基于水化学场的63上06工作面突水水源判别研究

谢华东，侯俊华，李 萍，朱术云

（1.兖州煤业股份有限公司东滩煤矿，山东邹城273512；2.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏 徐州221116）

0 引言

随着开采年限增加，许多矿井相对比较安全容易开采的煤炭资源逐渐减少，甚至基本开采完毕，矿井为可持续发展，要么进行提高开采上限，要么向深部延伸开采，但这2个方向的开采均面临水害威胁问题[1-4]。矿井采掘过程中一旦发生突水，及时准确确定突水水源是快速解决治理水害问题的关键[5-7]。而水源识别过程中，水化学是识别突水水源的主要方法，这种方法主要是依靠不同含水层水化学特征离子的差异性来分辨不同含水层的[8-12]。为此，本文以东滩煤矿正在回采的63上06工作面突水为背景，利用水化学方法进行分析，探讨各主要充水含水层水化学成分特征及其形成机制，找出差异性，进行突水水源判别。

1 研究区背景概况

东滩煤矿位于兖州煤田向斜核部，主采的3煤层被巨厚松散层和侏罗系红层覆盖，63上06工作面切眼位于3煤层露头附近，属于深埋煤层的浅部开采范畴，距离奥灰远，且三维地震显示切眼附近周边没有较大落差的断层，直接充水含水层为3煤顶底板砂岩水和侏罗系红层水，间接充水含水层主要是底板的三灰水[13]。该工作面于2020年2月11日开始回采，每日推进3.5 m左右；2020年2月26日上午，工作面开采至距切眼56 m处（图1），在30-33号架、37号架、97-107号架底板架后开始向外突水，总涌水量约15 m3/h，但回采面支架范围顶板无水，初步分析工作面处于初次来压期间后采空区顶板水。随后加强观测，2月27日突水增加到25 m3/h，2月28日早班推进60 m位置，14-41号架，154号架架后突水，回采面支架范围顶板仍无水，架后总涌水量30 m3/h。3月1日突水量增大到35 m3/h；3月2日推进74 m（图1），架后突水约40 m3/h。由此可见，短期内该工作面随着回采的推进，涌水量将呈增加的变化趋势。为保证工作面能顺利回采，故需要对突水水源进行分析，以便采取及时有针对性的防治措施。

2 突水点水质类型对比划分

为了对比分析63上06工作面突水水源类型，这里收集整理了19个相关水质分析数据（表1），其中，3砂水、侏罗系红层水和三灰水各3个水化学分析数据，6个其它工作面采空区水质分析数据和要识别的63上06工作面4个水质分析数据。从表1可明显看出，4个63上06工作面突水的6个主要阴阳离子、矿化度和总硬度等水质特征和3砂水、侏罗系红层水及三灰水均具有明显的差异性，而和6个其它工作面采空水的具有较好的一致性，初步分析属于顶板垮落后的3砂水和侏罗系红层的混合水通过该工作面采空区流出。

根据表1中6个主要阴阳离子，利用AquaChem软件进行了P iper图的绘制（图2）[14-15]，根据各含水层在菱形区域的分布特征，3砂水属于Na-H C O3-S O4型，侏罗系水属于Na-Cl-H C O3型，三灰水属于Na-H C O3型，采空区水基本均属于Na-S O4型。这样可初步分析63上06工作面出的水属于采空区水。

表1 东滩煤矿部分突水位置水化学主要特征对比表单位：mg/L

为进一步分析突水水源类型，根据这19个水质分析数据，进行典型特征离子在各个含水层中所占毫克当量百分比进行分析。根据毫克当量换算关系，限于篇幅，这里对每个含水层的主要阴阳离子的平均值进行分析（见表2），分析结果和图2所反映的特征基本一致。

表2 突水位置主要含水层离子毫克当量相关分析

图2 不同类型水的P iper对比图

3 典型离子比值分析与讨论

为进一步探究各含水层水化学特征差异性，根据各水样中典型离子毫克当量浓度比值所反映的水化学场信息[16]，对其中的几种特征离子进行比值分析（表3），5中类型水的3种典型离子比值具有较大差异性，这3种比值所反映的水化学特征分述如下：

表3 突水位置主要含水层典型离子毫克当量比值相关分析

1）γCl-/γCa2+。是用来描述水动力特征的参数，Cl-通常在水动力条件滞缓的区域富集，而Ca2+是低矿化度水中的主要离子，所以通常γCl-/γCa2+值越大则表明该区域水动力条件越差，地下水流流动滞缓，水流交替作用弱，溶滤作用不充分，岩层中保留了易溶盐。

从表3可明显看出，63上06面4个采空区水的γCl-/γCa2+系数和其它6个工作面的基本一致，但和其它3个含水层的有明显区别，均明显小于3砂、侏罗系和三灰这3个含水层的水，说明采空区水的水动力条件好，水流交替作用强。

2）γNa+/γCl-。系数通常是用来表征地下水的变质程度。变质系数是地层封闭性、地层水变质程度和活动性的重要指标，由于Cl-化学性质稳定，很少产生吸附、沉淀和交换反应，Na+则可能由于吸附、沉淀等化学反应而减少，因此在地下水埋藏沉积后，γNa+/γCl-一般都趋于降低，从而反映地下水的变质程度。γNa+/γCl-越大，反映地层水受渗入水的影响越强，反之则反映地层水受渗入水影响越弱。它又被称为地下水成因系数，可当作表征水-岩作用中矿物质盐分淋溶与积累强度的标志，同时此系数对判断地下水中Na+富集程度有重要意义。海水中γNa+/γCl-的均值为0.85，因为海水以Na+为主，侵入陆相沉积物时，Na+吸附地层中的Ca2+，发生阳离子交替吸附作用，水体中的钠离子含量下降（γNa+/γCl-＜0.85）；当γNa+/γCl-接近于1时，表明含岩盐地层溶滤在地下水起主导作用。自然条件下，地下水中的Na+和Cl-的主要来源是岩盐，理论上岩盐的溶解会释放出等量的Na+和Cl-进入溶液中。当γNa+/γCl-大于1时，Cl-离子通常来源于细粒沉积物中的侵染状岩盐岩，而地下水中的钠离子可能来源于除岩盐溶解外其他不同的化学作用。Ca2+、Mg2+和Na+之间的阳离子交换，也可以解释地下水中Na+的高浓度。

从表3可明显看出，63上06面4个采空区水的γNa+/γCl-系数和其它6个工作面的基本一致，但和其它3个含水层的有明显区别，均明显大于3砂、侏罗系和三灰这3个含水层的水，说明采空区水的水动力条件好，受其它含水层渗入水的影响强。

（3）γNa+/γS O42-。比例系数可以用于判断Na+、S O42-含量与芒硝溶解的关系。芒硝，主要成分为含水硫酸钠Na2S O4·10H2O，因此分析Na+和S O42-关系时可以参考1∶1（毫克当量为单位）趋势线。当γNa+/γS O42-趋近于1时，说明土体或岩体中可能存在芒硝。

63上06面4个采空区水的γNa+/γS O42-系数均值明显接近于1，而其它含水层水对应比值均大于1，认为顶板的侏罗系红层水和3砂水经过采空区后水化学成分发生较大变化（见表3），一方面可能流经采空区和硫化物如煤中的黄铁矿发生反应，另一方面沿途渗流补给中可能源于地层岩体中的芒硝溶解。

4 结论

1）基于63上06工作面地质及水文地质分析基础上，确定了63上06工作面突水的主要充水含水层，选取了各含水层典型水化学分析数据，进行了各含水层水化学场特征分析，发现4个63上06工作面突水的6个主要阴阳离子、矿化度和总硬度等水质特征和3砂水、侏罗系红层水及三灰水的均具有明显差异性，而和6个其它工作面采空水的具有较好的一致性，初步分析认为该工作面突水属于顶板3砂水和侏罗系红层的混合水通过采空区流出。

2）通过P iper三线图获得了5个含水层的主要水化学类型，63上06工作面水质和其它6个采空区的是一致的，和3砂水、侏罗系红层水及三灰水的水化学类型存在较大差异性。

3）基于部分典型离子毫克当量比值较详细探讨了这5种水的水环境变化过程及机理，通过对比分析不同离子毫克当量比值的均值变化，发现侏罗系红层水的水动力条件最弱，相对滞缓，以静储量为主，63上06工作面目前突水属于典型的采空区水，是可以疏放的。