新疆东沟煤矿充水水源识别及水文地球化学特征研究

史秋艾

(中煤地生态环境科技有限公司，北京 100070)

0 引言

含水层中的地下水与围岩及其他含水层存在着溶滤作用、混合作用和阳离子交替吸附作用等各种水文地球化学作用,使得不同水源的水化学特征存在着差异，同一水源的地下水水化学特征相近，不同水源的含水层即便是两个有一定程度水力联系的含水层，它们中的地下水水化学特征也会表现出一定程度的差异[1]。我们可以利用这些化学特征的差异对含水层的充水水源进行识别[2]。水源识别技术目前被广泛应用于矿井顶底板涌(突)水的治理中，通过准确判别充水水源制定相应的防治水措施，保障矿井的安全生产。

在矿井涌(突)水水源判别中常采用同位素测定法、灰色关联度法、Piper三线图法、元素类别法、距离判别法、模糊数学法、BP神经网络法等[3]，但在实践中发现采用单一方法判别水源的准确率不高，姜鹏提出了采用综合评判的方法对水源进行判别，并以高庄煤矿为例验证了综合评判法使得水源识别的结果更为准确[4]。因此，本次采用Piper三线图、聚类分析、灰色关联度三种方法对小东沟煤矿1602工作面淋水水源、B6煤顶板水充水水源进行综合判别，结合煤矿的水文地质条件及矿井充水因素分析，认为矿井主要受采空区积水、火烧区积水、上部砂岩裂隙水及第四系潜水的威胁。针对矿井在B6煤层B1602首采工作面南北两条巷道中部顶板出现的淋水问题，为保障煤矿安全，本次选取东沟河水、雨水、东沟煤矿观2孔和观3孔、第四系孔隙水、煤矿三煤组、二煤组、一煤组以及本次取样采集的B4煤以及B6煤顶板水、矿井周边九万吨老窑积水、中侏罗统西山窑组烧变岩潜水进行分析确定充水水源[5]。

1 地质及水文地质条件

井田内发育地层由老至新为下侏罗统三工河组、中侏罗统西山窑组，第四系。含煤地层为侏罗系西山窑组，主采煤层为B6煤。B6煤可采厚度为2.36～3.9m，平均厚3.19m，顶板为粗砂岩、细砂岩与泥质粉砂岩、粉砂质泥岩互层。煤矿主要含水层有第四系孔隙潜水含水层、中侏罗统西山窑组烧变岩潜水含水层、中侏罗统西山窑组砂岩含水层[6]。第四系孔隙潜水含水层主要分布在西部小东沟河两岸，呈南北向条带状分布，可通过岩石裂隙补给下覆基岩含水层和火烧区含水层，从而与之发生水力联系。西山窑组基岩含水层属弱─强富水性含水层，受本区构造及岩性影响，浅部(南部)含水层由于水的静水压力小，水力联系不甚密切，向中、北部含水层的静水压力逐渐增大，加之本区岩层多以砂岩为主，隔水性相对较差，因此中、北部基岩含水层的水力联系逐渐密切。区内火烧区分布范围小，主要分布在矿区的南部和小东沟河附近，因烧变岩含水层与基岩含水层直接接触，致使烧变岩水沿基岩裂隙直接渗透补给基岩含水层，两含水层联系密切。

2 水文地球化学特征

2.1 地表水

2.2 第四系孔隙水

2.3 中侏罗统西山窑组砂岩裂隙

中侏罗统西山窑组砂岩裂隙水样品共6个，分别是以往采集呼图壁县东沟煤矿三煤组、二煤组、一煤组以及本次取样采集的B4煤以及B6煤顶板水，主要成分含量见图1c。

2.4 老空水

表1 老空水主要成分

2.5 中侏罗统西山窑组烧变岩潜水

2.6 1602首采工作面淋水

表2 矿井水主要成分

a.地表水及雨水

b.第四系孔隙水

c.西山窑组砂岩裂隙水

d.烧变岩潜水

3 B6煤顶板充水水源识别

在选取常规水化学指标作为特征因子基础上，分别建立Piper三线图、系统聚类分析和灰色关联度判别模型，并对各判别模型判别效果进行分析，为东沟煤矿防治水工作提供依据。

3.1 利用Piper三线图识别突水水源

根据水样中常规水化学指标的测试结果，各含水层的水样被点绘在图上(图2)。

图2 研究区水质综合Piper三线图Figure 2 Piper trilinear diagram of water quality in study area

3.2 基于聚类分析方法识别淋水水源

聚类分析是一种多元分析技术，将所研究的对象视为同一空间中的点，运用数学方法研究点与点之间的疏密关系，从而得到所研究的对象间的相似关系，把关系密切的点归为一群，否则归为不同类，最终实现了对研究对象的分类[7-8]。聚类分析算法的种类很多，其中比较常用且应用比较成功的一种系统聚类法。本次采用聚类分析法对矿区水样进行了分析，结果见图3。

图3 矿区各取样点水化学特征系统聚类分析Figure 3 Cluster analysis of hydrochemical characteristics of sampling points in the mining area

由图3可知，B6煤开采产生的顶板淋水与三煤组砂岩裂隙水、B6煤顶板水等砂岩裂隙水水化学特征的欧式距离较近，因此推测B6煤开采产生的顶板淋水推测是来自中侏罗统西山窑组砂岩裂隙水。

3.3 灰色关联度判别淋水水源

灰色关联度方法是根据不同因素间动态过程的相似性或相异程度来衡量因素间发展态势的一种量化方法，即将研究对象(突水点的水质)及影响因素的因子值(常规水化学指标)视为一条线上的点，与待识别对象及影响因素的因子值所绘制的曲线进行比较，比较它们之间的贴进度，并分别量化，计算出研究对象与待识别对象各影响因素之间的贴近程度的关联度，通过比较各关联度的大小来判断待识别对象与研究对象的影响程度[9-11]。

本文以所有水样的常规水化学当量浓度及pH值作为参考序列，将雨水、地表水、第四系孔隙水、烧变岩潜水、老空水和西山窑组砂岩裂隙水各类型水样的浓度、矿化度和pH值平均值作为因素序列，参考序列示例及因素序列见表3。

表3 参考序列及因素序列

根据分析结果可知，与Piper三线图和聚类分析相比，灰色关联度模型对B6煤开采产生的顶板淋水的水源识别效果有了大幅提高。其中老空水与特征序列(顶板淋水)的关联度较好，达到了0.841；中侏罗统西山窑组砂岩裂隙水以及第四系孔隙水，其与顶板淋水的关联度均大于0.8。因此，进一步推测B6煤开采产生的顶板淋水可能是来自矿区老空水、煤系砂岩裂隙水以及第四系孔隙水，其补给率分别为0.343、0.330、0.327。

4 结论

基于上述所建立Piper三线图、系统聚类分析和灰色关联度判别模型，对各种方法综合分析，首先根据Piper三线图，由于顶板淋水水样点距其它水样点较远，水质类型差异较大，因此推测B6煤开采产生的顶板淋水可能是来自多种水源的混合水。根据各水样点水化学特征的系统聚类分析，由于各水样点的水化学特征较为相似，而B6煤开采产生的顶板淋水水质特征与中侏罗统西山窑组砂岩裂隙水的水质特征相对距离较近。最后通过灰色关联度判别模型，进一步研究了顶板淋水的来源，老空水、中侏罗统西山窑组砂岩裂隙水以及第四系孔隙水与特征序列(顶板淋水)的关联度较好。因此，工作面开采产生的顶板淋水推测主要来源于导水裂隙带发育高发育以及地层扰动导致的西山窑组煤系砂岩水补给，疑似导水性断层导通矿区老空水补给以及上部孔隙水补给。

基于上述结论，由于工作面顶板淋水推测存在老空水补给，为了工作面的正常、安全开采，还需要及时对1602工作面附近断层进行导、富水性探测，并按照《煤矿防治水细则》中的相关规定在工作面及九万吨采空区间预留足够的防隔水煤柱。