重庆松藻矿区关闭煤矿涌水来源与模式判识研究

康小兵，李晓雪，饶丽芳，张文发，罗向奎，王克峰

（1.成都理工大学 环境与土木工程学院,四川 成都 610059；2.重庆市地质矿产勘查开发局208 水文地质工程地质队,重庆 400700）

0 引言

“双碳”目标下我国煤矿产业加速退出。据统计，截止2021 年底我国共关闭煤矿5 700 处，预估到2030 年我国关闭煤矿数量将达到1.5 万处[1]。从水文地质和水资源角度来看，煤矿一经关闭，闭坑矿井便成为矿区不同深度含水层发生水力联系的通道、地下水汇集储存空间和地下水污染场所，将造成资源-安全-环境三重问题。为实现关闭煤矿排水的趋利避害，需准确判识矿井涌水来源及涌水模式。

煤炭作为我国主体能源[2]，有着悠久的开采历史，但受制于复杂的水文地质条件，煤矿水害事故频发[3]。为探究矿井水害问题的本质，国内外学者对煤矿涌水开展了较为深入的研究。姜本在上世纪80 年代就对我国南方典型岩溶煤矿床涌水规律进行了探讨[4]。HUANG 等[5]建立Piper-主成分分析（PCA）-Fisher 水源识别模型，经验证该模型在识别煤矿涌水过程中具有较高的准确率。陈陆望等[6]基于宿县矿区主要突水含水层地下水水化学数据，得出矿区四含水主要受采矿活动控制、煤系水主要受断裂控制、太灰水主要受采矿活动及构造共同控制。赵利军等[7]研究发现在复合隔水条件下，柳塔煤矿因矿业活动使之隔水层产生裂隙，形成导水通道，从而导致矿井涌水量与降雨量呈线性相关。针对关闭煤矿，MENENDEZ 等[8]对西班牙阿斯图里亚斯一处关闭煤矿进行水资源评估，并验证了利用关闭煤矿建造抽水蓄能水电站的可能性。虎维岳等[9]将废弃采矿区的地下水运移介质划分为多层状发育的岩溶空隙及裂隙、非均匀分布的网络管道、似层状分布的强渗透网络裂隙、非均匀不规则分布的扰动裂隙4 种类型。李琰庆等[10]通过分析淮南老矿区内废弃煤矿透水机理，总结出废弃煤矿存在裂隙带导通地表水、洪水倒灌废弃煤矿和老窑水冲破煤岩柱3 种透水方式。

重庆松藻矿区是西南地区重点煤炭产业基地之一[11]，也是我国典型岩溶矿区，矿井涌水问题一直备受关注。巫显钧[12]、周述[13]等通过采面涌水量动态结合矿区地质条件、矿井布置情况，得到矿区煤矿总采工作面涌水主要为离层裂隙水，李永祥等[14]研究得出煤层上覆下伏长兴组及茅口组岩溶水沿断裂构造、“三带”裂隙及茅口组开采巷道等介质涌出。目前，松藻矿区多集中于煤矿建设与开发过程中的涌水规律探究，而对关闭煤矿涌水来源及模式的研究还不够深入，同时大多数关闭煤矿已做封井处理，又大大增加了对其涌水来源及模式探究的难度。

笔者基于松藻矿区关闭煤矿涌水流量动态监测及水化学、微生物检测结果，采用涌水动态解析、流量-降雨水文序列[15-16]、水质指标描述性统计分析、矿井涌水间水化学指标的双变量相关分析等方法，剖析矿井涌水径流特征、释水体储导水性质，反演矿井水涌水来源，并综合矿区水文地质条件，提出关闭煤矿涌水模式。以期为岩溶矿区关闭煤矿及其矿井涌水资源规划利用提供依据，缓解区域水资源供需矛盾，产生经济效益的同时促进环境的可持续发展。

1 研究区概况

松藻矿区位于重庆市綦江区西南部，地势西南高，东北低，以山地为主，区内水系发育。矿区地处娄山褶皱带与四川盆地沉降带接合部位，其东侧属川黔南北构造体系，西侧属北东向华夏构造体系。区域由东向西依次有两河口向斜、羊叉滩背斜、大木树向斜及鱼跳背斜，其褶曲幅度由东向西逐渐减缓，波幅减小，褶曲轴线在平面上北东向收敛，南西向发散，整体呈“帚”状。闭坑煤矿大多分布于两河口向斜构造单元内，涌水矿井口皆位于两河口向斜东翼斜坡地带，研究区位置及关闭煤矿分布如图1 所示。

图1 松藻矿区构造与关闭煤矿分布Fig.1 Songzao mining area structure and closed coal mine distribution map

矿区出露地层均为沉积岩。除泥盆系、石炭系、第三系、白垩系下统缺失外，寒武系至第四系均有不同程度出露。与矿区涌水有关的地层主要有茅口组（P2m）、龙潭组（P3l）、长兴组（P3c）、玉龙山组（T1y）、飞仙关组（T1f）、嘉陵江组（T1j）、雷口坡组（T2l）、须家河组（T3xj）。

松藻矿区开采龙潭组煤层，属泻湖-潮坪沉积相。龙潭组总厚57～107 m，可采煤层3～6 层，由上到下分别为M6、M7、M8、M9、M11、M12（图2），其中M8全区可采，煤层稳定厚度0.71～6.68 m，平均厚2.94 m，约占矿区总储量的60%，为矿区主采煤层，其余煤层局部可采[17]。煤层下伏平行不整合接触茅口组（P2m）灰岩，中间存在古侵蚀面，上覆整合接触长兴组（P3c）灰岩。矿区主要开采煤层硫分含量均大于3.2%，属于高硫煤（St,d＞3.0%）范畴[18]。

图2 K23 煤矿剖面图及煤层分布示意Fig.2 Profile and coal seam distribution diagram of K23 coal mine

矿区大面积出露灰岩，岩溶发育强烈，岩溶水分布较广泛，地下水类型以岩溶裂隙水为主，主要接受大气降雨补给，其埋藏和分布不均一。根据矿区主采煤层上覆与下伏的地层岩性、富水性、地下水赋存介质和水动力特征，矿区含隔水岩组划分见表1。

2 数据与研究方法

2.1 数据来源

本次研究的34 个关闭煤矿，受地形切割、岩溶发育、采动裂隙等空间差异性的影响，其中10 个关闭煤矿涌水量相对较大，其余为无水或少水煤矿。研究数据来自这10 个涌水量较大的关闭煤矿，矿井涌水量为2016 年1 个水文年1 月2 次的监测数据（图3），水化学常规因子（pH、TDS、Na++K+、Mg2+、）和微生物（菌落总数、总大肠菌群）指标为同年10 月取样分析测试结果。降雨量数据取自距离矿区最近的綦江、桐梓两个气象站2016 年逐日降雨量平均值（图3）。

2.2 研究方法

1）统计分析。运用SPSS 软件对矿井涌水水质检测指标含量数据进行描述性统计分析，来反映数据分布状态、一般数值特征等特性。

2）相关性分析。将时间序列相关函数与Pearson 相关函数分别用于关闭煤矿涌水水量、水化学关联性的探讨。相关性分析是衡量变量间相关密切程度的一种统计学方法，通过对相关系数的计算，量化复杂现象，并从中揭示规律[20]。

①水文序列相关函数。水文序列相关分析是基于时间尺度上水文序列关联程度的定量判断。自相关系数是为描述水文序列自身内部相关联性，互相关函数旨在描述两个序列间的内在联系。自相关函数R（k）和互相关函数Rxy（k）计算公式如下：

式中：R（k）为自相关系数；Rxy（k）为互相关系数；C（k）为序列的自协方差；C（0）为样本方差；Cxy（k）为两个序列的互协方差；n为时间序列长度；k为滞后时间；σ(x)、σ(y)分别为Xn、Yn序列的样本标准差；为Xn、Yn的样本均值。

②Pearson 相关函数。Pearson 相关性用于衡量两个序列间的线性关系。其计算公式为

式中：r为相关系数；m为样本数量；σ2(xy)为x、y序列的协方差；、、与式（1）—式（4）相同。σ(x)σ(y)

3 关闭煤矿涌水特征与来源判识

3.1 涌水动态成因解析

1）涌水量波动特征。煤矿涌水的动态特征是水文地质结构、水的补给来源、导水介质和采动破坏扰动程度等因素的综合反映[21]。由降雨量与关闭煤矿流量动态（图3）可以看出，大多数关闭煤矿涌水量存在明显季节性变化，且不同关闭煤矿涌水量存在明显差异，主要有以下3 种波动类型。

①骤升缓降型：关闭煤矿K29、K30、K33 涌水量较大，且流量年波动幅度也大，流量对降雨的响应呈现出骤升缓降势态。说明这3 个关闭煤矿释水体富水性好，存在岩溶管道与径流系统连通的可能性较大，补给迅速；且发育大量裂隙通道，径流较岩溶管道缓慢，因此流量消降迟缓。由此推断其流量波动原因是由于这3 个关闭煤矿位于万隆村冲沟处，地形切割浅，裂隙发育，地下水水力梯度较大，交替循环迅速。

②缓升缓降型：关闭煤矿K07、K23、K27 涌水量中等，流量年波动幅度较小，对降雨的响应为缓升缓降型。说明这3 个关闭煤矿释水体富水性较差，径流通道不存在岩溶管道等大型导水介质，多为裂隙流，矿井涌水的补给与消降都较缓慢。

③平稳型：K05、K15、K21、K36 涌水量较小，流量年波幅也极小，表现出平稳的特征。说明该类关闭煤矿释水岩体富水性差，或导水通道不发育。

2）水文序列相关分析。自相关系数可以反映系统的记忆性，记忆性又取决于释水体的蓄水能力和径流速度[22]。关闭煤矿涌水量与降雨量自相关函数（图4a）可以反应出：因降雨事件为没有记忆性的纯随机函数，所以研究区降雨量的自相关性较差，且波动幅度较大[23]。关闭煤矿涌水流量自相关性较好，R（k）都在0.8～0.95，且变化趋势大致相同，随滞后期的增加而减小。

图4 关闭煤矿涌水量自相关函数与涌水量-降雨量互相关函数Fig.4 Self-correlation function of water inflow and cross-correlation function of water inflow and rainfall in closed coal mine

本次将降雨量时间序列作为输入信号，10 个关闭煤矿涌水量时间序列作为输出信号，煤矿涌水量对降雨响应的敏感程度依靠这两序列互相关系数来反映[24-25]。得到关闭煤矿涌水量与降雨量的互相关函数图（图4b），结果显示：

K27、K29、K30 三个关闭煤矿涌水量对降雨量的响应存在1 个月的滞后性，涌水量大且与降雨量的相关性较差，说明释水体自身蓄水量大、透水性较差，且这几处关闭煤矿涌水流量的波动主要受自身调蓄，因此初步推断这几处关闭煤矿涌水来源于巷道揭露的碳酸盐岩含水层。其余关闭煤矿涌水量对降雨量的响应滞后时间≤15 d，对降雨的响应较为敏感。推断矿井涌水存在较为良好的补给通道，或释水体补给条件较好。

K21 涌水量与降雨的相关性好，降雨对涌水量的控制作用较强，说明降雨入渗对矿井涌水贡献较大。K05、K33 涌水量与降雨量互相关性差，推测煤矿涌水为大气降雨沿通道直接补给的可能性小，涌水可能来源于矿坑老空水、巷道揭露的碳酸盐岩含水层释水。K07、K15、K23、K36 流量对降雨量的响应程度中等，K07、K23 流量中等，K15、K36 流量较小，从涌水动态无法断定其涌水来源，还需借助水化学特征进一步证实。

3.2 水化学演化环境分析

3.2.1 水化学特征分析

水化学组分的变化主要受补给来源和演化环境的控制[26]。研究区关闭煤矿涌水有煤系地层顶底板长兴组和茅口组灰岩含水层、矿坑老空水、降雨入渗三个来源，其中碳酸盐岩含水层水化学表现为pH 呈中碱性，Ca2+、浓度相对较高，TDS 含量取决于地下水循环速度的快慢；矿坑老空水因封闭滞流加之煤层伴生矿物黄铁矿氧化，一般具有pH 低、、TDS 含量高的特点[27]。根据检测指标含量及比值关系可用来判识矿井水涌水来源。

由检测指标统计结果（表2）可知，矿井涌水中pH 与TDS 变化幅度都较大，表明矿井水受多种因素影响，涌水来源不尽相同。研究区矿井水样pH 变化范围为2.87～7.92，平均值为5.92，其中K05、K07、K36 矿井水pH 分别为2.88、3.03、2.87，呈强酸性，分析此类矿井涌水主要来源于含煤地层黄铁矿氧化形成的酸性矿坑老空水。水样TDS 变化范围在211.60～1 556.96 mg/L，平均值为678.82 mg/L，K21、K36 矿井水TDS 含量超过1 g/L，且pH 为酸性，推测这两处煤矿受到一定量的老空水补给。根据矿井水主要离子浓度与TDS 的关系（图5）可知，Ca2+、与TDS 呈显著正相关，其余离子与TDS 相关性较小，表明阴阳离子中Ca2+、的溶解输入对矿井水成分贡献最大。又因矿区碳酸盐岩含水层中石膏较少，矿井涌水中的则主要来源于煤层黄铁矿[28]，Ca2+则为碳酸盐岩溶解的产物。

表2 关闭煤矿涌水水质常规指标及微生物指标统计结果Table 2 Statistical results of conventional indexes and microbial indexes of water inflow from closed coal mines

图5 关闭煤矿涌水主要阴阳离子与TDS 含量关系Fig.5 Relationship between TDS content and main anions and cations in water inflow of closed coal mines

根据离子含量特征绘制Piper 三线图（图6），研究区关闭煤矿涌水水化学特征，得到研究区水化学类型所占比例由高到低依次为SO4-Ca、HCO3-Ca、HCO3-Na。且随TDS 含量的增加，矿井水水化学类型由HCO3-Ca 向SO4-Ca 过渡，再次体现了离子含量对TDS 的贡献。据前人研究可知，松藻矿区茅口组（P2m）碳酸盐岩含水层水化学类型主要为HCO3-K+Na+Ca 型，长兴组（P3c）碳酸盐岩含水层水化学类型主要为HCO3-Ca 型[19]。关闭煤矿K23、K27 因巷道修建于长兴组地层中，水化学类型为HCO3-Ca 型，pH 呈中碱性，故推测这两处矿井涌水主要接受长兴组灰岩含水层补给；K33 因巷道修建于茅口组地层中，水化学类型为HCO3-Na 型，且pH呈中碱性、TDS 含量低，因此推测K33 涌水主要接受茅口组灰岩含水层补给。

图6 关闭煤矿涌水水化学成分Piper 三线图Fig.6 Piper triplot of chemical composition of coal mine water inrush

3.2.2 涌水常规离子含量相关性分析

通过矿井涌水水质指标的双变量Pearson 相关系数绝对值大小，可识别矿井涌水来源关联程度。对矿井水样中pH 值、TDS、Na++K+、Mg2+、Ca2+、Cl-、8 个指标进行Pearson 相关性分析，分析结果见表3。由于水样间距小、水源类型相近，水样间相关系数普遍较高，其中有84.44%相关系数r＞0.7，51.11%相关系数r＞0.9，运用传统相关系数等级阈值进行相关性解释较为粗糙，因而根据数据情况将0.99 设置为本次相关系数判别值对矿井涌水来源进行判别[29]。

表3 矿井水样Pearson 相关系数Table 3 Pearson correlation coefficient of mine water samples

K07-K36、K29-K30 达到相关系数判别值，相关系数分别为0.993、0.992，表征两组水样来源相同，进一步证实了前文推断，结合其他特征表明2 组煤矿涌水分别受控于老空水和含水层释水。K05、K07、K21、K36 相关系数均大于0.96，关联性好，矿井涌水关键水源相同，为采空区老空水。结合水文序列分析，降雨也为K21 矿井水主要补给源，老空水受到降雨入渗稀释，矿井水pH 值升高至6.52。据水文序列相关函数分析，指示降雨入渗为K23 涌水的关键因素，又因K23 与这几处受老空水影响的煤矿相关系数均小于0.68，与其余煤矿水样相关性大于0.86，说明K23 除降雨入渗外，矿井水接受含水层补给的量大于接受老空水补给的量。K33 与K23 关联性好，相关系数为0.965，表明K33 也受降雨补给，又因K33 与其余煤矿水样关联性优于K23 与其余煤矿水样的关联性，说明K33 涌水也受含水层释水、老空水补给，结合涌水动态与水化学两方面可知，K33 涌水补给比例由高到低分别为含水层释水、降雨、老空水。

3.3 细菌与微生物含量分析

地下水中的菌落与总大肠菌群主要来源于人畜粪便[30]，因此微生物指标含量可作为矿井水接受降雨补给量的指示因子。由表2 可知K23 矿井水菌落总数达到620 CFU/mL，总大肠菌群＞200.5 MPN/100 mL，为水样中微生物含量最高关闭煤矿，表明K23 矿井水与地表连通性好，接受降雨补给量较大。另外K27、K29 矿井水中微生物含量也相对较高，菌落总数、总大肠菌群含量分别在100 CFU/mL、80 MPN/100 mL 左右，但远低于K23，说明这两处煤矿矿井水亦受降雨地表汇流补给，但补给量小于K23 所受降雨补给量。其余煤矿矿井水微生物含量较少，推测其原因为接受降雨补给量较少或入渗降雨未受污染。

4 关闭煤矿涌水模式

4.1 涌水来源

关闭煤矿矿井涌水量及其与降雨量的响应、地下水常规离子、微生物含量等动态数据，包含了大量地下水流动系统演化环境与水动力结构信息，对涌水来源具有指示作用。基于前述分析，结合关闭煤矿基本水文地质条件，松藻矿区各关闭煤矿主要涌水来源判识结果见表4。

4.2 涌水模式

根据研究区关闭煤矿涌水来源识别结果，将关闭煤矿划分出降雨入渗型、含水层释水型、老空水溢出型、复合型4 种涌水模式。

1）降雨入渗型。矿区发育大量落水洞、溶隙、采动裂隙等通道与巷道直接相连，大气降雨在地表汇流后，沿以上优势通道快速通过地层，流至巷道，并随巷道涌出（图7）。关闭煤矿涌水量与降雨量相关性好，对降雨响应敏感，涌水动态受降雨、导水介质控制，一般波动幅度较大。又因水岩作用时间短，矿井涌水水化学表现为降雨型，水化学类型为型，pH 呈中碱性，含量偏低。若降雨流经人口密集处，受人为活动影响，呈现菌落总数、总大肠菌群等微生物含量高的特点，如研究区K23。

图7 降雨入渗型涌水示意Fig.7 Schematic diagram of rainfall infiltration water inflow

2）含水层释水型。碳酸盐岩含水层在地表出露区接受补给，顺岩层径流，经水岩作用，灰岩水中Ca2+、含量较高，又因灰岩中伴生矿物石膏的溶滤增加了水中含量。由于岩溶发育、巷道揭露、采矿扰动等原因形成导水通道，因煤矿关闭常年失修，防渗措施失效，造成灰岩含水层向矿井释水（图8）。

图8 含水层释水型涌水示意Fig.8 Schematic diagram of aquifer releasing water inflow

该种模式的煤矿涌水主要与区域含水层储导水性有关，呈现含水层储水性好，导水介质发育且连通性好，则涌水量较大，反之则涌水量小。因矿区含水层富水性受补给范围及补给径流路径等的影响，导致矿井涌水量对降雨的响应存在一定的滞后性，且不同水动力条件下滞后时间存在差异。矿井水pH呈中碱性、TDS 含量受地下水循环速度影响，矿井水水化学类型以HCO3-Ca、SO4-Ca 型为主。研究区关闭煤矿涌水多为含水层释水，如K15、K27、K29、K30、K33。

3）老空水溢出型。煤层埋深较浅，以上山开拓为主，采空区老空水沿巷道流至矿井口涌出（图9）。因研究区煤层富硫，黄铁矿等低价位的硫氧化，导致老空水SO42-含量高，进而降低水质pH。另外，采空区储水环境较封闭、补给条件差，因此溢出的老空水水量较小，对降雨响应迟缓，涌水动态多为缓升缓降型。综上，该种模式矿井水水化学特征表现pH 偏低，TDS、SO42-含量较高，水化学类型表现为SO4-Ca 型。如研究区K05、K07、K36 三处关闭煤矿就为典型老空水溢出型。

图9 矿坑老空水溢出型涌水示意Fig.9 Schematic diagram of spilling water from old mine water

4）复合型。在自然与人为双重作用下，关闭煤矿涌水存在2 种或2 种以上来源，此类属于复合型涌水模式。该模式矿井水水量水质特征具有多样性，涌水水量大小主要受降雨入渗或含水层释水影响；因矿井老空水水化学特征明显，对涌水水质的控制作用较强，因此复合有老空水的关闭煤矿涌水水化学表现为矿井水或弱矿井水性质。如K21 矿井涌水量与降雨相关性好，对降雨响应速度较快，但pH 值为6.52 呈弱酸性、TDS 含量也较高，说明K21 涌水模式为降雨入渗-老空水溢出两种模式复合型。

5 结论

1）矿区关闭煤矿涌水动态及对降雨的响应存在时空差异性。空间差异体现在不同煤矿涌水量的不同，主要受矿井水释水体和导水介质的类型、性质影响；时间差异性主要表现为关闭煤矿涌水季节性变化明显、流量对降雨响应滞后时间的不同；受释水体储水性和导水介质之间连通性等地质条件控制，研究区煤矿涌水随降雨的变化存在骤升缓降、缓升缓降、平稳三种动态。

2）由矿井水来源和演化环境不同，煤矿涌水水化学环境特征也有差异。受碳酸盐岩含水层及煤层黄铁矿氧化的影响，关闭煤矿涌水水化学类型有HCO3-Ca、SO4-Ca、HCO3-Na 三种，其中以SO4-Ca 型为主，SO4-Ca 型次之。且Ca2+、离子含量与TDS 显著正相关，对矿井水成分贡献较大。微生物及TDS 含量、pH 值离散性较大。

3）结合矿井水文地质条件、矿井涌水量动态、涌水量与降雨量水文序列自相关和互相关函数、矿井水水化学特征、微生物含量、水样间水化学相关系数判别值与水样间关联性大小关系，分析了每个矿井涌水的主要来源。基于矿井涌水来源判识结果，提出了大气降雨入渗型、含水层释水型、老空水溢出型、复合型4 种矿区关闭煤矿涌水模式。