应用矿井主要含水层水质分析方法判别出水源
王永法（河南煤化鹤煤六矿，河南鹤壁458000）
摘要：通过掌握矿井各含水层充水水源及矿井水的水质特征，为矿井充水水源的正确判断，预计矿井涌水量及其动态变化，以及留设安全合理的防隔水煤岩柱提供可靠的参考，为矿井的安全生产、抗水灾救援提供了技术依据。
关键词：水质分析；矿区水文地质；水硬度中图分类号：P641．73文献标志码：B
水质分析方法是分析判断矿井涌水、突水水源的一种较为有效而又简便的技术方法，在矿井水害防治实践中有着广泛的应用。由于不同含水层及老窑地下水的形成、赋存环境一般不同，且地下水的补给、径流、排泄、储存条件也存在较大的差异，这使得不同含水层及老窑地下水化学成分也各不相同，从而形成了不同水质类型的地下水。通过分析矿井涌水里面的水化学成分，确定其水质类型，就可判定矿井涌水水源来自哪个含水层或老窑积水。该方法在实际应用中必须事先知道可能成为矿井充水水源的各含水层及老窑地下水水质类型。
1、鹤壁矿区水文地质概括
鹤壁矿区位于河南省北部鹤壁市境内，属太行山东麓煤田的一部分，矿区西依太行山，东临京广线，南北长30km，东西宽5km，面积约150km2，从南到北共有9对矿井。
矿区出露地层有：下奥陶冶里—亮甲山组白云岩；中奥陶峰峰—马家沟组泥晶、白云岩、角砾状灰岩；中石炭本溪组泥岩—砂岩；上石炭太原组含煤地层（下夹煤）；二叠系山西组含煤地层；上第三系砾岩—砂岩、泥岩、泥灰岩；第四系黄土、砾砂层。本区影响煤矿开采生产的含水岩系和含水岩组可分为第三、四系含水岩系、石炭—二叠系含水岩系和奥陶系含水岩系。其中奥陶含水岩系是本矿区最主要含水岩系，按各含水岩系富水性可分为中奥陶（O2），其次太原组薄层灰岩（L2，L8），山西组砂岩含水层（S9，S10）亦有较丰富的地下水，第三系砾岩含水层在矿区南部含水丰富，矿区北部和中部含水层富水性较弱，不构成矿井充水主要威胁。另外煤矿开采遇到的老空水已成为矿井的主要出水水源，据统计，80％的水灾水害事故是由老空水引起的，其主要特点就是突发性，因为老空水不是一种赋存于地下介质含水层的水，它就是一个小的地表水体，所以一旦采掘工程触及它，它就会以溃入的方式突然涌入到井下。这一水害隐患特点在鹤壁矿区的一些老矿井井下尤为严重。
1．1中奥陶系灰岩含水层（O2）
本层为碳酸盐沉积岩层，总厚约400m，上距二1煤平均140m，以厚层灰岩为主。其岩溶裂隙发育，富水性强，在矿区的西部山区大面积出露，接受大气降水的入渗补给，还有隐伏露头补给，部分第四系潜水补给，河流、沟渠、库区下渗补给，循环条件好，水体交替强烈，是矿区的主要含水层，构成矿井安全生产的主要威胁。在矿井开采过程中一旦揭露该层含水层，其后果将是灾难性的。灰岩的主要成分为CaCO3和MgCO3，虽难溶于水，但有CO2存在时会部分溶解，发生如下反应
CaCO3＋CO2＋H2O→2HCO3－＋Ca2＋MgCO3＋CO2＋H2O→2HCO3－＋Mg2＋
从而形成了奥灰水的HCO3—Ca—Mg型水质，水质良好，其主要水化学特征是：总硬度多在10～18°G（德国度）之间，矿化度在287～570mg／L，pH值处在7．25～8．35之间，因奥陶系灰岩围岩性质较为单一纯净，故Cl－、SO42－含量较低，属典型的华北型奥灰岩溶水，该水型易于判别。
1．2石炭系二层灰岩含水层（L2）
该层灰岩是下夹煤的直接顶板，位于二1煤下110m左右，平均厚度8m，含方解石脉，有溶洞，以溶蚀裂隙为主，自然条件下含水量在煤系地层中是较大的，是开采下夹煤的主要充水水源。L2和O2之间常因断层、封闭不良钻孔或其他因素影响，在某些地段发生一定程度的水力联系。除了在西部山区接受上覆第三系松散含水层的潜水补给和大气降雨入渗补给外，还要通过断层接受奥灰强含水层的对接补给。由于含煤地层中富含金属硫化物（FeS2），在氧化环境中生成硫酸盐：
2FeS2＋7O2＋2H2O→2FeSO4＋4H＋＋2SO42
4FeSO4＋O2＋10H2O→4Fe（OH）3＋4H2SO4
H2SO4＋CaCO3→Ca2＋＋SO42－＋CO2＋H2O
因此，增加了SO42－的含量，以高硫酸盐（290～516mg／L）构成非碳酸盐硬度为主要特征，因钙、镁的硫酸盐溶解度远大于碳酸盐溶解度，于是产生大量的Ca2＋和Mg2＋，导致较高的硬度和矿化度（810～1181mg／L）。从大量的水质分析结果来看：其总硬度一般在20～48．3°G之间，非碳酸盐硬度一般在9．5～34°G之间，水质类型多为SO4—HCO3—Ca—Mg型和HCO3—SO4—Ca—Mg型，pH值一般在7～8之间。
1．3石炭系八层灰岩含水层（L8）
该含水层位于二1煤下22～40m，均厚约5m，与二层灰岩含水层的赋存条件相似，都是薄层灰岩地下水，因其顶部是砂岩含水层而与二灰水质有差别。本身含水量有限，补给条件差，且部分矿区处于被疏干状态。典型的L8灰岩水质为HCO3—SO4—Ca—Mg型，总硬度为19～47．7°G。但受上覆第四系或上层砾岩水下渗甚至砂岩水混入影响，可能出现
HCO3—Ca—Mg型及HCO3—Na型，总硬度较低，并出现较大的负硬度。
1．4二叠系砂岩含水层（S9、S10）
二1煤顶、底板分布有二叠系的S10、S9两组含水砂岩，含有裂隙砂岩水，具有一定的水量，该层砂岩水因为处于与灰岩含水层完全不同的围岩中，补给来源有限，且地化环境条件封闭，水体交替程度很差。由于砂岩中含有大量的钠长石和钾长石，经过风化水解和离子交换作用形成大量的K＋、Na＋和HCO3－，作用式为
Na2Al2Si6O16＋3H2O＋2CO2→2Na＋＋2HCO3－＋H4Al2Si2O9＋4SiO2
Ca（HCO3）2＋2Na＋→2NaHCO3＋Ca2＋
在水中除有较高含量的HCO3－外，还出现CO32－，并使Ca2＋、Mg2＋以CaCO3和MgCO3的形式沉淀析出，再加上离子吸附作用致使Ca2＋、Mg2＋含量降低，Na＋含量得以上升，可达数百毫克每升，形成HCO3—Na型水质，并以较高的负硬度和较高的钠离子含量构成与其他各层地下水明显的水质差异，易于判别。其pH值一般都在8．3以上。由于该砂岩含水层离八灰较近，常会出现水力联系，因此其水质在部分地区演化为HCO3—Na—Ca型，甚至SO4—HCO3—Ca—Mg型水质。
1．5第三系底部砾岩含水层
该含水层在矿区北部不发育，对采煤一般不会造成威胁。但在矿区南部尤其是冷泉、八矿一带砾岩沉积稳定，厚度大，可达数百米，分布广，孔隙裂隙发育，主要由地表水及大气降水入渗形成，其受淇河入渗补给，富水性强，大部分直接覆于煤系地层之上，对矿井开采有直接的充水作用。因其与奥灰水形成过程相近且同其水质相似，多为HCO3－Ca－Mg型水质，总硬度在11．2～17．8°G之间，矿化度一般在339～557．7mg／L，pH值在7．68～8．48。但砾岩水在其入渗过程中因流经土壤带，Ca2＋与Na＋发生离子交换吸附作用，与奥灰相比Na含量较高，CO2含量略有上升，加上其接近地表易间接受污染，Cl－含量也稍高于奥灰水。
1．6老窑水
老窑积水常年处于一种封闭的环境，缺氧的一种环境，它是一种高度的还原环境，所以老窑水往往呈酸性状态，pH值都是非常低的。由于这种高度还原环境，老窑积水里面往往富含有一些硫化氢的气体，而且硫化氢气体的浓度非常高，矿化度很高。老窑水区别于其他各含水层的特点是：非常高的矿化度和SO42－含量。有些老窑水冲入之后，这种硫化氢气体由于浓度比较高，有时候也会给现场的工人造成一些窒息性的死亡或者伤害。
2水害事故经过及水质分析
2204煤柱工作面为鹤煤公司六矿中央采区布置的煤柱工作面，该工作面走向长400m，工作面长度10～30m，工作面上部为2204工作面采空区，下部为2206工作面采空区，周围新老巷道空间关系复杂，上、下采空区及老巷内预计局部有注浆积水，对采掘活动有一定的威胁性。该面于2008年4月开始回采，回采期间工作面正常涌水量1～5m3／h，上、下顺槽自掘进后一直存在顶板淋水及底板渗水现象。2008年11月10日在该工作面推进至3号出水点前5m位置处，下顺槽原底板渗水地段涌水状况严重，且出水点增多，水量增大，在长约20m的巷道段出现4个出水点，分别位于巷中顶、底板及下顺槽上帮煤壁处和下顺槽下帮紧邻采空区角处。2008年11月12日涌水量增大至32m3／h。
按照“预测预报，有疑必探，先探后掘，先治后采”的探放水原则，11月13日地测科立即下发停采通知单，加强出水点涌水量观测，同时对各个出水点进行水样收集，并及时将收集的水样送至鹤煤公司中心化验室进行水质分析化验。因作业地点客观条件限制，大型地质坑道钻机施工较为困难。
11月17日，水质分析报告结果得出，其中1号出水点水质分析如下：总硬度为37．87°G，pH值8．1，Ca2＋、Mg2＋离子浓度分别为156．31和69．30mg／L，Cl－、HCO3－和SO42－离子浓度分别为76．93、997．02和787．23mg／L。2号出水点水质分析如下：总硬度为2．83°G，负硬度32．78°G，Ca2＋、Mg2＋离子浓度分别为13．03和4．38mg／L，Cl－、HCO3－和SO42－离子浓度分别为60．27、774．92和85．98mg／L。3号出水点水质分析如下：总硬度为17．69°G，暂硬度14．66°G，负硬度无，Ca2＋、Mg2＋离子浓度分别为99．20和29．54mg／L，Cl－、HCO3－和SO42－离子浓度分别为34．03、362．44和0．10mg／L。4号出水点水质分析如下：总硬度为31．52°G，暂硬度31．52°G，pH值7．8，Ca2＋、Mg2＋离子浓度分别为135．27和58．58mg／L，Cl－、HCO3－和SO42－离子浓度分别为53．53、873．15和387．61mg／L。
由出水点水质分析结果对照矿井内不同含水层及老空水的水质类型可以清晰地得出4个出水点的水质类型，其中1号和4号出水点水质类型定性为老空水，该两处出水点水中含有非常高的矿化度和SO42－含量，是老空水的明显标志；2号出水点位于巷顶，水质类型定性为顶板砂岩水，该化验项中虽然没分析K＋、Na＋这两个标志性离子含量，但从化验结果可看出其Ca2＋、Mg2＋含量明显较小，且有较高的负硬度，故得出该判定；3号出水点水质类型定性为奥灰水，其水质总硬度在奥灰水水化学特征范围内，CO32－、SO42－为无或极小，Ca2＋、Mg2＋及HCO3－较为丰富，为典型的HCO3—Ca—Mg型水质，故判定其水质为奥灰水，其水源为煤壁静压注水（该静压水从奥灰水位观测孔抽取），系因煤壁缝隙渗漏与底板裂隙沟通而造成。该巷道段出水点虽较多，在一定时间段内涌水量有较大增加的现象，但从以上水质类型分析结果可以看出，除1号和4号出水点为同一水源外，其余均为不同的水质类型，因此可排除这些出水点之间存在水力联系的可能。由以上水质分析还可
得出，2号出水点为顶板砂岩水，其水量有限，多表现为滴淋水，因个别区域裂隙较发育，表现为小股状流水，对回采无大的威胁；而3号出水点为静压注水管里面的奥灰水，关闭煤壁注水，其出水点也自然终止，对生产无影响；对1号和4号出水点的老空水，因工作面周围皆为采空区，老空老巷多，水文条件复杂，老空水突发性、威胁性大，其水量、水压大小、赋存状况等皆尚不明晰。因此，对该两处出水点分别进行针对性的钻探验证，钻孔向采空区方向布置，孔深30m，钻探施工结束，涌水量无明显增大，因此可认为该两处出水点仅为采空区局部积水，对生产无大的威胁。通过水质化验分析及钻探验证，该出水段巷道虽出现暂时异常状况，但对生产已构不成实质性威胁，故于11月23日下发回采复工通知。随回采接近，几处出水点涌水量逐渐减小，出水水源已基本自行疏干。
3、结论
在矿井建设生产中，水质分析是一项十分重要的水文地质技术性较强的基础工作，其主要目的有三点：①查清矿井内各含水层的水质特征及季节、水文年变化规律；②掌握矿井内主要含水层及老空水出水点的水质特征及季节变化规律，正确判定各出水点的水源；③对开采过程中出现的新出水点及时进行水质分析，把①和②中的结果作为实践基础标准同③进行对比，从而判别出水水源，分析判断出水点涌水发展的趋势，为矿井防治水及安全生产提供可靠的科学依据。
作者简介：王永法（1973—），男，河南封丘人，1998年毕业于太原理工大学，河南煤化鹤煤公司六矿工程师。（收稿日期：2010－02－25）煤炭科技2010年第2期
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