張禮威 張新國 張 濤

（1.山東能源集團有限公司，山東省濟南市，250014；2.山東科技大學礦業(yè)與安全工程學院，山東省青島市，266590；3.山東科技大學礦山災害預防控制教育部重點試驗室，山東省青島市，266590）

水化學示蹤試驗在邱集煤礦防治水中的應用

張禮威1張新國2，3張 濤2，3

（1.山東能源集團有限公司，山東省濟南市，250014；2.山東科技大學礦業(yè)與安全工程學院，山東省青島市，266590；3.山東科技大學礦山災害預防控制教育部重點試驗室，山東省青島市，266590）

為探查邱集煤礦四五灰含水層與徐奧灰含水層之間的水力聯(lián)系，用NaNO3和NH4HCO3作為示蹤劑通過地面徐灰觀測孔和奧灰觀測孔開展了水化學示蹤試驗。試驗結果表明，邱集煤礦井田范圍內奧灰含水層觀測孔與四五灰含水層出水點之間存在著水力聯(lián)系，但沒有形成垂向貫通裂隙；徐灰觀測孔與四五灰含水層出水點之間存在著明顯的水力聯(lián)系，同時形成垂向貫通裂隙。

含水層 水力聯(lián)系 示蹤試驗 濃度分析 邱集煤礦

1 煤礦概述

邱集煤礦是我國黃河北煤田第一對試驗型生產礦井，現(xiàn)主要開采7＃、10＃煤層。由于7＃、10＃煤層可采儲量較少，開采11＃煤層勢在必行。11＃煤層平均厚度2.02 m，直接頂為四五灰含水層，底板距徐灰含水層35.40 m，徐灰含水層距奧灰含水層7～8 m，因此11＃煤層受水害威脅比較嚴重。為解放11＃煤層，邱集煤礦在11＃煤層軌道石門布置四五灰含水層疏干工程，將軌道石門處水壓降至0.3 MPa，周圍四五灰觀測孔已處于疏干狀態(tài)。但當掘進至軌道石門506 m時，掘進頭后約3 m處出水，出水前12 h地面徐灰孔和奧灰孔不同程度出現(xiàn)水位下降，四五灰含水層出現(xiàn)水位上升，出水后井下四五灰觀測孔水壓明顯回升，四五灰疏干鉆孔出水量穩(wěn)定在1000 m3／h。水文地質條件的突變使四五灰含水層無法疏干，邱集礦不得不在11＃煤層軌道石門施工擋水墻，停止了四五灰含水層疏干工程。

為了評價11＃煤層受水害威脅程度，需查明地面奧灰觀測孔D4、徐灰觀測孔WX2與井下四五灰含水層出水點之間的水力聯(lián)系，確定觀測孔與井下四五灰含水層疏放水孔的補給關系，據(jù)此開展了水力聯(lián)系的水化學示蹤試驗。

2 水化學示蹤試驗

2.1 示蹤試驗原理

示蹤試驗是指采用與地下水化學組分背景值差異較大、穩(wěn)定并易溶性鹽類離子作為示蹤劑，通過從地面鉆孔將示蹤劑溶液注入至目標含水層并進行注水加壓，使其在地下水流作用下不斷運移和擴散，與此同時對井下各放水孔按照一定時間間隔進行采樣監(jiān)測，依示蹤劑離子濃度變化分析放水試驗過程中地下水運動規(guī)律，進而間接獲得投放點至接收點之間巖溶通道或斷層的發(fā)育規(guī)律。

2.2 示蹤劑選擇

示蹤劑的選擇是一項非常重要的工作，它往往是試驗成敗的關鍵。選擇示蹤劑必須考慮示蹤劑對地下水質沒有太大影響；容易檢出，檢測的靈敏度要高；在一定時間內穩(wěn)定，不易被巖石吸附和濾掉。目前國內所采用的示蹤劑主要有化學試劑、染料、放射性同位素等，由于本研究區(qū)水中NH4+和NO3-含量均較低，因此選用NH4HCO3和NaNO3做為本次試驗的示蹤劑。

圖1 示蹤試驗投樣點與接收點平面位置示意圖

2.3 示蹤劑投放與收集

示蹤劑投放點為奧灰觀測孔D4和徐灰觀測孔WX2，兩孔投放試劑分別為NH4HCO3和NaNO3，以NH4+和NO3-作為檢測對象。因鉆孔深度較大，為使投放的試劑達到最佳效果，采用液體投放，通過管路進行人工加壓將液體示蹤劑投放到預定層位。示蹤劑投放后，分別在井下8個出水點采集水樣，即在井下3號孔、5號孔、15號孔、55號孔、57號孔、26號孔、62號孔以及掘進頭出水點采取水樣，開始每隔1 h取1個水樣，后來根據(jù)實際情況進行適當調整。本次示蹤試驗歷時9 d，試驗從8個出水點共采集水樣1635個，示蹤試驗投樣點與接收點平面位置如圖1所示。

3 試驗結果分析

對于每班送到地面的水樣隨時分析，保證了水樣分析的準確性，根據(jù)分析結果判斷示蹤劑的濃度變化并及時調整采樣的時間間隔。測試使用的儀器是德國Photo Lab Spektral多功能水質分析儀。

3.1 示蹤劑濃度分析

經過對近800個水樣中的NH4+和NO3-濃度測定，獲取了NH4+示蹤劑在井下6個放水孔以及NO3-示蹤劑在井下4個放水孔的時間—濃度曲線。NH4+最快接收時間為11～24 h，接收孔為26號孔、57號孔、掘進頭、5號孔、62號孔；NO3-最快接收時間為21～85 h，接收孔為5號孔、52號孔、掘進頭、26號孔。NH4+濃度隨時間變化如圖2所示，NO3-濃度隨時間變化如圖3所示。

由圖2（a）可知，5號孔NH4+背景值約為0.4 mg／L，在開始一段時間內濃度波動較大，接收到NH4+時間為NH4HCO3示蹤劑投放后22 h，濃度為0.5 mg／L，隨后在示蹤劑投放53 h和95 h出現(xiàn)2個主要濃度峰值，濃度為別達到0.61 mg／L和0.59 mg／L。

由圖2（b）可知，掘進頭出水點的NH4+變化規(guī)律與5號孔相似，示蹤劑投放后29 h開始接收到NH4+，濃度為0.28 mg／L，在示蹤劑投放21 h、53 h和75 h出現(xiàn)3個主要濃度峰值，濃度分別達到0.42 mg／L、0.40 mg／L和0.41 mg／L。

由圖2（c）可知，62號孔NH4+背景值較低，在0.1 mg／L以下，示蹤劑投放24 h后開始接收到NH4+，濃度為0.12 mg／L，隨后經過了5次主要峰值變化，濃度從0.15 mg／L到0.36 mg／L不等。

由圖2（d）可知，26號孔在示蹤劑投放11 h后濃度開始變化，濃度為0.27 mg／L，隨后經過了多次主要峰值變化，其中53 h和111 h處濃度均達到最大值0.46 mg／g。

由圖2（e）可知，57號孔在示蹤劑投放13 h后接收到NH4+，濃度為0.27 mg／L，隨后在53 h處濃度均達到最大值0.39 mg／L。

由圖2（f）可知，3號孔在示蹤劑投放21 h后接收到NH4+，濃度為0.33 mg／L，隨后在32 h時和95 h出現(xiàn)2個主要濃度峰值，濃度分別達到0.43 mg／L和0.41 mg／L。

圖2 放水孔NH 4+濃度隨時間變化過程曲線

由圖3（a）可知，5號孔在示蹤劑投放后21 h開始檢測到NO3-濃度變化，濃度為0.02 mg／L，隨后在35 h后達到峰值，濃度為0.7 mg／L。

由圖3（b）可知，掘進頭在示蹤劑投放后的前29 h內均小于0.06 mg／L，在53 h時達到最大值1.1 mg／L。

由圖3（c）可知，62號孔初始NO3-濃度在0.06 mg／L內，24 h后開始接收到投放的示蹤離子，在隨后的36 h濃度達到最大為0.47 mg／L。

由圖3（d）可知，26號孔到示蹤劑投放85 h后才檢測到濃度變化，在157 h時達到峰值0.7 mg／L。

3.2 地下水流速估算

示蹤劑在孔隙中和裂隙中的運動以彌散方式進行，當?shù)叵滤疄殪o止時示蹤劑投入后向注入孔四周成放射狀擴散，由于地下結構不同，它的擴散速度是不均勻的。當?shù)叵滤匾欢ǖ耐ǖ阑蚩紫?、裂隙呈顯著運動時，示蹤劑就在水的運動方向上以機械彌散為主，這時示蹤劑的彌散速度要比它在靜止水中的彌散速度快得多。根據(jù)示蹤劑在水中的遷移時間及遷移路徑即可計算出地下水的實際流速。以投樣點到接收點的平面距離作為示蹤劑運移距離，根據(jù)示蹤劑的運移時間可得到示蹤劑的流速，計算地下水從投樣孔到取樣點的等效流速。

經計算，奧灰觀測孔D4投樣的NH4+示蹤劑，到達5號孔的速度約為89.7 m／h，到達掘進頭孔的速度約為114.3 m／h，到達62號孔的速度約為94.3 m／h，到達26號孔的速度約為71.5 m／h，到達57號孔的速度約為61.7 m／h。

徐灰觀測孔 WX2投樣的NO3-示蹤劑，到達5號孔的速度約為57.6 m／h，到達掘進頭孔的速度約為19.8 m／h，到達62號孔的速度約為36.4 m／h，到達26號孔的速度約為8.6 m／h。

圖3 放水孔NO3-濃度隨時間變化過程曲線

4 結論

（1）地面奧灰觀測孔D4與出水點之間存在著水力聯(lián)系，NH4+出現(xiàn)的峰值與背景值相比，顯示度不高并且有多點峰值出現(xiàn)，掘進頭出水點不存在大的流速優(yōu)勢，D4鉆孔及其附近沒有形成垂向貫穿的導水通道。

（2）在徐灰觀測孔 WX2投放的NO3-在出水點檢測中表現(xiàn)出明顯的峰值，初次檢測到時間、峰值點和濃度衰減都很明顯，井下徐灰觀測孔和四五灰觀測孔到達濃度峰值的時間接近，反映出該觀測孔和井下出水孔之間存在著明顯的水力聯(lián)系，由于底部含水層經過較長時間的礦井排水已經形成連通通道，地下水的實際流速較大。

（3）11＃煤層開采既受頂部四五灰含水層水的威脅，又受底部徐奧灰含水層水的威脅，11＃煤層在掘進過程中存在突水危險，應加大對11＃煤層賦存區(qū)域水文地質條件的勘測研究，在此基礎上制定防治水方案以保證11＃煤層安全生產。

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Application of water chemical tracer test in water prevention in Qiuji Coal Mine

Zhang Liwei1，Zhang Xinguo2，3，Zhang Tao2，3
（1.Shandong Energy Group Co.，Ltd.，Ji'nan，Shandong 250014，China；2.College of Natural Resources and Environmental Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao，Shandong 266590，China；3.Key Laboratory of Mine Disaster Prevention and Control of Ministry of Education，Shandong University of Science and Technology，Qingdao，Shandong 266590，China）

In order to explore hydraulic relationship between limestone aquifer of No.4 limp and No.5 limp and that of Xujiazhuang limestone and Ordovician limestone，NH4CO3and Na NO3as the tracer through has been put in the observation borehole of Xujiangzhuang limestone and Ordovician limestone in the ground，then hydrochemical tracer test has been developed.The results show that the observation borehole of Ordovician limestone has kept a hydraulic relationship with observation borehole of limestone aquifer of No.4 limp and No.5 limp，but vertical penetrating cracks have not been formed；the observation borehole of Xu limestone has kept a obviously hydraulic relationship with limestone aquifer of No.4 limp and No.5 limp，and vertical penetrating cracks have been formed.

aquifer，hydraulic connection，tracer test，analysis on concentration，Qiuji Coal Mine

TD745.2

A

張禮威 （1984-），男，山東菏澤人，工程師，2006年畢業(yè)于山東科技大學采礦工程專業(yè)，現(xiàn)在山東能源集團從事技術管理工作。

（責任編輯 張艷華）