基于水化学和氢氧同位素的矿井水来源识别

基于水化学和氢氧同位素的矿井水来源识别

0矿井水水源识别中国的矿坑灾害类型复杂多样。随着深部矿山开采强度的增加和开采重心的西移，新类型的矿坑灾害层出不穷。榆神矿区是我国现代化煤矿的聚集区和高强度开采区，受开采覆岩结构破坏影响，煤层顶板含水层中赋存的地下水通过采动导水裂隙进入井下形成矿井水，导致井下涌水量升高、含水层地下水位下降，并有诱发其他地质灾害的可能(目前，矿井水水源判识通常采用水化学分析法，并结合必要的水位、水温等观测数据。由于采动导水裂隙可能揭穿若干充水含水层，导致煤层顶板出水的水文地球化学特征包含着丰富的水源信息，因此经常采用水化学无机离子(针对榆神矿区，1研究领域的总结榆神矿区位于陕北侏罗纪煤田中东部，矿区面积约5161.68km2矿井水害防治技术研究在数据来源方面，为分析榆神矿区主要充水含水层地下水的水文地球化学特征，收集并整理了研究区多个煤矿在建井、补勘和疏放水期间的水质资料。课题组于2019年11月在研究区的浅埋(QM1、QM2和QM3)、中深埋(ZSM1、ZSM2和ZSM3)和深埋(SM1、SM2和SM3)等9个煤矿进行了矿井水的系统采样，并在陕西省煤矿水害防治技术重点实验室进行测试。水样的检测指标包括:阳离子(K3结果分析3.1含水层地下水水化学成分的聚类分析将收集的50余个研究区主要充水含水层水样的水化学资料进行统计分析，并绘制Piper三线图(图2)。研究区第四系松散含水层地下水的主要离子为HCO同时运用层次聚类分析法(HCA)来计算不同含水层地下水水化学成分之间的相似性，其树状图如图3所示。由树状图可知，采用层次聚类分析可将充水含水层地下水(A01-A03为松散层水、Q01-Q07为浅埋煤矿基岩水、Z01-Z06为中深埋煤矿基岩水、S01-S06为深埋煤矿基岩水)划分为3类，其中第Ⅰ类为松散层地下水和浅部基岩地下水，第Ⅱ类为中深部和部分浅部基岩地下水，第Ⅲ类全部为深部基岩地下水，不同类型地下水表现出不同的Stiff图像特征(图3)。由此可以看出，基于Piper三线图的地下水水化学类型划分和基于层次聚类分析的相似性分析，其分类结果完全一致。3.2地下水水化学成分的控制Gibbs根据世界地表水体的TDS与Na3.3地下水氢氧同位素含量的线性关系不同含水层地下水中的氢氧稳定同位素具有不同的含量，具有相同补给来源的地下水氢氧同位素含量往往具有相似的线性关系(由图5可知，研究区地下水样全部落在当地大气降水线附近，说明研究区地下水均来自大气降水补给(3.4深埋矿井矿井水分别将采集矿井水样品的水化学和同位素数据进行分析(表1)。图6为不同煤矿矿井水样品的矿化度特征，深埋煤矿矿井水矿化度为1824～3684mg·L矿井水的Piper三线图如图7a所示，不同的矿井水样品位于Piper三线图的不同区域。其中:浅埋煤矿矿井水位于Piper三线图的Ⅰ区和Ⅱ区，水化学类型为HCO研究区不同煤矿矿井水的δD与δ3.5矿井水水源组成研究区不同煤矿的含隔水层组合特征及导水裂隙带发育层位如图9所示，浅埋煤矿导水裂隙带直接波及第四系松散含水层或导水裂隙带最大发育高度与第四系松散含水层下界面距离较小;中深埋煤矿导水裂隙带一般发育至侏罗系砂岩含水层，但是由于该区主采煤层厚度普遍较大，部分煤矿的煤厚达12m，一次采全高条件下导水裂隙有波及第四系松散含水层的可能性;深埋煤矿主采煤层厚度一般小于5m，导水裂隙带发育至侏罗系砂岩含水层，矿井直接充水水源主要为侏罗系地下水，但由于部分区域隔水层缺失，导水裂隙有波及白垩系洛河组含水层的可能性。目前，依据导水裂隙带的发育高度可以直接判断矿井水的充水水源，但仍存在依据经验公式估算导水裂隙带发育高度其数值偏小的现象;同时，由于矿井涌水和大规模的疏放水，煤层顶板直接充水含水层水位下降幅度大，由此导致该含水层地下水与其他上覆含水层地下水间的水力坡度增大，继而造成不同含水层之间出现地下水的越流现象。因此，在生产实践中会出现导水裂隙带没有沟通含水层，但含水层地下水位出现下降的现象(在矿井水来源的定性分析方面，依据3.4小节中矿井水与各充水含水层的水化学和同位素的数值特征分析，可以直接判断出深埋和中深埋煤矿的矿井水基本来自侏罗系砂岩含水层，浅埋煤矿QM2和QM3矿井水水化学特征和第四系松散层地下水和浅埋侏罗系砂岩地下水较为类似，考虑为两者的混合水。对于QM1矿井，该矿实测导水裂隙带尚未沟通第四系含水层，依据水化学数据判断其矿井水主要来自基岩含水层，依据同位素数据判断其矿井水有来自松散含水层的可能性，该矿第四系含水层水文观测孔地下水位出现下降印证了矿井水中含有一定比例的松散含水层地下水。稳定同位素质量平衡为定量计算矿井水的来源提供可能，本文定义第四系和白垩系地下水为浅层地下水，侏罗系地下水为深层地下水。相比氧同位素，研究区不同含水层地下水的氢同位素差异更为明显(其中:X为浅层地下水的混合比例(%);δsample为矿井水δD值(‰);δA为浅层地下水δD值(%);δB为深层地下水δD值(%)。研究区不同煤矿矿井水的水源组成特征如表2所示。深埋煤矿由于煤层埋深大，煤层距离浅部含水层较远，开采对浅层地下水的扰动较小，浅层地下水占矿井涌水的比例约为10%;中深埋煤矿煤层厚度普遍较大，但采用了分层开采的保水开采工艺，对浅层地下水的扰动同样较小，浅层地下水占比仍约为10%，但需要关注该区域大规模开采和一次采全高条件下矿井水水化学和同位素的实时变化特征;浅埋煤矿煤层埋深小，开采过程中第四系松散含水层地下水大量渗漏进入井下采空区，浅层地下水占比约为46%。4矿井地下水排放特征(1)基于三图法将研究区煤层上覆主要充水含水层的地下水划分为3大类，其水化学类型分别为HCO(2)随着煤层埋深的增大，矿井水矿化度呈显著增大趋势。深埋煤矿矿井水水化学类型以SO(3)在查清矿区