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青东矿水质变化规律及涌水水源判别模型

文档作者：朱宁宁1，年宾2，高红远3 文档来源： 1．安徽理工大学地球与环境学院 2．淮北矿业集团青东煤业有限公司 3．江西省煤田地质勘察研究院		点击数：	更新时间： 2024年02月27日
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144
能源技术与管理
Energy Technology and Management
2016年第4l卷第6期
V01．4l No．6
doi：10．3969／j．issn．1672-9943．2016．06 049
青东矿水质变化规律及涌水水源判别模型
朱宁宁1，年宾2，高红远3
(1．安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南232001；2．淮北矿业集团青东煤业有限公司，安徽淮北235000；
3．江西省煤田地质勘察研究院，江西南昌330001)
[摘要]矿井水害是威胁矿井安全生产的一大隐患，为了快速有效地判别青东矿10煤层开
采时可能出现的涌水水源，以便及时制定合理的治理措施，通过对青东矿实际的水
化学数据资料进行统计整理、制作并分析Piper三线图、建立涌水水源的实用判别
模型，得到了矿井重要含水层煤系砂岩含水层及太灰水的具体水化学特征信息，为
合理采取防水措施及准确判断青东矿10煤开采时突水水源提供了科学依据。
[关键词]青东矿；水化学特征；水源判别；水质模型；判别模型
[中图分类号]TD745+．21[文献标识码]B[文章编号]1672-9943(2016)06-0144-03
0引言
青东煤矿是淮北矿业集团公司所属的生产矿
井，主采位于太原组灰岩含水层上的10煤层，正
常块段突水系数在0．053 0～0．282 9 MPa／m之间，
平均0．1 14 3 MPa／m，太灰突水系数超过0．10 MPa／m
的钻孔占58．5％。因为太灰水是10煤层开采时的
潜在涌水水源，其开采煤层顶底板煤系砂岩水和
太灰水可能是主要充水含水层。另外，浅部开采
时，四含水有可能介人。为快速有效地判别涌水水
源，准确提出防治水措施，在矿井各含水层水化学
特征分析的基础上，建立10煤层开采时的涌水水
源判别模型。
1水质变化规律
通过对青东矿生产资料的分析与研究，该矿
区地下水化学的组成现状是受到了溶滤作用和离
子交替吸附作用占主导地位的影响。地区的特定
水化学成份的组成不仅受长期的水动力条件控
制，也受原始沉积条件等地质因素影响，因此地下
水矿化度、各项离子含量等水化学特性随着地下
水径流和溶滤作用的长期发展，呈规律性变化。下
面以矿区主要含水层水质化验的多种离子数据为
依据，通过制作Piper三线图来分析矿区的部分
水化学特征⋯。
Piper三线图由2个等腰三角形区域及二者
上方夹着一个菱形区域组成。它以3组主要的阳
离子和阴离子每升毫克当量的百分数投点表示，
坐标表示的地下水中溶质毫克当量百分数，反映
阴阳离子相对成分，代表相对浓度。制作时先按照
试样的阴阳离子对应的百分数值按三线坐标投到
2个三角形区域，接着通过2个三角形区域内所
投单点作各自三角形外侧边的平行线，2条平行
线会于菱形域内相交于一点，最终可以分析得到
菱形区域的试样点位来进一步发现规律。按照试
样在菱形区域中不同的点位能对应不同的分区从
而得到不同化学特征及分区特征信息．具体如图
1昕不
◇
图1可按区域位置划分成以下9个区域：
1号分区：碱土金属离子含量大于碱金属离
子；2号分区：碱土金属离子含量小于碱金属离
子；3号分区：弱酸根离子含量大于强酸根；4号分
万方数据
2016年12月
Dec．，2016 朱宁宁，等青东矿水质变化规律及涌水水源判别模型145
区：弱酸根离子含量小于强酸根；5号分区：碳酸
盐离子硬度大于50％；6号分区：非碳酸盐离子硬
度大于50％；7号分区：碱及强酸性离子为主；8
号分区：碱及弱酸性离子为主；9号分区：无任何
一对阴阳离子毫克当量百分数超过50％tza。
据矿井实际生产水文资料得出的水质分析数
据及Piper三线图如表1、图2所示。
表1 青东矿地下含水层水质分析表
图2青东矿地l、含水层水质三线图
从图2的左侧部分来看，自7-8煤层的煤系
砂岩水所投点到5～7层太灰水所投点大致呈从右
下向左上的条带分布；其ca2+、M矿相对含量呈升
高趋势，而K++Na+则在减少。图2中阴离子从10
煤层煤系砂岩水到太灰水，水样所处区域非常接
近。这表明两者的阴离子含量比较相似。
不同的四含水样在右下方阴离子三角形区域
分布较分散，表明四含水组成复杂并不均一。其
HC03-含量偏大是因为地表水的下渗使CO：溶解
在四含水中；同时受到下部的煤系砂岩水影响，所
以引起SO。2一占优势。7～8煤层煤系砂岩水样点分
布在4号区，强酸根离子比例大于弱酸根离子，其
中S042-含量占优，特征是含有大量的K+和Na+。
10煤层煤系砂岩水因受7～8煤砂岩裂隙水和太
灰水的共同影响，它的特点是介于两者之间。太灰
水基本上分布在菱形9号区域边缘，位置上靠近
7号区域，这代表各离子含量相对较均衡。此外，
太灰水中的K+和Na+相对含量较上覆煤层煤系
砂岩水偏小，由于溶解的白云岩、泥灰岩及硫酸盐
岩，而使其Ca2+、M矿离子含量一定程度上有所增
加，硬度及矿化度上均有提高。下面通过试样具体
分析矿区的水化学特征变化情况。
1．1矿化度变化
矿化度表示单位体积地下水中可溶性盐类的
质量，在不同地质条件下的地下水的矿化度是不
相同的。通常情况下，地下水与围岩接触时间越
长，围岩中可溶盐成分越高，循环深度越深，矿化
度则会相应增大。从表i统计数据中可以看出，四
含水矿化度的平均值1．21 g／L，7～8煤层砂岩裂隙
水的矿化度平均值约为2．17 g／L，10煤层砂岩裂
隙水的矿化度稍大，均值为2．43 g／L；而1～4层和
5～7层太灰岩含水层矿化度平均值分别为2．66、
1．33∥L。
该矿井地下水矿化度总体随深度的加深而逐
渐升高，到了5～7层太灰水出现降低。由于地下循
环深度形成总体的变化趋势，底部5～7灰岩因径
流强度增大，和岩石接触不够充分，且灰岩为主的
围岩环境，故矿化度比煤系砂岩水小。由于矿区煤
系地层的隔水性相对较好，砂岩裂隙水的流动性
则相对较差，与围岩的溶滤和离子交换作用较为
充分，所以其地下水矿化度高。
1．2水化学类型演变
经分析得到：①四含水分别为HCO，一Na·Mg、
S04-Na·Ca型；②7～8煤层的煤系砂岩水为S0。·
HCO，一Na型；③10煤层的煤系砂岩水为S0。一Na
型；④太灰水类型为S0。一Na·ca·Mg型。
四含水因离地表近，溶解了一定量CO：的地
表水下渗，造成HCO。一含量增加，形成了HCO，一
万方数据
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能源技术与管理
Energy Technology and Management
2016年第4l卷第6期
V01．41 No．6
Na·Mg型水；7～8、10煤层煤系砂岩含水层上有若
干隔水层组，主要发生与围岩间的离子交换，形成
S042-相对含量较高的S04-Na·Ca型水。随着地下
水的埋藏深度增加，径流强度减弱，HCO。一含量减
少，太原组灰岩水阴离子多以易溶的S042-为主。
1．3硬度变化
硬度随地层深度方向上变化明显，四含水硬
度均值26．21 0H；煤系地层中随层位不等，7～8煤
层煤系砂岩水硬度均值为15．17数0H，10煤的
煤系砂岩水则为20．71 oH；更深处太灰水1～4
层硬度更高，为53．61。H，5～7层甚至达到了
642．86 oH。
硬度的变化能从地下水的赋存状态得到解
释。水的硬度主要是体现Ca2+与M矿的含量，煤
系砂岩层处于一个相对滞留封闭状态，使得阳离
子交替吸附作用发展充分，使水中原有的大量
ca2+、M矿被吸附在围岩的Na+充分置换，因此硬
度变小，Na+含量升高。其中7。8煤层煤系砂岩水
最为典型，不仅硬度低(150H左右)，Na+毫克当量
百分比也多达90％，Ca2+、M矿之和平均仅占12％
左右。太原组地层虽然埋深大，但其岩石的基本成
分为CaCO，和MgCO，，Ca2+、M：矿毫克当量百分比
达到20％以上，硬度较大。
毫克当量百分比占80％左右，Ca2+、M矿为20％左
右。占主导的s042-阴离子矿化度值在2．5 g／L附
近，其水质类型为S02-一Na+。
(2)模型Ⅱ(太灰水水源)：Na+和K+占比
35％～55％，Ca2+、M铲离子均在20％～30％之间，总
硬度均在50。H以上，水质类型为S042--Na+·Ca“·
M矿。
2．3矿井涌水的判别模式
根据矿井实际水样信息，得出上述2种水质
模型。建立的青东矿井涌水判别模式如图3所示。
图3青东矿10煤的涌水水源判别模式
2水源判别3结语
青东矿lO煤层开采主要受10煤层顶底板煤
系砂岩水和太灰水的充水威胁，因青东矿四含大
部不发育且有三隔存在，所以松散层水影响lo煤
层开采的可能性微乎其微。
2．1 煤系砂岩水与太灰水比较
将矿区10煤层的煤系砂岩水和其太灰水相
比，前者Na+、K+离子的毫克当量百分比明显大于
后者，其中HCO，一也是后者的2。3倍，而太灰水的
Ca2+、M矿含量则远大与前者，是前者的2～4倍。
2．2涌水水源水质模型
通过比较可以看出，青东矿井田内可能成为
矿井生产充水水源的含水层水质特征明显，差异
清楚地表现在阴阳离子含量及矿化度上。在生产
过程中判别10煤的涌水水源时，可通过识别涌水
水样的离子含量及矿化度来判别水源含水层。由
于矿井涌水可能是混合水源，还存在时间的先后
性，所以通过下面水质模型来研究判别。
(1)模型I(10煤层砂岩裂隙水水源)：Na++K+
通过对矿井水化学特征的分析，得出青东矿
地下水以浅部循环为主，深部地下水径流相对较
弱，即含水层埋藏越深，水的径流条件越差，表明
矿井处于相对封闭的水文地质环境。本次由水质
化验资料得出矿井涌水水源的判别模式，为涌、突
水水源的准确判定提供了技术支撑。
[参考文献]
[1]王瑞久．三线图解及其水文地质解释[J]．工程勘察，
1983(6)：6—1 1．
[2]沈照理，朱宛华，钟左桑．水文地球化学基础[M]．北
京：地质出版社，1995．
[3]陈从磊，姚多喜．地下水化学特征在岱河矿涌水水源
判别中的应用[J]．中国煤炭地质，2012，24(10)：35—
41．
[作者简介]
朱宁宁(1993一)，男，安徽理工大学地球与环境学院
2015级硕士研究生，专业方向为水文地质与工程地质。
[收稿日期：2016—09—13]

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