水源判别与水量预测方法综述［月． 煤田地质与勘探，2012,403 48-55. [13］中华人民共和国煤炭工业部.MT.厅672-1997煤矿水害防治水 化学分析方法［SJ.北京中国煤炭工业出版社，1998. 量为1.0m3/min，疏水钻孔水量为5.78旷／min。通过钻 孔的疏水，果面30组以上已无顶板水，并且随着5 煤层顶含水层的疏放，水压逐渐降低，采面涌水有进 一步减小的趋势。 参考文献 [1］李建民开潦矿区大倾角煤层开采技术协句．北京煤炭工业出 版社，200911-16. [2］国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局．煤矿防治 水规定［SJ.北京煤炭工业出版社，200925-30. [3］王连元．断层裂隙水的天然电场动态响应特征［月．煤田地质与 勘探，2012,401 76-78. [4］崔运生，李东志，刘鹤明，等．直流电法仪在超前探测中的应 用［巧．中州煤炭，2008577. [5］王邦成，孙吉益，冯玉静，等直流电法在探测巷道底板富水 性中的应用［几河北煤炭，2001158-59. ［句李萍．煤矿井下综合物探超前探测技术与应用［几煤田地质与 勘探，2012,404 75-78. ChaoXing