纳林河矿区深埋型煤田综合水文地球化学特征研究

赵彩凤

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710054)

纳林河矿区处于鄂尔多斯煤田中部侏罗世含煤带南部深埋区[1]，矿区东部为榆横矿区[2]，北部为呼吉尔特矿区[3]，周边均为新近开发的产煤区。纳林河矿区水文地质勘探程度较低，矿区内无生产矿井，矿井防治水工作没有可供借鉴的成熟经验。本区侏罗系煤层埋深大(在600 m以下)，顶板含水层厚度大且结构复杂、水压大、富水性强且不均一，水文地质条件比较复杂[4]。本矿区及其北部的呼吉尔特矿区母杜柴登、门克庆、葫芦素、巴彦高勒等矿井，在建井期建均发生了突水灾害，威胁矿井安全建设。与本矿区条件相近的巴彦高勒矿井以及宁东矿区红柳、石槽村、梅花井、麦垛山等矿井在首采工作面回采过程中均出现不同程度的顶板水害，最大涌水量达3 000 m3/h[5]。因此，纳林河矿区煤炭开采过程中防治水形势比较严峻。另外，本矿井顶板含水层最大厚度近84 m，最高水压力达5.6 MPa，探水孔最大单孔涌水量达136 m3/h，煤炭开采受顶板砂岩含水层水害严重威胁。

煤矿突水往往难以预测，存在各种不确定性，一旦矿井发生突水，如何及时准确地判断突水成因，查找突水水源，是解决和进一步预防突水灾害的关键问题。煤矿突水与含隔水层系统结构以及地下水循环交替程度有密切关系，而水文地球化学是探查地下水成因、赋存条件、分布特征、运移规律等的重要方法。因此，有必要开展纳林河二号矿井的水文地球化学特征研究，区分各含水层的水化学特征差异，为矿井水突水水源的准确快速判别提供科学依据。

1 研究区概况

纳林河矿区属于毛乌素沙漠东缘，井田地形总体趋势是北部、南部高，中部低，在此基础上又表现为西高东低的变化趋势。地表被第四系风积沙所覆盖，多为新月形或波状沙丘，没有基岩出露。区内植被稀疏，为半荒漠地区。延安组碎屑岩类孔隙裂隙承压水含水层为含煤地层，岩性以灰白色的中、细粒长石石英砂岩、泥岩、粉砂岩、砂质泥岩为主，垂向上与粉砂岩、泥岩及砂质泥岩隔水层成互层状分布。其结构致密，裂隙极不发育，渗透性能较差，含水微弱。厚度175.02～274.82 m，平均230.29 m。研究区主要含水层包括第四系萨拉乌苏组、白垩系志丹群(洛河组)、侏罗系中统安定-直罗组、侏罗系中统延安组。

(1)第四系萨拉乌苏组含水层厚度54.90～103.48 m，平均85.12 m。岩性为灰绿、灰黄色粉细砂，下部夹粉土，结构松散，水位埋深19.15～25.65 m，含水层厚度46.43～89.45 m，涌水量2.715～3.922 L/s，单位涌水量0.299 7～0.142 2 L/s·m，渗透系数0.500 1～0.188 3 m/d，富水性中等。

(2)白垩系统志丹群含水层厚度106.86～135.50 m，平均厚度116.73 m。主要为中、细粒砂岩，次为粗粒砂岩或含砾粗粒砂岩，地层结构疏松，孔隙率高，给地下水形成良好的储水空间，水位埋深17.65～24.02 m，含水层厚度110.54～123.76 m，涌水量1.578～4.027 L/s，单位涌水量0.152 0～0.154 7 L/s·m，渗透系数0.122 1～0.124 1 m/d，富水性中等。

(3)侏罗系安定-直罗组含水层厚度234.90～275.49 m，平均256.62 m。岩性上部安定组(J2a)为紫红色、灰绿色中、粗粒砂岩、砂质泥岩夹粉砂岩及细粒砂岩，为白垩系志丹群与侏罗系延安组煤层之间较稳定的隔水层；下部直罗组(J2z)为青灰色、灰绿色中粗粒砂岩，杂色粉砂岩及砂质泥岩，含水层厚度103.84～232.43 m，钻孔涌水量0.177～1.638 L/S，单位涌水量0.006 23～0.120 5 L/s·m，渗透系数0.002 88～0.028 45 m/d，富水性弱～中等。

(4)侏罗系延安组岩性以灰白色的中、细粒长石石英砂岩、泥岩、粉砂岩、砂质泥岩为主，垂向上与粉砂岩、泥岩及砂质泥岩隔水层成互层状分布。其结构致密，裂隙极不发育，渗透性能较差，含水微弱。厚度175.02～274.82 m，平均230.29 m，延安组各段地下水水位高出地表，单位涌水量为0.000 437～0.018 18 L/s·m，渗透系数为0.001 494～0.030 80 m/d，富水性弱。

2 样品采集和检测

本研究中主要利用水文地质补充勘探、井下巷道掘进、工作面顶板探放水等工程，采集的水样主要来自地表水、第四系(Q)、白垩系志丹群(K)、安定-直罗组(J2a-J2z)、延安组(煤系砂岩水)等含水层，根据《水质采样 样品的保存和管理技术规定》(HJ 493—2009)对所采集水样做好保存，并贴好标签(包括取样点位、取样时间、检测项目、取样人等)。

水样检测指标包括：常规组分(pH、阳离子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe3+、Fe2+、NH4+)、阴离子(NO2-、NO3-、CO32-、HCO3-、SO42-、Cl-)、总硬度、TDS等)、环境同位素(δ18O和δD)、天然有机组分(三维荧光光谱(Three-Dimensional Excitation Emission Matrix Fluorescence Spectrum，3DEEM))。样品经预处理后，根据《煤矿水水质分析的一般规定》(MT/T 894-2000)中规定的检测方法，利用WYX-9003A原子吸收分光光度计、722N分光光度计等设备进行常规组分检测(检测单位：陕西煤田地质化验测试有限公司)，利用MAT 253质谱计检测δ18O和δD(检测单位：中国地质科学院岩溶地质研究所)，利用日立F-7000荧光分光光度计检测三维荧光光谱(检测单位：清华大学核能与新能源研究院)。

3 水文地球化学特征

3.1 无机水文地球化学

本矿井地表水体和各含水层水中pH为7～8.6，均为弱碱性水。地表水体、第四系萨拉乌苏组和白垩系洛河组含水层矿化度均较低，一般为192～558.5 mg/L，属于淡水；地表水和第四系水中阳离子主要以Ca2+为主，浓度范围分别为39.18～ 81.2 mg/L，阴离子以HCO3-为主，浓度范围为148.3～238.83 mg/L；白垩系洛河组地下水中阳离子则以Na+为主，浓度为77.6～89.7 mg/L，阴离子以SO42-为主，浓度分别为81.7～199.3 mg/L。安定-直罗组和延安组含水层，地下水中矿化度显著增加，浓度范围为7 280～10 928.8 mg/L，属于咸水，个别水样已达到盐水浓度；阴离子以SO42-为主，浓度范围为3 266～6 306 mg/L，其次为Cl-，浓度范围为119.1～1 423.3 mg/L。

图1 各含水层水化学性质综合Durov图

根据Durov图(图1)：各类水体根据其垂向上的埋深，地表水和第四系水位于图的左下端，反映了本地区大气降水入渗，溶滤砂岩中钙质胶结物和钙质土壤等进入第四系含水层地下水中，且地表水与潜水存在较强的水力联系，水循环交替强烈，地下水运移路径短；白垩系洛河组水位于方形图的中上部，表明第四系与白垩系之间没有稳定隔水层，可归为一个大的含水层段，第四系水下渗进入白垩系含水层，入渗过程中发生膏盐溶解，Na离子解析进入水中，导致水体中Na+和SO42-浓度升高；安定-直罗组和煤系砂岩水则位于方形图的右上部，则显著表明白垩系洛河组与下覆安定-直罗组含水层和延安组含水层存在隔水性较好的隔水层，导致安定-直罗组含水层地下水循环缓慢，在长期的水岩作用下，Na离子解吸和岩盐溶解导致地下水中Na和SO4浓度逐渐增高。总体上，从浅部向深部，地下水的水化学类型从HCO3-Ca型水向SO4-Na型水变化。

将地表水和各含水层水按照水样中各成分的摩尔浓度百分比，绘制Schoeller图(图2)：地表水和第四系水水质曲线趋势基本一致，仅在某些离子元素点上略有差别，表明各水样点的化学组分及比重较为接近，这些地下水具有相同的补给来源并存在混合的可能。白垩系含水层水与第四系的两个异常点水质较的曲线趋势较接近，表明洛河组含水层水与第四系水属于同一补给来源。安定-直罗组含水层水质与延安组含水层水质曲线趋势基本一致，表明这两个含水层组水也属于同一补给来源，且水岩作用、水化学反应均相同，与上部含水层则存在较大差异。

图2 各含水层水化学性质综合Schoeller图

3.2 环境同位素

从图3中可以看出：(1)地表水体中δ18O普遍高于-8.5‰，较富集重同位素，反映地表水受到较强烈的蒸发作用影响。(2)井下水样中δ18O普遍低于-8.5‰，多表现贫重同位素，反映承压水受到大气降水直接补给或有其他贫同位素的补给来源；δD、δ18O值均较低(位于鄂尔多斯盆地雨水线左下边)，为循环深度较深，在采矿以前为封闭条件较好的滞留状态的地下水，其δD、δ18O值较低是由于有古气候条件下形成的古溶滤-渗入水存在或混入。在雨水线下端而又偏离雨水线的高矿化度水是由于发生“氧同位素漂移”的缘故，即岩石中δ18O值较大，水岩同位素交换的结果，使水中富含18O(水中的δ18O值增大)。另外，在高温条件下，地下水中的H216O与含氧岩石(硅酸岩和碳酸岩)中的18O发生同位素交换致使地下水中18O富集，而由于岩石中D很少，水岩反应一般不会引起D的漂移，δD值基本保持不变。

图3 δ18O—δD相关关系图

3.3 有机水文地球化学

溶解性有机质的荧光光谱分布特征因有机质类型和浓度不同而各异，具有与水样一一对应的特点，称为“荧光指纹”[7][8]，本研究根据蒙陕接壤区水文地质条件、含水层分布等，开展了煤矿区矿区地下水化学垂向分布特征研究(图4)：(1)地表水中主要荧光峰有两个，Ⅲ区的类富里酸荧光峰强度(简称FI)为474.4～789.2 QSU，Ⅴ区的类腐植酸FI= 253.2～510.8QSU；(2)第四系水中出现了三个荧光峰，Ⅱ区的芳香族蛋白质FI=345.5QSU；Ⅲ区的FI=274.2 QSU，Ⅳ区的溶解性微生物代谢产物FI=405.5QSU，其中Ⅳ区的荧光峰强度最高；(3)直罗组含水层中出现了两个荧光峰，Ⅱ区的FI=129.8～555.4QSU，Ⅳ区的FI=87.07～683.6QSU，该段含水层中Ⅱ区和Ⅳ区荧光峰强度均较高；(4)延安组含水层中DOM荧光峰强度较低，主要荧光峰为Ⅱ区，FI=89.77～174.3QSU，个别水样中也出现了Ⅰ区的芳香族蛋白质荧光峰，FI= 103.2～131.5QSU。

图4 溶解性有机质荧光光谱图

4 结语

(1)地表水和第四系中矿化度均较低，白垩系洛河组水中SO42-和Na+浓度略有增加，侏罗系含水层中矿化度则显著增加，属于SO4-Na型水，表明随着地下水埋深的逐渐加大，矿化度逐渐变大，水化学类型变化规律为：HCO3-Ca·Mg→HCO3-Na→SO4-Na，符合水文地球化学演化规律。

(2)地表水体中δ18O普遍高于-8.5‰，较富集重同位素，反映地表水受到较强烈的蒸发作用影响；井下水样中δ18O普遍低于-8.5‰，多表现贫重同位素，反映承压水受到大气降水直接补给或有其他贫同位素的补给来源；δD、δ18O值均较低(位于鄂尔多斯盆地雨水线左下边)，为循环深度较深，在采矿以前为封闭条件较好的滞留状态的地下水，其δD、δ18O值较低是由于有古气候条件下形成的古溶滤-渗入水存在或混入。

(3)地表水中DOM以类富里酸为主，第四系水中Ⅳ区的荧光峰强度最高，直罗组含水层中出现了Ⅱ区和Ⅳ区荧光峰的较高值；延安组(3-1煤顶板)含水层中荧光强度总体较低，主要荧光峰为Ⅱ区。

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