基于水化学特征组分测试的陷落柱突水水源判别

周 强

(1.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013； 2.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013)

矿井生产作业过程中常遇到涌水现象，煤矿水害事故往往具有不确定性、准确预测困难、危害大等特点，是煤炭企业重点预防的灾害之一。矿井发现突水征兆或出现涌(突)水点后，快速、准确地判断突水水源是首要任务，是矿井探放水、水害治理以及后续救援等工作的前提。突水水源的判别主要分为定性和定量两类，而水化学分析判别法是突水水源定性判别的主要方法之一[1-5]。目前主要分析常规的无机组分，来判别各含水层的水化学特征，但是无机组分受到地质沉积构造[6-8]、地下水运移和长期水岩作用[9-10]的控制，往往相邻含水层的水化学特征相似，突水事故发生时，难以判别其水源[11-12]；实际上，地下水中存在非常多的水质组分，有代表性的还包括特征微量元素、有机组分等[12-13]，其中有机组分与无机组分在地下运移演化规律正好相反；另外，对有机组分的检测分析手段相对先进，包括荧光光谱、红外光谱、气相/液相—质谱等，三维荧光光谱是表征地下水中天然溶解性有机物的有效手段[14-16]。这些有机物结构中的官能团具有不同的荧光特性，当这些官能团受到特定波长的紫外光激发照射时，会发射不同波长的荧光，通过对激发和发射波长的同步快速扫描，地下水中不同类型的有机物形成特征荧光光谱。地下水中有机物成分复杂，利用3DEEM可以获得激发波长和发射波长同时扫描的荧光峰，是一种非常灵敏的光谱指纹技术。

本文以山西某矿下组煤大巷掘进探水过程中陷落柱涌水为例，利用常规组分、特征元素和有机组分进行综合特征分析[17-19]，研究太灰水、奥灰水和陷落柱水的水化学特征，以实现对陷落柱水的有效判别。

1 陷落柱发育的水文地质环境

山西某矿位于河东煤田中段，井田为一倾角平缓的单斜构造，煤层平均倾角5°，主要开采石炭系太原组的下组煤。煤层顶板岩性为太原组薄层灰岩和砂泥岩互层，底板为石炭系中统本溪组(主要隔水层)、奥陶系峰峰组和上马家沟组，主采的9号煤层距离奥陶系顶界面最小距离为54.74 m，平均60.23 m。下组煤开采主要面临着直接顶板石炭系太原组薄层灰岩水以及煤层底板奥陶系岩溶裂隙承压水的威胁。

该矿下组煤大巷掘进探水过程中发现了一个长轴15 m、短轴为12 m的陷落柱，钻孔有涌水现象，最大单孔涌水量30 m3/h，最大水压为0.3 MPa。矿井先期施工了4个陷落柱产状的探查孔，同时兼作陷落柱水的疏放、监测孔，经过7 d的观测，钻孔涌水量稳定在60 m3/h左右，未见明显衰减。

2 水化学测试类别的选择

由于矿井刚开展下组煤的掘进工作，未进行顶、底板含水层的水质测试工作，缺少含水层的水化学背景值基础数据，因此无法通过简单的水质分析定性比对方法判别陷落柱水源层位。

一般地，水化学检测类别中，常规水质分析是基础，是矿井掌握和积累水化学资料的基础；当某含水层中存在独特的化学元素时，该元素可作为含水层的特征组分或标志性元素，当检测到该元素时或该元素达到某一赋存区间时，则可判定该层为水源层；水中含有有机质、放射性物质等，测试不同物质的不同物理、化学性质特征为突水水源判别提供了独特的路径。

为了查明该矿陷落柱的突水水源，研究采用常规水质分析、特征元素含量测定和三维荧光光谱分析手段，分析太灰、奥灰含水层水质特征，并判别陷落柱突水水源层。

3 水化学测试与分析

3.1 常规水质与特征元素测试

本次共采集水样3组，分别为太灰水(井下太灰含水层)、奥灰水(水源井)和陷落柱水。取样全部用2.5 L塑料桶，装满密封，及时进行水质指标的测试。其中，常规测试指标有pH值、碳酸盐、氯化物、硫酸盐、钾、钠、钙、镁、总硬度和溶解性总固体，特征元素有钡、钴、铬、铜、钒、锰、钼、钪、铷、铊和锶。水质化验结果见表1。

判定水质相似程度可用已有水源与待判水源水质的相似偏离度表征，水质相似偏离度越小，表明待判水源水质与已知水源水质关联度越高。

(1)

通过计算太灰、奥灰含水层与陷落柱水质相似偏离度，常规水质指标pH值、总硬度、溶解性总固体、硫酸盐、钙，以及钴、锰、锶特征元素反映出陷落柱水与奥灰水关系更密切；陷落柱水质的其他指标数值介于太灰与奥灰之间，反映出奥灰、太灰混合水特征。

表1 灰岩含水层与陷落柱水特征组分测试结果Tab.1 Test results of characteristic components of limestone aquifer and collapse column water

3.2 有机水化学特征分析

地下水中含有无机质和有机质，而地下水补、径、排各环节所处的地质、水文和物源等环境的差异，地下水中有机质的类别、数量、形态以及分布特征各有其特点。

在水源判别中，重点关注水中溶解性有机质(DOM)的类型、含量及光谱DNA。对水中DOM的测试主要是通过三维荧光光谱分析(3DEEM)来实现的。3DEEM将将荧光强度以等高线方式投影在以激发光波长和发射光波长为横纵坐标的平面上从而获得图谱。该图谱中，地下水中的DOM依据其成分划分为Ⅰ—Ⅴ区，分别为酪氨酸、色氨酸、疏水性有机酸、含色氨酸的类蛋白质以及海洋性腐殖酸分区。

(1)太灰水。研究中，太灰水的DOM荧光光谱图中出现了3个荧光峰(图1)，太灰水中Ⅰ区(Ex=245.0 nm、Em=308.0 nm)荧光峰强度(简称FI)为237.1QSU；Ⅱ区(Ex=220.0nm、Em=330.0nm)FI=214.8 QSU；Ⅲ区(Ex=220.0 nm、Em=384.0 nm)FI=134.6 QSU。其中，Ⅰ区的荧光峰强度较强。

图1 太灰水中DOM荧光光谱Fig.1 Fluorescence spectrum of DOM in Taiyuan Formation water

(2)奥灰水。奥灰水的DOM荧光光谱图中出现了2个荧光峰(图2)，奥灰水中Ⅰ区(Ex=250.0 nm、Em=308.0 nm)FI= 191.9 QSU；Ⅲ区(Ex=235.0 nm、Em=406.0 nm)FI=121.2 QSU；奥灰水中DOM荧光光谱特征也比较相似，其中Ⅰ区的荧光峰强度较强。

图2 奥灰水中DOM荧光光谱Fig.2 Fluorescence spectrum of DOM in Ordovician limestone water

(3)陷落柱水。陷落柱水中Ⅰ区(Ex=245.0 nm、Em=306.0 nm)FI=212.5 QSU；Ⅱ区(Ex=225.0 nm、Em=336.0 nm)FI=354.8 QSU；Ⅲ区(Ex=225.0 nm、Em=400.0 nm)FI=348.9 QSU。从图3可以明显看出，陷落柱水中DOM的Ⅱ区和Ⅲ区荧光峰强度明显比太灰水和奥灰高，可能与陷落柱内有机质相对比较丰富有关。

图3 陷落柱水中DOM荧光光谱Fig.3 Fluorescence spectrum of DOM in collapse column water

DOM测试结果表明：①3类水样中，陷落柱水中DOM荧光强度最高，主要是Ⅱ区和Ⅲ区荧光峰强度高，太灰水中荧光强度其次，奥灰水中荧光强度最弱；②太灰水荧光峰面积明显大于奥灰水，据此可有效区别奥灰水和太灰水水源，为后续突水水源判别提供了新的鉴别方法；③陷落柱DOM含量表明，不受采动影响条件下(天然状态下)，陷落柱水有机质聚集，水动力条件弱，与上下含水层水交换较弱。

综上所述，根据对陷落柱突水水源的特征组分测试和有机水化学分析表明，陷落柱水同时兼备太原组灰岩和奥陶系灰岩水的水化学特征，太灰与奥灰存在水力联系。

4 结论

(1)通过对水样进行特征组分测试，pH值、总硬度、溶解性总固体、硫酸盐、钙、钴、锰、锶反映出陷落柱水与奥灰水关系更密切；陷落柱水质的其他指标数值介于太灰与奥灰之间，反映出奥灰、太灰混合水特征。

(2)通过对水样有机水化学特征分析，3类水样中，陷落柱水中DOM荧光强度最高，主要是Ⅱ区和Ⅲ区荧光峰强度高；太灰水中荧光强度其次，奥灰水中荧光强度最弱。太灰水荧光峰面积明显大于奥灰水，据此可有效区别奥灰水和太灰水水源，为后续突水水源判别提供了新的鉴别方法。

(3)陷落柱DOM含量表明，在不受采动影响的条件下(天然状态下)，陷落柱水有机质聚集，水动力条件弱，与上下含水层水交换较弱。陷落柱水同时兼备太原组灰岩和奥陶系灰岩水的水化学特征，太灰与奥灰存在水力联系。

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