趙彩鳳

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710054)

納林河礦區(qū)處于鄂爾多斯煤田中部侏羅世含煤帶南部深埋區(qū)[1]，礦區(qū)東部為榆橫礦區(qū)[2]，北部為呼吉爾特礦區(qū)[3]，周邊均為新近開(kāi)發(fā)的產(chǎn)煤區(qū)。納林河礦區(qū)水文地質(zhì)勘探程度較低，礦區(qū)內(nèi)無(wú)生產(chǎn)礦井，礦井防治水工作沒(méi)有可供借鑒的成熟經(jīng)驗(yàn)。本區(qū)侏羅系煤層埋深大(在600 m以下)，頂板含水層厚度大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、水壓大、富水性強(qiáng)且不均一，水文地質(zhì)條件比較復(fù)雜[4]。本礦區(qū)及其北部的呼吉爾特礦區(qū)母杜柴登、門(mén)克慶、葫蘆素、巴彥高勒等礦井，在建井期建均發(fā)生了突水災(zāi)害，威脅礦井安全建設(shè)。與本礦區(qū)條件相近的巴彥高勒礦井以及寧東礦區(qū)紅柳、石槽村、梅花井、麥垛山等礦井在首采工作面回采過(guò)程中均出現(xiàn)不同程度的頂板水害，最大涌水量達(dá)3 000 m3/h[5]。因此，納林河礦區(qū)煤炭開(kāi)采過(guò)程中防治水形勢(shì)比較嚴(yán)峻。另外，本礦井頂板含水層最大厚度近84 m，最高水壓力達(dá)5.6 MPa，探水孔最大單孔涌水量達(dá)136 m3/h，煤炭開(kāi)采受頂板砂巖含水層水害嚴(yán)重威脅。

煤礦突水往往難以預(yù)測(cè)，存在各種不確定性，一旦礦井發(fā)生突水，如何及時(shí)準(zhǔn)確地判斷突水成因，查找突水水源，是解決和進(jìn)一步預(yù)防突水災(zāi)害的關(guān)鍵問(wèn)題。煤礦突水與含隔水層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及地下水循環(huán)交替程度有密切關(guān)系，而水文地球化學(xué)是探查地下水成因、賦存條件、分布特征、運(yùn)移規(guī)律等的重要方法。因此，有必要開(kāi)展納林河二號(hào)礦井的水文地球化學(xué)特征研究，區(qū)分各含水層的水化學(xué)特征差異，為礦井水突水水源的準(zhǔn)確快速判別提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

納林河礦區(qū)屬于毛烏素沙漠東緣，井田地形總體趨勢(shì)是北部、南部高，中部低，在此基礎(chǔ)上又表現(xiàn)為西高東低的變化趨勢(shì)。地表被第四系風(fēng)積沙所覆蓋，多為新月形或波狀沙丘，沒(méi)有基巖出露。區(qū)內(nèi)植被稀疏，為半荒漠地區(qū)。延安組碎屑巖類孔隙裂隙承壓水含水層為含煤地層，巖性以灰白色的中、細(xì)粒長(zhǎng)石石英砂巖、泥巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖為主，垂向上與粉砂巖、泥巖及砂質(zhì)泥巖隔水層成互層狀分布。其結(jié)構(gòu)致密，裂隙極不發(fā)育，滲透性能較差，含水微弱。厚度175.02～274.82 m，平均230.29 m。研究區(qū)主要含水層包括第四系薩拉烏蘇組、白堊系志丹群(洛河組)、侏羅系中統(tǒng)安定-直羅組、侏羅系中統(tǒng)延安組。

(1)第四系薩拉烏蘇組含水層厚度54.90～103.48 m，平均85.12 m。巖性為灰綠、灰黃色粉細(xì)砂，下部夾粉土，結(jié)構(gòu)松散，水位埋深19.15～25.65 m，含水層厚度46.43～89.45 m，涌水量2.715～3.922 L/s，單位涌水量0.299 7～0.142 2 L/s·m，滲透系數(shù)0.500 1～0.188 3 m/d，富水性中等。

(2)白堊系統(tǒng)志丹群含水層厚度106.86～135.50 m，平均厚度116.73 m。主要為中、細(xì)粒砂巖，次為粗粒砂巖或含礫粗粒砂巖，地層結(jié)構(gòu)疏松，孔隙率高，給地下水形成良好的儲(chǔ)水空間，水位埋深17.65～24.02 m，含水層厚度110.54～123.76 m，涌水量1.578～4.027 L/s，單位涌水量0.152 0～0.154 7 L/s·m，滲透系數(shù)0.122 1～0.124 1 m/d，富水性中等。

(3)侏羅系安定-直羅組含水層厚度234.90～275.49 m，平均256.62 m。巖性上部安定組(J2a)為紫紅色、灰綠色中、粗粒砂巖、砂質(zhì)泥巖夾粉砂巖及細(xì)粒砂巖，為白堊系志丹群與侏羅系延安組煤層之間較穩(wěn)定的隔水層；下部直羅組(J2z)為青灰色、灰綠色中粗粒砂巖，雜色粉砂巖及砂質(zhì)泥巖，含水層厚度103.84～232.43 m，鉆孔涌水量0.177～1.638 L/S，單位涌水量0.006 23～0.120 5 L/s·m，滲透系數(shù)0.002 88～0.028 45 m/d，富水性弱～中等。

(4)侏羅系延安組巖性以灰白色的中、細(xì)粒長(zhǎng)石石英砂巖、泥巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖為主，垂向上與粉砂巖、泥巖及砂質(zhì)泥巖隔水層成互層狀分布。其結(jié)構(gòu)致密，裂隙極不發(fā)育，滲透性能較差，含水微弱。厚度175.02～274.82 m，平均230.29 m，延安組各段地下水水位高出地表，單位涌水量為0.000 437～0.018 18 L/s·m，滲透系數(shù)為0.001 494～0.030 80 m/d，富水性弱。

2 樣品采集和檢測(cè)

本研究中主要利用水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探、井下巷道掘進(jìn)、工作面頂板探放水等工程，采集的水樣主要來(lái)自地表水、第四系(Q)、白堊系志丹群(K)、安定-直羅組(J2a-J2z)、延安組(煤系砂巖水)等含水層，根據(jù)《水質(zhì)采樣 樣品的保存和管理技術(shù)規(guī)定》(HJ 493—2009)對(duì)所采集水樣做好保存，并貼好標(biāo)簽(包括取樣點(diǎn)位、取樣時(shí)間、檢測(cè)項(xiàng)目、取樣人等)。

水樣檢測(cè)指標(biāo)包括：常規(guī)組分(pH、陽(yáng)離子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe3+、Fe2+、NH4+)、陰離子(NO2-、NO3-、CO32-、HCO3-、SO42-、Cl-)、總硬度、TDS等)、環(huán)境同位素(δ18O和δD)、天然有機(jī)組分(三維熒光光譜(Three-Dimensional Excitation Emission Matrix Fluorescence Spectrum，3DEEM))。樣品經(jīng)預(yù)處理后，根據(jù)《煤礦水水質(zhì)分析的一般規(guī)定》(MT/T 894-2000)中規(guī)定的檢測(cè)方法，利用WYX-9003A原子吸收分光光度計(jì)、722N分光光度計(jì)等設(shè)備進(jìn)行常規(guī)組分檢測(cè)(檢測(cè)單位：陜西煤田地質(zhì)化驗(yàn)測(cè)試有限公司)，利用MAT 253質(zhì)譜計(jì)檢測(cè)δ18O和δD(檢測(cè)單位：中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所)，利用日立F-7000熒光分光光度計(jì)檢測(cè)三維熒光光譜(檢測(cè)單位：清華大學(xué)核能與新能源研究院)。

3 水文地球化學(xué)特征

3.1 無(wú)機(jī)水文地球化學(xué)

本礦井地表水體和各含水層水中pH為7～8.6，均為弱堿性水。地表水體、第四系薩拉烏蘇組和白堊系洛河組含水層礦化度均較低，一般為192～558.5 mg/L，屬于淡水；地表水和第四系水中陽(yáng)離子主要以Ca2+為主，濃度范圍分別為39.18～ 81.2 mg/L，陰離子以HCO3-為主，濃度范圍為148.3～238.83 mg/L；白堊系洛河組地下水中陽(yáng)離子則以Na+為主，濃度為77.6～89.7 mg/L，陰離子以SO42-為主，濃度分別為81.7～199.3 mg/L。安定-直羅組和延安組含水層，地下水中礦化度顯著增加，濃度范圍為7 280～10 928.8 mg/L，屬于咸水，個(gè)別水樣已達(dá)到鹽水濃度；陰離子以SO42-為主，濃度范圍為3 266～6 306 mg/L，其次為Cl-，濃度范圍為119.1～1 423.3 mg/L。

圖1 各含水層水化學(xué)性質(zhì)綜合Durov圖

根據(jù)Durov圖(圖1)：各類水體根據(jù)其垂向上的埋深，地表水和第四系水位于圖的左下端，反映了本地區(qū)大氣降水入滲，溶濾砂巖中鈣質(zhì)膠結(jié)物和鈣質(zhì)土壤等進(jìn)入第四系含水層地下水中，且地表水與潛水存在較強(qiáng)的水力聯(lián)系，水循環(huán)交替強(qiáng)烈，地下水運(yùn)移路徑短；白堊系洛河組水位于方形圖的中上部，表明第四系與白堊系之間沒(méi)有穩(wěn)定隔水層，可歸為一個(gè)大的含水層段，第四系水下滲進(jìn)入白堊系含水層，入滲過(guò)程中發(fā)生膏鹽溶解，Na離子解析進(jìn)入水中，導(dǎo)致水體中Na+和SO42-濃度升高；安定-直羅組和煤系砂巖水則位于方形圖的右上部，則顯著表明白堊系洛河組與下覆安定-直羅組含水層和延安組含水層存在隔水性較好的隔水層，導(dǎo)致安定-直羅組含水層地下水循環(huán)緩慢，在長(zhǎng)期的水巖作用下，Na離子解吸和巖鹽溶解導(dǎo)致地下水中Na和SO4濃度逐漸增高?？傮w上，從淺部向深部，地下水的水化學(xué)類型從HCO3-Ca型水向SO4-Na型水變化。

將地表水和各含水層水按照水樣中各成分的摩爾濃度百分比，繪制Schoeller圖(圖2)：地表水和第四系水水質(zhì)曲線趨勢(shì)基本一致，僅在某些離子元素點(diǎn)上略有差別，表明各水樣點(diǎn)的化學(xué)組分及比重較為接近，這些地下水具有相同的補(bǔ)給來(lái)源并存在混合的可能。白堊系含水層水與第四系的兩個(gè)異常點(diǎn)水質(zhì)較的曲線趨勢(shì)較接近，表明洛河組含水層水與第四系水屬于同一補(bǔ)給來(lái)源。安定-直羅組含水層水質(zhì)與延安組含水層水質(zhì)曲線趨勢(shì)基本一致，表明這兩個(gè)含水層組水也屬于同一補(bǔ)給來(lái)源，且水巖作用、水化學(xué)反應(yīng)均相同，與上部含水層則存在較大差異。

圖2 各含水層水化學(xué)性質(zhì)綜合Schoeller圖

3.2 環(huán)境同位素

從圖3中可以看出：(1)地表水體中δ18O普遍高于-8.5‰，較富集重同位素，反映地表水受到較強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用影響。(2)井下水樣中δ18O普遍低于-8.5‰，多表現(xiàn)貧重同位素，反映承壓水受到大氣降水直接補(bǔ)給或有其他貧同位素的補(bǔ)給來(lái)源；δD、δ18O值均較低(位于鄂爾多斯盆地雨水線左下邊)，為循環(huán)深度較深，在采礦以前為封閉條件較好的滯留狀態(tài)的地下水，其δD、δ18O值較低是由于有古氣候條件下形成的古溶濾-滲入水存在或混入。在雨水線下端而又偏離雨水線的高礦化度水是由于發(fā)生“氧同位素漂移”的緣故，即巖石中δ18O值較大，水巖同位素交換的結(jié)果，使水中富含18O(水中的δ18O值增大)。另外，在高溫條件下，地下水中的H216O與含氧巖石(硅酸巖和碳酸巖)中的18O發(fā)生同位素交換致使地下水中18O富集，而由于巖石中D很少，水巖反應(yīng)一般不會(huì)引起D的漂移，δD值基本保持不變。

圖3 δ18O—δD相關(guān)關(guān)系圖

3.3 有機(jī)水文地球化學(xué)

溶解性有機(jī)質(zhì)的熒光光譜分布特征因有機(jī)質(zhì)類型和濃度不同而各異，具有與水樣一一對(duì)應(yīng)的特點(diǎn)，稱為“熒光指紋”[7][8]，本研究根據(jù)蒙陜接壤區(qū)水文地質(zhì)條件、含水層分布等，開(kāi)展了煤礦區(qū)礦區(qū)地下水化學(xué)垂向分布特征研究(圖4)：(1)地表水中主要熒光峰有兩個(gè)，Ⅲ區(qū)的類富里酸熒光峰強(qiáng)度(簡(jiǎn)稱FI)為474.4～789.2 QSU，Ⅴ區(qū)的類腐植酸FI= 253.2～510.8QSU；(2)第四系水中出現(xiàn)了三個(gè)熒光峰，Ⅱ區(qū)的芳香族蛋白質(zhì)FI=345.5QSU；Ⅲ區(qū)的FI=274.2 QSU，Ⅳ區(qū)的溶解性微生物代謝產(chǎn)物FI=405.5QSU，其中Ⅳ區(qū)的熒光峰強(qiáng)度最高；(3)直羅組含水層中出現(xiàn)了兩個(gè)熒光峰，Ⅱ區(qū)的FI=129.8～555.4QSU，Ⅳ區(qū)的FI=87.07～683.6QSU，該段含水層中Ⅱ區(qū)和Ⅳ區(qū)熒光峰強(qiáng)度均較高；(4)延安組含水層中DOM熒光峰強(qiáng)度較低，主要熒光峰為Ⅱ區(qū)，F(xiàn)I=89.77～174.3QSU，個(gè)別水樣中也出現(xiàn)了Ⅰ區(qū)的芳香族蛋白質(zhì)熒光峰，F(xiàn)I= 103.2～131.5QSU。

圖4 溶解性有機(jī)質(zhì)熒光光譜圖

4 結(jié)語(yǔ)

(1)地表水和第四系中礦化度均較低，白堊系洛河組水中SO42-和Na+濃度略有增加，侏羅系含水層中礦化度則顯著增加，屬于SO4-Na型水，表明隨著地下水埋深的逐漸加大，礦化度逐漸變大，水化學(xué)類型變化規(guī)律為：HCO3-Ca·Mg→HCO3-Na→SO4-Na，符合水文地球化學(xué)演化規(guī)律。

(2)地表水體中δ18O普遍高于-8.5‰，較富集重同位素，反映地表水受到較強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用影響；井下水樣中δ18O普遍低于-8.5‰，多表現(xiàn)貧重同位素，反映承壓水受到大氣降水直接補(bǔ)給或有其他貧同位素的補(bǔ)給來(lái)源；δD、δ18O值均較低(位于鄂爾多斯盆地雨水線左下邊)，為循環(huán)深度較深，在采礦以前為封閉條件較好的滯留狀態(tài)的地下水，其δD、δ18O值較低是由于有古氣候條件下形成的古溶濾-滲入水存在或混入。

(3)地表水中DOM以類富里酸為主，第四系水中Ⅳ區(qū)的熒光峰強(qiáng)度最高，直羅組含水層中出現(xiàn)了Ⅱ區(qū)和Ⅳ區(qū)熒光峰的較高值；延安組(3-1煤頂板)含水層中熒光強(qiáng)度總體較低，主要熒光峰為Ⅱ區(qū)。

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