乌东煤矿地下水水化学特征及其指示

2021-05-08 00:30刘旭东王世东
煤炭工程 2021年4期
关键词:第四系水化学基岩

刘旭东,许 峰,石 磊,王世东,刘 基

(1.神华新疆能源有限责任公司,新疆 乌鲁木齐 830084;2.煤炭科学研究总院,北京 100013;3.中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西 西安 710054;4.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室,陕西 西安 710054)

煤矿开采受到煤层顶板直接充水含水层的威胁,同时也受到来自上部的间接充水含水层的影响[1,2]。准确判别含水层之间的水力联系不仅有助于准确预测矿井涌水量,同时对后期制定科学合理的防治水措施至关重要[3,4]。自然中各含水层地下水的水化学成分或多或少存在差异,不同的含水层拥有其独特的水化学特征[5,6]。近年来,利用水化学特征差异性判别突水水源[7,8]、含水层之间水力联系[9,10]的研究多有报道。Li P等利用地下水水化学特征的差异性判别了红墩子煤矿多层含水层之间的水力联系[10]。刘基等利用深埋煤层矿区煤系地层地下水硫酸根离子高的特征,确定了煤系地层含水层与上覆第四系含水层无明显水力联系,为数值法预测矿井涌水量奠定了基础[11]。这些学者对于含水层间水力联系大部分停留在定性评价上,缺乏定量的评价。

乌东煤矿煤层开采直接充水含水层为西山窑组含水层,间接充水含水层为第四系含水层以及周围地表水。煤矿井下开采需要预先布设排水系统,因此需要准确预测矿井涌水量的大小。而此项工作的基础是准确判别西山窑组基岩含水层与第四系含水层及地表水是否有水力联系以及其联系程度。鉴于此,本文以乌东煤矿为研究对象,分别采集西山窑组基岩含水层、第四系含水层及地表水水样,分析各水体水化学特征,采用多种定性和定量的方法综合判别含水层之间的水力联系及其联系程度,为后期矿井涌水量预测及防治水措施制定提供参考。

1 研究区概况

乌东煤矿设计生产能力6.00Mt/a,矿井采用综合机械化水平分段放顶煤采煤法,斜井、多水平、分区开拓方式。主要开采煤层为中侏罗统的西山窑组B3-6、B1-2。井田内地层由老至新有侏罗系下统三工河组(J1s)、侏罗系中统西山窑组(J2x)、头屯河组(J2t)和第四系(Q)。含水层主要有第四系孔隙潜水含水层和中侏罗统西山窑组裂隙孔隙含水层。其中第四系孔隙潜水含水层富水性相对较强,基岩含水层富水性相对较弱。

矿区范围内主要有铁河和芦河,其中芦草沟水流较小,上游站日平均流量为0.031~0.190m3/s;下游站日平均流量为0~0.214m3/s。铁厂沟上游站月平均流量为0.068~0.247m3/s;下游站月平均流量为0~0.148m3/s。

根据矿井充水因素分析,矿井煤层开采直接充水含水层为西山窑组含水层(基岩含水层J2),间接充水含水层为第四系含水层(Q)以及周围地表水,充水通道主要为导水裂缝带及天然裂隙带。

2 水样采集与分析

图1 地下水采样点位置分布

为了保证测试结果的准确性和有效性,随机选用2组地下水样品进行了重复测试,并对前后两组测试结果进行比对分析,以消除误差。此外,通过分析计算电荷平衡误差(CBE)来验证分析数据的有效性,其计算公式为[12,13]:

式中,ma和mc分别是阴阳离子的毫克当量浓度,meq/L。

经过重复检测和电荷平衡分析,15件样品测试结果均有效且CBE在±5%范围内。

3 结果与讨论

3.1 一般水化学特征

所有采取的水样测试结果见表1。由表1可知:

表1 水质测试结果 mg/L(pH除外)

1)所有地下水样品的pH介于7.1~8之间(除了J2水样,pH>9.2),都为弱碱性水。西山窑基岩含水层的TDS绝大部分大于6000mg/L,第四系地下水绝大部分的TDS介于859~1707mg/L之间,地表河水TDS介于458~797mg/L之间。由此可见,随着含水层埋深的加大,地下水TDS逐渐增大,地表水和第四系地下水TDS均低于基岩含水层地下水。

根据一般水化学特征可初步判断,第四系地下水与地表水有一定的水力联系,与基岩地下水水力联系较弱。

3.2 水化学类型

图2 Piper三线图

根据水化学类型特征可以进一步确定,第四系地下水与地表水有一定的水力联系,与基岩地下水水力联系较弱。

3.3 水化学影响因素

3.3.1 水-岩作用

图3 Gibbs图

基岩地下水样品均落于浓缩作用控制区域,地表水和第四系地下水均落于岩石风化-蒸发控制区域。这是由于基岩地下水埋深大,补给条件弱,径流滞缓,受浓缩作用控制为主,地表水和第四系地下补给条件好,更新交替快,主要受岩石风化控制,但由于研究区气候属于干旱-半干旱气候,蒸发强度大于降雨强度,水化学成分一定程度上受到蒸发作用的影响。从这里也可以看出,第四系地下水与地表水有一定的水力联系,与基岩地下水水力联系较弱。

3.3.2 阳离子交换作用

从图3还可以看出,一部分地下水水化学样品落于曲线外部,这可能由于地下水在径流过程发生了阳离子反交换作用,导致地下水中的Na+浓度增大。

国外学者Schoeller提出了两个指标(CAI-1和CAI-2)来判断地下水和地表水中发生了什么样的阳离子交换作用[7,16],其计算公式为:

如果CAI-1和CAI-2均为正值,说明发生了阳离子交换作用,如反应式(4);如果两指标均为负值,说明发生了阳离子反交换作用,如反应式(5)[11]。

2Na++(Ca,Mg)X2(Ca,Mg)2++2NaX

(4)

(Ca,Mg)2++2NaX2Na++(Ca,Mg)X2

(5)

根据研究区水化学测试数据,绘制了CAI-1和CAI-2的关系图,如图4所示。由图4可看出,CAI-1和CAI-2两指标均为负值,说明了研究区地下水和地表水中均发生了阳离子反交换作用,即地下水和地表水中的Ca2+和Mg2+与围岩中Na+发生了交换,导致水体中的Na+浓度增大。

图4 CAI-1和CAI-2关系

3.4 水体间水力联系

以上讨论均得出了第四系地下水与地表水有一定的水力联系,与基岩地下水水力联系较弱的定性结论,但是到底它们之间的水力联系程度多大,仍需要进行分析研究。

Cl-是含水层中较为常见的离子,其浓度一般只受地层本身的影响,其他因素对其浓度的影响较小。因此可以分析各含水层之间Cl-浓度的关系来判断它们之间的水力联系程度[16]。

含水层间水力联系度K计算公式为:

式中,Cl1和Cl2分别代表不同含水层地下水中Cl-平均浓度。

如果K<0.2,代表两含水层水力联系强;如果0.20.4,代表两含水层水力联系低[10]。

根据研究区水化学测试数据,分别计算了第四系地下水和地表水、第四系和基岩地下水之间的联系度,见表2。由表2可知,第四系地下水和地表水的联系度为0.361,联系程度为中等;第四系和基岩地下水之间的联系度为0.404,联系程度为低。这与之前得到的结论一致。

表2 含水层间水力联系程度计算结果

4 结 论

本文为确定西山窑组基岩地下水、第四系地下水及地表水之间的水力联系,采集了15件地下水和地表水水化学样品进行分析,采用了多种方法,定性和定量分析了相邻含水层之间的水力联系。

2)基岩地下水主要的水化学类型为Cl·SO4-Na,地表水主要的水化学类型为HCO3·SO4-Na·Ca,第四系地下水主要的水化学类型为SO4·Cl·HCO3-Na和SO4·Cl·HCO3-Na·Ca。基岩地下水样品受到浓缩作用影响,地表水和第四系地下水受到岩石风化-蒸发影响。同时研究区地下水和地表水中还发生了阳离子反交换作用。

3)多种指标分析发现,第四系地下水与地表水有一定的水力联系,与基岩地下水水力联系较弱。其中第四系地下水和地表水的联系度为0.361,联系程度为中等;第四系和基岩地下水之间的联系度为0.404,联系程度为低。

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