基于特定水化学特征的矿井涌水量构成比例分析＊

杨志斌，边 凯

(1.中煤科工集团 西安研究院有限公司，陕西 西安710054;2.河北工程大学 资源学院，河北 邯郸056038)

0 引 言

矿井水害一直是煤矿建设和生产过程中的主要灾害之一，而矿井涌水量预测又一直是矿井水害防治过程中的重点和难点，矿井涌水量大小及其构成比例不仅是对矿井建设进行技术经济评价、合理开发的重要指标，更是煤矿生产设计部门制定采掘方案、确定矿井排水能力、制定矿井防治水措施、防止重大水害和合理利用地下水资源的重要依据［1-2］。国内外学者针对矿井涌水量预测做了大量的研究工作，目前矿井涌水量预测大致可以分为确定性和不确定性分析方法2 类，其中确定性分析方法主要包括解析法、数值法、模拟法、水均衡法，不确定性分析方法主要包括水文地质比拟法、相关分析法、模糊数学、灰色系统、BP 神经网络和时间系列分析法等［3-5］。但是，由于矿井涌水往往是多个含水层同时参与，涌水机理极其复杂，致使煤矿井下涌水点呈网状分布，难以准确掌握矿井涌水量的构成比例。目前对矿井涌水量的构成比例研究较少［6］，文中通过分析偃龙煤田常村煤矿各个充水含水层不同平面位置上水化学特征的差异，结合不同含水层水混合效应水化学特征，找出各个充水含水层的特征离子，根据特征离子中溶解度大的离子在水混合过程中遵守质量守恒原理，构建以矿井涌水量构成比例为未知数的多元一次方程求取矿井涌水量的构成比例。

1 矿区水文地质特征

常村煤矿主采二叠系下统山西组下部二1 煤层，沉煤基底为寒武系，矿区大部分被新近系和第四系所覆盖，仅在局部有零星基岩出露。矿井主要充水水源为太原组灰岩含水层和寒武系岩溶裂隙含水层。太原组含水岩组平均厚度不足40 m，岩溶裂隙发育不均一，按其岩性组合可分为上、中、下3 段，其中上段L7灰岩含水层距二1 煤底板不足10 m，单位涌水量0.064 ～0.964 L/(s·m)，渗透系数0.017 ～5.825 m/d，为二1煤开采的直接充水含水层，对二1 煤安全生产构成一定威胁。寒武系岩溶裂隙含水层距二1 煤底板间距平均为45 m，岩溶裂隙发育极不均一，单位涌水量0.012 ～83.76 L/(s·m)，渗透系数0.033 ～3.71 m/d，为二1煤开采的间接充水含水层，正常情况下对二1煤安全生产无影响，但在构造发育地段可成为二1 煤开采的直接充水水源。二1煤顶板孔隙裂隙含水岩组单位涌水量0.000 89 ～0.1 L/s·m，渗透系数0.014 3 ～0.045 2 m/d，虽为矿井直接充水水源，但一般不会对矿井安全生产构成威胁。

2 矿井涌水水源水化学特征

常村煤矿矿井涌水量主要以二1煤顶板砂岩裂隙水、底板L7灰岩水和底板寒武系灰岩水3 部分组成，不同含水层水由于其赋存的介质类型不同、补径排条件不同、人类生产生活对其造成的影响程度不同等因素造成各自的水化学特征不同［7-8］。常村煤矿自建井以来不同时期共积累了3 个主要充水含水层的水质分析报告单24 份，在考虑各份水质分析报告单所验水样是否是单层含水层水还是多层含水层水、单层含水层水样取样过程中是否有其它水源混入和各单层含水层判层是否准确3 个因素的基础上［9］，对该24 份水质分析报告单进行了逐一甄别，最终确定了3 个主要充水含水层共13 份水质分析报告作为文中研究的水化学基础数据，详见表1 所示，表1 中矿井水为来自井底中央水仓不同含水层水的混合水样。

为了更形象地看出各水样的水化学特征差异，根据表1 中各水样的K+，Na+，Ca2+，Mg2+，，，Cl-七中常规离子含量数据采用Aquachem 软件绘制了表征各水样水质特征的Piper 三线图解，Piper 三线图解由2 个三角形和1 个菱形共同组成，其中2 个三角形分别表示阴阳离子的毫克当量百分数，左下方为阳离子，右下方为阴离子，菱形的3 个边分别两两对应表示和+Cl-以及K++Na+和Ca2++Mg2+，如图1所示。

表1 各水样水化学特征Tab.1 Water chemical characteristics of samples

图1 各水样水质特征Piper 三线图解Fig.1 Water quality characteristics of Piper diagram

结合表1 和图1 可以看出，L7灰水、寒灰水和矿井水3 种水样的水化学特征相似，水质类型均为Ca—Mg—HCO3，Piper 三线图解中显示3 种水样的阴阳离子毫克当量百分数也基本相同，在图中的分布位置几乎集中在一点。但是，顶板水由于Ca2+，Mg2+，SO2-43 种离子含量与其它3 种水样有较明显差异，特别是SO2-4离子含量明显高于其它3 种水样，致使顶板水易与其它3 种水样区分开，Piper 三线图解中也明显显示出顶板水分布位置不同于其它3 种水样。

由于矿井水是由顶板水、L7灰水和寒灰水3 个含水层水混合而成，而矿井水水化学特征与L7灰水和寒灰水相似，与顶板水却有明显差异，初步说明常村煤矿矿井涌水主要由L7灰水和寒灰水构成，顶板涌水占比较小。

图2 混合水样中阳离子含量变化曲线Fig.2 Changing curve of cation content in mixing water samples

图3 混合水样中阴离子含量变化曲线Fig.3 Changing curve of anionic content in mixing water samples

3 寒灰水和L7灰水混合效应水化学特征

由于寒灰水和L7灰水水化学特征相似，为了分析2 种水样的水质差异，选取寒灰水11 号水样和L7灰水7 号水样按照体积比从1∶9到9∶1配比进行混合［10-11］，得到2 种水样不同体积配比的9 个混合水样，然后检测其水化学常规离子含量变化情况，检测结果见表2，在此基础上绘制了9 个混合水样的阴阳离子含量变化曲线(图2，图3)。

表2 寒灰水和L7灰水混合效应水化学特征Tab.2 Water chemical characteristics of the mixing Cambrianlimestone and limestoneL7 water

1)阳离子含量变化趋势。从图2 可知，随着寒灰水混合比例的增加，Ca2+，Mg2+离子含量变化趋势不明显，K++Na+离子含量变化趋势明显，其中Ca2+离子含量从72.15 mg/L 逐渐递减至69.18 mg/L，Mg2+离子含量从20.12 逐渐递增至23.86 mg/L，而K++Na+离子含量则从11.62 mg/L 较快升至24.75 mg/L.

2)阴离子含量变化趋势。从图3 可知，随着寒灰水混合比例的增加，，Cl-离子含量变化趋势不明显，离子含量变化趋势明显，其中离子含量从297.15 mg/L 逐渐递增至300.98 mg/L，Cl-离子含量从6.37 mg/L 逐渐递增至11.79 mg/L，而离子含量则从13.16 mg/L较快升至52.39 mg/L.

4 矿井涌水量构成比例分析

根据前述分析可知，可以把K++Na+和离子视为常村煤矿顶板水、L7灰水和寒灰水3 种水样的特征离子。依据质量守恒定律，如果顶板水、L7灰水和寒灰水3 种水样在混合过程中某种离子没有因水样混合后发生的各种水化学反应而改变其形态和结构，而仍以离子的形态全部溶解于水中，那么该种离子的总含量应该为3 种水样混合之前的各自该种离子含量之和［12-14］。查阅7 种水化学常规离子的溶解度可知，K+、Na+、Ca2+、Mg2+的卤化物和硫酸盐溶解度大，较易溶解在水中，而Ca2+、Mg2+的碳酸盐溶解度小，较难溶解在水中，见表3［15］。

表3 某些盐类的溶解度(g·L -1)Tab.3 Solubility of ions in water samples

综上所述，依据顶板水、L7灰水和寒灰水3 种水样混合前后水溶液中的K++Na+和SO2-4离子含量遵守质量守恒定律，假定中央水仓中所取矿井水样中的顶板水、L7灰水和寒灰水各自占比分别为x，y，z，考虑同一含水层不同平面位置水质差异和中央水仓中的水样是由井下各个涌水点水样组成，在构建以K++Na+和SO2-4离子含量为标量、以3 种水样占比为未知数的三元一次方程时，3 种水样的K++Na+和SO2-4离子含量分别取表1 中各自水样不同平面位置的K++Na+和SO2-4离子含量的平均值，见表4.

表4 各水样特征离子含量平均值Tab.4 Average ions content of each sample

根据前述分析构建以常村煤矿矿井涌水量构成比例为未知数的三元一次方程如下

解三元一次方程式(1)得x =2%，y =74%，z=24%，表明常村煤矿顶板水、L7灰水和寒灰水各自占矿井总涌水量的比例分别为2%，74%，24%，根据常村煤矿2015 年5 月进行井下联合排水试验前实测的各含水层出水点涌水量统计资料(见表5)，可以看出，实测的井下顶板水、L7灰水和寒灰水涌水量占比与预测的各涌水量占比基本吻合。

表5 常村煤矿各涌水量实测占比与预测占比对比Tab.5 Comparison between measured and forecast values of the mine water in Changcun coal mine

5 结 论

1)常村煤矿L7灰水和寒灰水水化学特征相似程度较高，但顶板水因离子含量明显偏高易与其区分开。

2)常村煤矿寒灰水和L7灰水水样混合试验表明随着寒灰水混合比例的增加，阳离子中K++Na+离子含量变化趋势明显，阴离子中离子含量变化趋势明显。综合顶板水与L7灰水和寒灰水的水化学特征差异，可以把K++Na+和离子视为此3 种水样的特征离子。

3)根据溶解度大的K++Na+和特征离子在水样混合前后遵守质量守恒原理，通过构建并求解以矿井涌水量构成比例为未知数的三元一次方程式预测常村煤矿顶板水、L7灰水和寒灰水在矿井涌水量中的占比分别为2%，74%，24%，与实测的各涌水量占比基本吻合。

4)为求更客观真实地预测矿井涌水量构成比例，因同一含水层同一平面位置不同剖面上水质可能有差异，应尽可能多地获取各个充水含水层不同平面和不同剖面位置上的水质资料。

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