煤矿水文地质勘探中水文地球化学判别标准的构建

杨建;刘洋;方刚

【摘 要】Aiming at the problem of hydrogeochemical anomalies existing in hydrogeological exploration in coal mines,Jurassic aquifer in Inner

Mongalia-Shaanxi mining area was taken as research objective,analysis and con struction of criteria of causes of hydrochemical anomalies were carried out.The results showed:it was insufficient that during exploration \"clean water and sand \" was taken as the basis for discriminating completion of well washing,the residue of cement slurry was the major factor for hydrochemical anomalies such as increase of pH and decrease of mineralization.Therefore,the results of complementary hydrological exploration and water detection and drainage in working faces in deeply buried coalfield in Inner Mongolia-Shaanxi mining area were combined,the criteria of \"five factors\" constituted of pH,mineralization (TDS),HCO3-,SO42-were set up,36 sets of water samples collected during hydrological exploration in Balasu Mine were discriminated,8 sets of hydrochemically abnormal water samples were rapidly judged out.After rejection of hydrochemically abnormal water sample points,the hydrochemical characteristics of different aquifers in Balasu Mine might be set up clearly.Quaternary hydrochemical characteristics were close to surface water,presented as water type of low mineralization,weak alkaline and heavy calcium carbonate.The aquifer of Jurassic Luohe Formation was closely connected hydraulically with Quaternary but deeper to some

extent,resulting in dissolution of certain amount of Na+,the chemical characteristics evolved into heavy calcium carbonate type.Anding Formation is a relatively stable regional aquifuge,inducing that lateral recharge is dominant in Zhiluo Formation and Yan'an Formation,the time of cyclic alternation of groundwater is long,forming groundwater of high mineralization(＞2 500 mg/L) and sodium sulfate type characterized by deep retention,sodium sulfate type groundwater.%针对煤矿水文地质勘探过程中存在的水文地球化学异常问题,以蒙陕矿区侏罗系含水层为研究对象,开展了水化学异常原因分析和判别标准构建,结果表明:勘探过程中以“水清沙净”为判别洗井完成的依据不充分,水泥浆残留是造成pH升高、矿化度降低等水化学异常的主要因素,因此结合蒙陕矿区深埋型煤田水文补堪和工作面探放水等工作成果,建立了由pH、矿化度(TDS)、HCO3-、SO42-等水质指标组成的“五要素”判别标准,对巴拉素井田水文补堪过程中采集的36组水样进行判别,可以迅速判断出存在水化学异常的8组水样.剔除水化学特征异常的水样点后,可以很清晰地建立巴拉素井田各含水层的水化学特征,第四系水化学特征与地表水比较接近,表现为低矿化度、弱碱性、重碳酸钙型水;白垩系洛河组含水层与第四系水力联系密切,但埋深有所增加,导致一定量Na+离子溶入,水化学特征演化为重碳酸钙钠型;安定组为区域性较稳定隔水层,导致直罗组和延安组合水层以侧向补给为主,地下水循环交替时间较长,形成了深部滞留特征的高矿化度(＞2 500 mg/L)硫酸钠型地下水. 【期刊名称】《煤田地质与勘探》 【年(卷),期】2018(046)001 【总页数】5页(P92-96)

【关键词】水化学;水文地质勘探;“五要素”判别标准;深埋型煤田;巴拉素井田 【作 者】杨建;刘洋;方刚

【作者单位】中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西西安710077;陕西省煤矿水害防治技术重点实验室,陕西西安710077;中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西西安710077;陕西省煤矿水害防治技术重点实验室,陕西西安710077;中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西西安710077;陕西省煤矿水害防治技术重点实验室,陕西西安710077 【正文语种】中 文

【中图分类】TD741;P641.3

我国煤矿水文地质条件十分复杂[1]，受水害威胁的煤炭储量约占探明储量的 27%[2]，煤矿水害事故造成的经济损失是煤矿各种灾害中最大的。在长期的煤矿水害防治工作中，逐渐形成了一系列行之有效的防治理论和方法，其中水文地质勘探是查明矿区水文地质条件的关键环节。水文地质勘探贯穿于煤矿开采的整个过程，在充分掌握矿区水文地质条件的基础上，才能够制定合理有效的防治水方案，为煤矿安全开采提供科学依据。具体的水文地质勘探工作中，需要通过钻探、物探、化探等手段，获得水文地质参数、富水异常区、水文地球化学特征等信息，对矿井涌水量进行合理预计[3-4]，预测煤矿生产中可能出现的问题[5]，为矿井的给排水设计提供依据，其中水文地球化学特征研究能够查清地下水补径排关系[6-7]、区分含水层水化学特征[8-9]、判断突水水源[10-11]。但是，在水文地质勘探过程中，由于冲洗液残留、洗井不彻底等原因，抽水试验过程中会出现水文地质参数和水化学特征不准确等问题。结合区域水文地质条件和水文地球化学特征，建立目标含水

层的水化学判别标准，可以排除勘探过程中水化学特征异常的水样，为建立矿区各含水层水化学特征提供科学依据。 1 研究区概况

巴拉素井田位于毛乌素沙漠东南缘的榆横矿区(图1)，周围的中深埋矿区还包括新街、呼吉尔特、纳林河等，地表绝大部分被第四系松散沉积物所覆盖，基岩仅在东南部和中部零星出露，井田西南角有常年性河流海流兔河。研究区属于华北板块鄂尔多斯地台向斜伊陕单斜区东胜—靖边单斜，基本构造形态为一向西缓倾斜的单斜构造，区内中生代地层发育较齐全，厚度大，岩性岩相复杂。 图1 研究区地理位置图Fig.1 Location of the study area

图2 研究区地层剖面示意图Fig.2 The diagrammatic stratigraphic section of the study area

研究区内自上而下主要地层包括(图2)：第四系松散层、白垩系志丹群、侏罗系安定组、直罗组和延安组，其中安定组为区域性隔水性能较好的隔水层；安定组上覆第四系松散层和白垩系志丹群，其中第四系松散层砂层质地均一，结构松散，孔隙发育，富水性中等—强，白垩系志丹群(洛河组)岩性以浅紫、紫红色中砂岩为主，孔隙裂隙较发育，地下水连通性及径流条件较好，与第四系松散层无稳定隔水层，易于接受其下渗补给，富水性较好，共同构成了鄂尔多斯盆地重要的供水水源；安定组下伏直罗组和延安组，其中直罗组一段属于辫状河沉积，与延安组顶部呈不整合接触，构成了富水性较好的含水层段，且距离主采煤层较近，是延安组煤层开采过程中最主要的防治水目的层，延安组2煤—3煤之间也存在一含水层，富水性较弱，主要对3煤层巷道掘进有一定影响。 2 样品采集和分析

本研究利用巴拉素煤矿水文地质补充勘探，开展样品采集和分析工作。根据矿区地表水体和含水层分布特征，分别采集了地表河流、湖泊、第四系、白垩系洛河组、

直罗组和延安组(煤系地层)的水样共36组。水样采集后，立即将水样容器瓶盖紧、密封，贴好标签(包括取样点位、采样日期和时间、监测项目、采样人等)。 水样的检测指标包括pH、阳离子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe3+、Fe2+、NH4+)、阴离子(NO–2、NO–3、CO2–3 、HCO–3、SO2–4 、Cl-)、总硬度、矿化度、电导率、游离 CO2、F-等。样品经预处理后，根据水质检测标准中规定的检测方法，用梅特勒–托利多 Seven Excellence 台式电导率仪(上海联祥环保科技有限公司)检测pH和电导率，用Dionex-600型离子色谱仪(美国戴安公司)检测常规阴阳离子，用 Evolution 60紫外可见光度计(德国Thermo Fisher Scientific公司)检测 NH4+、NO–2、Fe3+、Fe2+。 3 水化学标准的建立 3.1 判别指标的确定

表1 水文补勘水样检测结果Table 1 Test results of water samples from supplementary hydrological survey?

水文地质补充勘探的洗井过程中，以水清沙净为标准，导致所采集的钻孔水样，其检测结果出现了非常明显的异常(表1)：侏罗系含水层(包括直罗组和延安组)21个水样中，7个水样的pH>9.0，其中DCC-6钻孔(2号煤)水样中甚至高达13.44；直罗组含水层水样中矿化度为3 581.7～5 683.1 mg/L，而延安组含水层有3个水样的矿化度在500 mg/L左右，不符合地下水向深部运移过程中的水文地球化学演化规律；常规离子浓度也出现了异常，特别是HCO–3，有些水样中 HCO–3浓度为 0.0 mg/L；深部地层的个别水样中NO–3浓度达到8.2 mg/L，表明该水样受到了污染。上述水化学异常现象说明水文地质补充勘探过程中以“水清沙净”为标准作为水样采集依据存在不足。

钻孔施工过程中，用于固井的水泥浆主要由水泥、外加剂和外掺料组成，部分会漏入高渗透性地层，使后期抽水试验得到的水文地质参数偏小；另外，水泥遇水过程

中，产生大量的 OH-离子，导致水泥浆的pH一般可达11～14：

水泥浆液中 Ca(OH)2会与水中 HCO–3、SO2–4 等反应，生成 CaCO3、CaSO4沉淀，导致水中矿化度明显降低：

上述现象在蒙陕矿区侏罗系地层的高矿化度地下水中更加明显，而第四系和白垩系含水层由于矿化度一般只有200～500 mg/L，受到水泥浆的影响相对较小。基于上述导致勘探过程中水化学异常的原因，结合近些年我们在鄂尔多斯盆地蒙陕矿区开展的大量水文补堪、工作面探放水等工作，根据水质指标的重要程度(或受影响程度)，建立蒙陕矿区深埋型煤田地质勘探过程中侏罗系含水层水化学判别标准的“五要素”方法(表2)，其中pH由水泥遇水过程中产生OH-离子导致，在水质指标中变化最明显，判别作用最大；矿化度(TDS)由 HCO–3、SO2–4等离子与Ca(OH)2反应产生沉淀导致，受到多种离子影响，也比较明显，判别作用其次；HCO–3和 SO2–4为单一反应指标，有可能水泥浆遇水作用过程中变化不明显，在判别中的作用相对靠后；Ca2+会受到勘探过程中多种因素的干扰，NO–3也只有在受到人类活动较明显影响下才能反映，这些指标往往变化不明显，在判别过程中只能起辅助作用。因此，按照pH→矿化度(TDS)→HCO–3→SO2–4 →Ca2+、NO–3等的判别顺序，建立了“五要素”水化学判别方法。如果水质指标浓度属于异常范围内，直接判定为异常水样。 3.2 判别结果分析

根据表2的判别方法，选择侏罗系直罗组2个水样和延安组3个水样进行判别(表3)，结果可以很明显的判断出各水样是否存在问题(表4)，以ZLG-4钻孔的直罗组水样为例，pH<8.5、TDS>3 000 mg/L、C(HCO3)>100 mg/L、C(SO4)>2 000 mg/L，均在正常值范围内，可以判定ZLG-4钻孔直罗组水样“正常”，该水样特

征也符合鄂尔多斯盆地蒙陕接壤区深部直罗组含水层的水化学特征；而DCC-6钻孔的延安组水样，则出现了 pH>9.0、TDS<2 000 mg/L、C(HCO3)<50 mg/L、C(SO4)>1 000 mg/L等异常，可以直接判定该水样属于“异常”。 表2 “五要素”水化学判别方法Table 2 Hydrochemistry criteria of five factors?

表3 案例水样检测结果Table 3 Test values of typical water samples? 表4 水化学判别结果Table 4 Results of hydrochemical discrimination? 4 矿区水化学特征分析

利用上述判别方法对巴拉素井田水文补勘过程中36组水样进行分析，结果有8组水样属于“异常”(图 3a)，严重干扰了勘探过程中对各含水层水力联系和水化学特征的分析；删除这 13个异常点后(图3b)，可以非常清晰地看出，第四系水与地表水存在非常密切的水力联系，第四系水化学特征与地表水比较接近，表现为低矿化度、弱碱性、重碳酸钙型水；洛河组水化学特征也表现为低矿化度、弱碱性、重碳酸钙钠型水特征，表明洛河组地层与上部第四系没有稳定隔水层，水力联系也较密切，但由于洛河组已经位于埋深较大位置，更多的 Na离子溶入了地下水中，导致水化学特征从第四系的重碳酸钙型，演化为重碳酸钙钠型；由于安定组为区域性较稳定隔水层，有效阻隔了浅部含水层与深部含水层的水力联系，导致直罗组和延安组含水层以侧向补给为主，地下水循环时间较长，形成了补给较差、深部滞留特征的高矿化度(>2 500 mg/L)、硫酸钠型水。 5 结 论

a. 煤矿水文地质勘探过程中以“水清沙净”为判别洗井完成的依据不充分，往往会导致后期试验和测试过程中得到的水文地质参数不准确和水文地球化学特征异常。 b. 钻孔施工和洗井过程中残留的水泥浆，是造成pH升高、矿化度降低等水化学异常的主要因素，结合蒙陕矿区深埋型煤田水文补堪和工作面探放水等工作成果，

建立了由pH、矿化度(TDS)、HCO3-、SO2–4等水质指标组成的“五要素”判别标准。

图3 删除异常点前后水化学特征Durov图Fig.3 Durov diagrams of

hydrochemical characteristics before and after deletion of abnormal points c. 利用“五要素”判别标准对巴拉素井田水文补堪过程中采集的36组水样进行判别，可以迅速判断出存在水化学异常的8组水样。

d. 剔除存在异常的水样点后，可以很清晰地建立巴拉素井田各含水层的水化学特征，为煤矿安全生产中防治水关键层的确定提供科学依据。 参考文献

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