桃园矿区II1028工作面突水特征及水源识别

江少华　王来斌

摘 要：本文在研究桃园煤矿II1028工作面地质条件及水文地质特征的基础上，對桃园煤矿II1028工作面突水特征、水化学特征、含水层水位动态变化进行分析，并进行突水水源识别。结果表明，突水水质与10煤上下砂岩裂隙含水层、太灰含水层的水质相关，说明突水水源主要是来自于10煤上下砂岩裂隙水，太原组灰岩含水层是主要补给水源。

关键词：矿井突水;水源;水化学

中图分类号：TD745文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）13-0061-04

Water Inrush Characteristics and Water Source Identification

of Working Face II1028 in Taoyuan Mining Area

JIANG Shaohua WANG Laibin

（School of Earth and Environment， Anhui University of Science and Technology，Huainan Anhui 232001）

Abstract： Based on the study of the geological conditions and hydrogeological characteristics of II1028 working face in Taoyuan Coal Mine， this paper analyzed the water inrush characteristics， hydrochemical characteristics， and the dynamic change of aquifer water level of II1028 working face in Taoyuan Coal Mine， and identifies the water inrush source. The results show that the water quality of the water inrush is related to the water quality of 10 coal upper and lower sandstone fracture aquifer and Taiyuan limestone aquifer， indicating that the water inrush source is mainly from 10 coal upper and lower sandstone fracture water， and the limestone aquifer of Taiyuan formation is the main supply water source.

Keywords： mine water inrush;water source;water chemistry

孙本魁[1]等人通过水源逐步判别法判断了突水水源;桂和荣[2]、陈陆望[3]等人通过环境同位素，识别了突水水源;张瑞钢[4]、王心义[5]等人应用多元统计方法对煤矿的水文地质条件进行探查，在提取水源样本的前提下，应用数理统计方法将水源样本中特征离子作为分析变量，从而准确地判别了突水水源;闫志刚、王震等人分别采用灰色关联法[6]、模糊数学方法[7]、支持向量机法和神经网络法，选取六大常规离子作为判别突水水源的依据，准确判别矿井的突水来源，实践证明理论判别结果与实际情况大致相同，这说明所使用的判别模型能适用于实践;何召全[8]等人通过欧氏距离及遗传距离聚类，将两类突水水源的样本进行归类。本文以桃园煤矿1028工作面突水为例，探讨突水特征及水源识别。

1 工作面地质及水文地质条件

1.1 工作面地质条件

10煤层位于山西组中部，平均厚度为2.96 m，倾角为18°～37°。根据钻探与井巷揭露资料，该区发育了石炭-二叠煤系地层系统，地层为一走向北北东、倾向南东东的单斜构造，岩层倾角为10°～15°。断裂构造发育，断层均为正断层，倾向以N30°～60°W，大部分为落差小于5 m的断层。

1.2 工作面水文地质条件

工作面开采过程中，主要充水含水层有四个方面：一是新生界松散第四含水层;二是10煤层上下砂岩裂隙含水层;三是太灰组灰岩含水层;四是奥陶系灰岩含水层。

1.2.1 新生界松散第四含水层。该含水层直接覆盖在煤系地层之上，含水层纯厚为0～39.90 m，平均厚为15 m。含水层岩性较复杂，由砾石、砂砾、半胶结砾岩、黏土质砾石、砂层及黏土质砂等组成。含水层单位涌水量为0.001 074～0.206 8/s·m，渗透系数为0.009～0.54 m/d，水质为HCO3·SO4-Na型。此地带虽然沉积了较厚的砾石、砂砾、黏土砾石，但受古地形控制，含水性不强。

1.2.2 10煤层上下砂岩裂隙含水层。该含水层一般由中、细砂岩组成，一般厚度为10～20 m。此层段砂岩裂隙发育不均，局部裂隙发育较好。10煤层上下抽水试验表明，单位涌水量为0.000 95～0.549 L/（s·m），渗透系数为0.001 33～0.81 7 m/d，水质为SO4·Cl-Na·Ca型。砂岩水主要以淋渗方式进入巷道，水量为5～10 m3/h，说明10煤层顶底板砂岩富水性较弱。

1.2.3 太原组灰岩含水层。太原组主要由石灰岩、泥岩、粉砂岩组成，井田钻孔揭露其总厚为69.65 m，灰岩4层，累计厚度为27.86 m，占太原组厚度的40%，灰岩单层厚度为2.1～6.36 m，其中三灰、四灰厚度较大。抽水试验资料表明，单位涌水量为1.351 1～1.924 L/（s·m），渗透系数为1.74～1.18 m/d，水质类型为SO4·HCO3-Ca·Mg·Na型，富水性中等。

1.2.4 奥陶系灰岩含水层。主要成分为石灰岩，上部裂隙发育，有水蚀锈斑，局部溶洞、溶穴发育。据2011观1孔抽水试验资料，单位涌水量为0.718～0.727 L/（s·m），渗透系数为1.34～1.45 m/d，为富水性中等的含水层，是矿井其他含水层的补给源，也是矿井充水的间接含水层。

2 工作面突水特征

2.1 突水特征

2016年9月8日，工作面机巷回采至F28-1断层处，05：47，工作面7#架煤壁底板沿断层面出水，水量为5 m3/h，06：07增大至10 m3/h，08：50水量为30 m3/h，12：24水量为40 m3/h，后持续稳定，出水浑浊，呈灰黑色，类似水泥浆液，出水沉淀物呈粉末状，盐酸滴定有气泡产生，轻微硫化氢气味。从工作面的突水情况来看，初始水量为4～10 m3/h，仅经历20 min，而水量为10～40 m3/h经历了377 min，然后持续一段时间稳定为40 m3/h。最后逐渐衰减，至11月10日减小至20 m3/h，11月24日后水量稳定为4.5 m3/h。Ⅱ1028工作面水量變化曲线如图1所示。

3 突水水源识别

皖北矿区矿井突水水源主要有4种：新生界松散层第四含水层（简称“四含”）、二叠系煤系砂岩含水层（简称“煤系”）、石炭系太原组灰岩含水层（简称“太灰”）和奥陶系灰岩含水层（简称“奥灰”）。

3.1 含水层水位变化

工作面太灰及奥灰露头附近布置了3个地面观测孔，有1个太灰、2个奥灰地面观测孔，其中98观3孔为太原组（5～11灰）水文观测孔，位于工作面西北方向32°，距离工作面0.68 km。11观1孔为中奥陶系灰岩水文观测孔，位于工作面西北方向39°，距离工作面1.4 km。98观1为奥陶系灰岩水文观测孔，位于工作面西南方向45°，距离工作面1.6 km。

工作面突水时，引起含水层的水位下降，II1028工作面突水后观测孔变化曲线图如图2所示。地面98观3太灰观测孔出水前水位标高为-214 m，至23日08：00，水位为-236.08 m，累计下降22.08 m，太灰水位明显下降。11观1奥灰观测孔水位标高为-7.77 m，至23日08：00，水位-8.83 m;98观1奥灰观测孔水位为-12.09 m，至23日08：00，水位为-12.77 m，出水前后奥灰水位均呈规律波动，水位下降不明显。说明工作面突水主要为太灰水，而与奥灰水基本无关。

3.2 水化学资料分析

通过对桃园矿区进行水文地质勘察及取样，选取了9个突水水样，4个含水层水样。分别选取K++Na+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、Cl-、SO42-、TDS（溶解性总固体）为突水判别模型中突水水源的水质指标，如表1所示。对水样数据进行初始分析并量化处理，然后采用Aquachem软件绘制地下水Piper三线图（见图3），了解及分析各含水层离子分布情况。通过分析可知，II1028工作面突水的水质常规离子的阴离子（HCO3-、Cl-、SO42-）与太灰水、砂岩裂隙水、奥灰水接近，而与四含水差别较大。但从含水层水位变化看，已经排除奥灰水，说明突水水源既有砂岩裂隙水，又有太灰水。

4 结论

通过分析II1028工作面突水涌水量、观测孔水位变化和水质常规离子含量等资料可以得知，工作面具有开始涌水量递增速度较快、后持续稳定等特点。太原组灰岩含水层水文观测孔（5～11灰）开始时水位降幅较大，随后降幅逐渐减少，突水水样水质常规离子的阴离子与太灰水、10煤上下砂岩裂隙水接近，说明开始突水为10煤上下砂岩裂隙水，然后太原组灰岩水逐渐进入补给，稳定之后为太原组灰岩水。

参考文献：

[1]孙本魁，段中稳，金洪元.任楼煤矿水源判别模型的自动识别[J].煤田地质与勘探，1999（3）：44-48.

[2]桂和荣，陈陆望，彭子成.皖北矿区深层岩溶水微量元素主成分分析[J].煤田地质与勘探，2004（6）：32-35.

[3]桂和荣，陈陆望，宋晓梅.皖北矿区地下水中氢氧稳定同位素的漂移特征[J].哈尔滨工业大学学报，2005（1）：113-116.

[4]张瑞钢，钱家忠，马雷，等.可拓识别方法在矿井突水水源判别中的应用[J].煤炭学报，2009（1）：33-38.

[5]王心义，姚孟杰，张建国，等.基于改进AHP法与模糊可变集理论的煤层底板突水危险性评价[J].采矿与安全工程学报，2019（3）：558-565.

[6]吕子明，丁坚平，褚学伟.基于模糊层次分析的灰色关联法在地下水水质评价中的应用[J].贵州大学学报（自然科学版），2019（1）：123-129.

[7]徐星，孙光中，王公忠.基于层次分析法的矿井突水风险模糊综合评价[J].工业安全与环保，2016（6）：26-29.

[8]何召全，赵伟，黄晖.淮南矿区岩溶陷落柱三维地震响应地质认识[C]//中国煤炭学会矿井地质专业委员会成立三十五周年暨中国煤炭学会矿井地质专业委员会2017年学术论坛.2017.

收稿日期：2020-04-13

作者简介：江少华（1994—），男，硕士，研究方向：矿井水文地质与工程地质。