基于Piper图的离子库分区和突水水源动态转化及判别*

杨 飞 石志远 郑士田 王 琦 徐智敏

（1.中煤科工集团西安研究院有限公司；2.陕西省煤矿水害防治重点实验室；3.中国矿业大学资源与地球科学学院）

2020 年以来，新冠疫情蔓延令全球能源出现了供给失衡，煤炭作为我国能源结构的基础，其安全生产事关我国的能源供应与经济持续稳定增长［1-2］。近期国内矿井突水事故频发，给社会带来不良影响的同时也严重阻碍了煤炭行业安全生产。突水事故发生后，对突水水源、通道的快速判别往往是灾后治理及救援的基础，也是煤矿防治水工作实践中的关键和重要环节［3-4］。

多年来，水化学分析方法被广泛应用于矿井水害防治工作中的多个环节，在矿井水害检测及预警、突水水源判别、确定水力联系及检验注浆效果等方面取得了十分理想的效果［5-8］。特别在水源判别上，广大水文地质工作者形成了以水化学离子为基础的多种图解分析方法（如Piper 图、Durov 图、Gibbs 图、Schoeller 图和矩形图等），使得图解分析方法不断得到创新完善［9-13］。相较于其他图解分析方法，Piper图不仅可以展现了不同含水层同一时期的水质类型情况，还可以展现同一含水层不同时期的水质类型动态变化情况，有助于研究含水层间的水力联系和内在水质运移演化规律，对突水水源的判别也有科学的指导意义［14-15］。此外，Piper 图也可有效应用于地下水的类型判别和地下水混合作用分析计算［16］。

本研究以徐庄矿20组历史水样的水化学资料为基础，建立了该矿的Piper 图离子库分区。通过对比7331 工作面突水水源不同时间点在离子库分区图的位置变化情况，确定了突水过程中突水水源的动态转化路径，并根据离子守恒对突水水源的构成进行了动态判别。

1 研究区概况及充水水源

徐庄矿位于苏、鲁交界的微山湖畔，主采煤层为山西组7#、8#煤层，采区范围内关键地层无缺失，大部分区域均能够发育较为完整的“三带”。经实测煤层开采后，导水裂隙带最大高度不超过86.2 m，底板破坏带最大深度不大于42.5 m。因此，煤层回采受影响的含水层仅有下石盒子组底界砂岩含水层和7#煤层顶板砂岩含水层。但由于太原组L4灰岩含水层在采区内承压0.85～4.35 MPa，突水系数超临界，因此L4灰岩含水层也是其主要充水水源（图1）。

2 离子库分区构建

本研究基于徐庄矿历史上采集的巷道、采空区淋水和老塘水等20 组水样数据（表1）构建Piper图水化学离子库分区。基本思路是对水样六大常规离子浓度进行多元统计和划分，通过离子浓度分差异性分析，并结合采样点所处环境确定水样来源及所属含水层。依据含水层离子浓度范围在Piper图中绘制出对应的含水层离子浓度分区。最后利用现有水样信息对含水层的离子库分区进行检验和校正。

2.1 离子系统聚类分析

利用SPSS 软件对筛选的20 组水样（表1）进行系统聚类分析，将六大常规离子（K+Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-）浓度值作为变量采用“Ward 方法”进行聚类，得到树谱关系图（图2）。由图2 可知：20 个水样被分为了A（5、6、10、19）、B（1、3、9）、C（2、4、8、12、13、14、15、16、17、20）和D（7、11、18）4类，其中A、B两组之间具有良好的相似性，C、D两组之间具有良好的相似性。

对于A 组中5#、6#水样均来自于-750 m 集中回风巷，10#水样来自于Ⅱ（3）下采区补充运输巷L4灰岩含水层，19#水样来自于Ⅱ（3）下采区-750 m 西轨道巷锚眼；对于B 组中1#、3#、9#水样全部来自于Ⅱ（3）下采区采区-850 m 西翼皮带大巷；对于C、D 两组除了12#水样外，其余12 组水样数据均采集于7331 和7332 工作面附近的7#煤层顶板砂岩含水层及下石盒子组底界砂岩含水层。

根据图2的分类关系，可以确定A、B组水样全部来源于太原组L4灰岩含水层；C、D组水样几乎全部来源于砂岩含水层，但由于采区缺乏实际揭露的7#煤层顶板砂岩含水层及下石盒子组底界砂岩含水层水质资料，暂时无法客观区分C、D 组的具体来源。仅能得到的结论是：A、B 组水样为L4灰岩水，C、D 组水样为砂岩水。其中A 和B 组被分为2 个亚组，可能是由于A、B取样点所处的水文地质单元不同造成的。

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2.2 离子浓度差异分析

为进一步确定A、B、C、D 4 组水样的来源，需对其氧化/还原环境离子浓度进行比较分析，将（A、B）组、C 组及D 组的离子浓度范围进行统合分析，可绘制得如图3 所示的箱型图。通过对A 和B、C 和D 组离子浓度差异性对比可发现，K+Na+、SO42-离子浓度存在巨大差异，Cl-、HCO3-离子浓度存在较为明显差异，Ca2+、Mg2+离子离子浓度差异不明显。其中K+Na+、SO42-离子浓度A 和B 组远大于C、D 组；Ca2+、Mg2+离子的浓度，A 和B 组与C、D 组差异不大；Cl-、HCO3-离子浓度，C、D组跨度范围略大于A和B组。

造成这些差异的原因是，当水样中K+Na+、SO42-、Cl-离子浓度较高时，表明该水样来源于较为强烈的还原环境中，尤其对于大埋深、水源补给单一的含水层，其K+Na+、SO42-、Cl-离子浓度往往偏高，A 和B 组水样中一多半采样点位于Ⅱ（3）下采区，采区内L4灰岩平均埋深超过-700 m，基本印证了A和B组水样来源于L4灰岩的事实。水样中HCO3-离子浓度较高时，表明该组水样来源于较为强烈的氧化环境，这种情况往往出现在埋深较浅、水源补给多样的含水层。C、D 组水样中HCO3-离子浓度远高于A 和B 组，其中C 组HCO3-离子浓度为D 组的3～4 倍，下石盒子分界砂岩埋深较7#煤层顶板砂岩浅，可以认定C 组水样来源于下石盒子组底界砂岩含水层，D 组水样来自于7#煤层顶板砂岩含水层。

2.3 离子库的分区及检验

通过上述分析，矿井各主要充水含水层的离子浓度取值范围已得到明确，可据此在Piper 图上对其水源进行分区，形成矿井充水水源离子库的分区图，如图4所示。

为进一步检验离子库分区图的准确性，可选取该矿2018年6月15日获取的各含水层观测孔水样离子浓度（表2）进行离子库分区检验校正，校验水样在离子库分区图中的位置如图5 所示。由图5 可知：S245-1 位于Piper 三线图得7#煤层顶板砂岩含水区，S245-2 和S245-4 位于太原组L4灰岩水区，而S245-3不属于其中任何一个分区，检验结果与构建的分离子库分区图一致，基本印证了其准确性。至此，基于Piper 三线图的离子库分区已构建，今后矿井一旦出现突水，只需将突水点水样离子浓度绘制进Piper 三线离子库分区图中，即可快速判别其水源信息并制定相应的治理方案。

3 突水水源动态判别

3.1 突水过程动态分析

2013 年10 月10 日徐庄矿7331 工作面回采期间发生突水，11月7日突水量达到最大值385 m3/h，2014年2月突水量逐渐稳定到40 m3/h。通过对不同时间段突水水样的水化学离子浓度分析，将其绘制到Piper离子库分区图中（图6），11月21日之前水样（1#～3#水样）中各离子浓度基本相同，属于图中的7#煤层顶板砂岩水分区；12 月16 日水样（4#水样）与前述水样（1#～3#水样）离子浓度差异较大，位于图中砂岩混合水分区，2014 年2 月7 日水样（5#水样）与之前所有的水样（1#～4#水样）均不相同，属于图中上石盒子砂岩水分区，说明其突水水源随时间存在一个动态转化的过程。如图6 箭头所指，其转化路径为7#煤层顶板砂岩水转变为砂岩混合水，再转变为上石盒子砂岩水。

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3.2 突水水源定量判别

为进一步探究突水水源在动态变化中的构成，可利用混合溶液中离子守恒方法进行定量判别。几种水源经过混合，溶液中的元素组分与含量应当不变。但由于Ca2+、Mg2+和HCO3-含量易受溶液pH 的影响而发生变化，K+Na+、SO42-和Cl-组分含量受其他离子的影响较小，可近似认为混合溶液中K+Na+、SO42-和Cl-离子含量保持不变。

同时考虑地下水运移过程中的溶滤、浓缩及阳离子交替吸附作用。根据矿井突水流速快、流量大的特性，其溶滤、浓缩作用可以忽略，但阳离子交替吸附极有可能导致水中Ca2+、Mg2+含量减少而K+Na+含量增多，对判别结果产生影响，因此本研究采用SO42-和Cl-来计算混合砂岩水中各充水水源所占的比例.假设突水水源中7#煤层顶板砂岩水占比X、上石盒子砂岩水占比Y，根据水样离子浓度表（表3）则可列方程

经计算求得7#煤层顶板砂岩水占比26.96%，上石盒子砂岩水占比73.04%。

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3.3 水源判别结果验证

通过对回采中突水流量—工作面推进距离关系曲线（图7）与工作面推进距离—顶、底板破坏深度关系曲线（图8）的对比分析可知：当工作面推进至65 m前，顶板冒裂带高度尚未波及上石盒子砂岩含水层，工作面内正常涌水8～10 m3/h全部来自于煤层顶板砂岩含水层；工作面推进至80 m 时，工作面发生突水，顶板冒裂带高已发育至上石盒子砂岩含水层，此时突水源为顶板砂岩和上石盒子砂岩组合成的混合水，且随着顶板冒裂带高度不断上升，突水水源中上石盒子砂岩水的比例不断提升；工作面推进至480 m时，突水水量减小并稳定在40 m3/h，此时顶板冒裂带早已贯穿上石盒子砂岩含水层且已达到稳定，突水水量中7#煤层顶板砂岩水量为8～10 m3/h，占比为20%～25%，上石盒子砂岩水量为30～35 m3/h，占比为75%～80%，实际观测结果与离子守恒判别方法基本一致。

4 结 论

（1）对徐庄矿往获取20 组水样数据进行聚类划分，认为A组和B组水样来源于太原组L4灰含水层，C组和D 组水样来源于砂岩含水层。通过离子浓度差异性分析，确定了C 组和D 组水样分别来源于下石盒子组底界砂岩含水层和7#煤层顶板坡上清理的危岩体，不足可用周边村、镇上（运距约10 km）建筑垃圾进行回填，其上种植乔木复绿。

边坡处攀援植物（如爬山虎）绿化效果好，见效快且造价低，故削坡后形成的坡面采用攀援植物（如爬山虎）复绿。设计种植穴规格为0.3 m×0.3 m×0.3 m（长×宽×深），爬山虎设计株间距为0.5 m，设计绿化率80%，设计养护期为2 a。

宕口底盘复绿主要复垦为有林地。设计于宕口底盘上种植乔木，树穴直接于覆土上开挖，开挖量不小于1.0 m3。结合周围植被情况，设计种植侧柏，株间排距为3 m×3 m，种植距离距离边坡坡脚2.0 m，距排水沟0.76 m。复垦林地区域播撒草籽复绿，可选用狗尾巴草、蒲公英、牛筋草、白茅等混合草籽进行撒播种植。

4 结 语

结合宿州市某废弃石料厂地质背景条件、地质环境现状，制定了切实可行的地质灾害治理方案，采用分阶削坡、回填覆土、喷播复绿、修筑截排水沟、布置道路、警示牌、监测点等方式，对治理区的地质环境进行工程治理，可有效预防区内地质灾害的发生，根治水土流失、粉尘污染等，提高区内植被覆盖率，使矿区生态系统逐步恢复，明显改善治理区及周边生态环境，具有明显的生态效益。