注漿工程擾動下煤系砂巖含水層水巖作用機理——以桃園煤礦為例

郭 艷，桂和榮，魏久傳，倪建明，成榮發(fā)，龐迎春，張 治，洪 荒，胡滿聰，崔亞利，梁 展，李 俊，陳家玉，李 晨

注漿工程擾動下煤系砂巖含水層水巖作用機理——以桃園煤礦為例

郭 艷1,2，桂和榮1，魏久傳2，倪建明3，成榮發(fā)3，龐迎春3，張 治3，洪 荒4，胡滿聰3，崔亞利4，梁 展4，李 俊5，陳家玉6，李 晨6

(1. 宿州學(xué)院 資源與土木工程學(xué)院，國家煤礦水害防治工程技術(shù)研究中心，安徽 宿州 234000；2. 山東科技大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590；3. 淮北礦業(yè)股份有限公司，安徽 淮北 235000；4. 安徽恒源煤電股份有限公司煤礦，安徽 宿州 234000；5. 合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230000；6. 安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232000)

煤系砂巖裂隙水是煤礦重要的充水水源之一，以淮北煤田桃園煤礦二疊紀煤系為研究對象，在分析該礦水害注漿治理以來煤系水水化學(xué)特征的基礎(chǔ)上，闡明了地下水水文地球化學(xué)作用機理及其控制因素。結(jié)果表明：注漿治理期間，煤系水中主要陽離子為Na+，主要陰離子為SO2– 4；陽離子質(zhì)量濃度由大到小為Na+、Ca2+、Mg2+，陰離子質(zhì)量濃度由大到小為SO2– 4、HCO– 3、Cl–；通過Durov水化學(xué)圖分析，注漿治理期間煤系水化學(xué)類型以Na-SO4和Na-HCO3為主；煤系水中存在黃鐵礦氧化或碳酸鹽、硫酸鹽溶解作用，并伴隨著一定程度的陽離子交換作用與脫硫酸作用，特別是在注漿治理工程實施期間，陽離子交換作用增強；大型突水、注漿治理防治水工程、地質(zhì)構(gòu)造背景及采礦活動等均不同程度地影響了煤系水水巖作用，且隨注漿治理范圍增大，影響程度增大。該研究成果對于煤礦涌(突)水水源識別及水害防治具有重要意義，為類似條件下的其他煤礦(區(qū))在突水或注漿治理擾動下的地下水水文地球化學(xué)研究及應(yīng)用提供參考。

煤系水；水化學(xué)類型；水化學(xué)演化；水巖作用與控制因素；淮北桃園煤礦

我國東部煤系賦存區(qū)地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，是世界上煤礦水害最為嚴重的區(qū)域之一。隨著淺部易采煤炭資源逐漸枯竭，深部煤炭資源的開發(fā)強度逐漸增大，面臨的水害問題也愈加嚴重，礦井突水事故時有發(fā)生，突水機理和突水類型復(fù)雜多變[1]。我國華北型煤田80%的煤礦受石炭系和奧陶系巖溶水的影響[2]。位于華北聚煤區(qū)南緣的淮北煤田，是我國受水害威脅最為嚴重的大水礦區(qū)之一，水害類型復(fù)雜，水害事故頻發(fā)，特別是二疊紀煤系基底的巖溶水危害更加嚴重，安全開采形勢嚴峻[3-4]。在淮北煤田二疊紀煤系底板賦存一套碳酸鹽巖含水層，由石炭紀太原組灰?guī)r(簡稱太灰)和奧陶紀灰?guī)r(簡稱奧灰)組成(二者統(tǒng)稱為底板灰?guī)r)。該底板灰?guī)r富水性強，水壓高，一旦突出，來勢兇猛，突水量大，可在很短的時間內(nèi)造成淹井事故。事故后一般通過注漿工程治理水害[5]。針對煤礦生產(chǎn)所面臨的日益嚴重的底板巖溶水威脅，淮北煤田目前多采用地面定向鉆高壓注漿技術(shù)，對太原群上組第三薄層灰?guī)r(簡稱三灰)進行區(qū)域性注漿改造，在增加底板隔水層厚度和強度的同時，對穿過三灰?guī)r溶裂隙及導(dǎo)水通道進行有效封堵[6-7]。

目前，關(guān)于淮北煤田地下水化學(xué)場的研究主要集中于同位素地球化學(xué)特征、原始含水層的水化學(xué)特征等[8-12]，對于注漿治理工程擾動下含水層的水文地球化學(xué)特征及其成因機理研究較少。煤系砂巖含水層水(簡稱煤系水)是淮北煤田煤炭開采的直接充水水源，是礦井水的重要組成部分。由于大范圍注漿治理防治水工程的擾動，與礦井生產(chǎn)關(guān)系密切的煤系水水化學(xué)場會發(fā)生變化。筆者以桃園煤礦二疊紀煤系砂巖裂隙水為研究對象，通過系統(tǒng)取樣與測試，基于主成分分析法，對注漿治理以來煤系水水巖作用機理及其控制因素開展了研究。該研究成果有助于井下涌(突)水水源識別，同時也為煤礦防治水提供科學(xué)依據(jù)，為類似條件下的其他煤礦(區(qū))在突水或注漿治理防治水工程擾動下的地下水水文地球化學(xué)研究及應(yīng)用提供參考。

1 研究背景與方法

1.1 地質(zhì)與水文地質(zhì)背景

桃園煤礦地處淮北平原中部，區(qū)內(nèi)地勢平坦，無大的河流。井田位于淮北煤田宿南向斜西翼北端(圖1a)。含煤地層為二疊系石千峰組，上、下石盒子組和山西組，基底為石炭系太原組及奧陶系石灰?guī)r，煤系為巨厚新生界松散層所覆蓋。井田被F2斷層切割分成南、北兩塊。F2斷層以北，地層走向NNW，F(xiàn)2斷層造成煤系與奧灰對接，構(gòu)造較為復(fù)雜；F2斷層以南，地層相對平緩，走向NNE，整體上為一向東傾斜的單斜構(gòu)造。

2013年桃園煤礦南部發(fā)生“2·3”突水，最大突水量達29 000 m3/h，為煤系水、太灰水、奧灰水甚至松散層底板四含(第四含水層)水的混合?！?·3”突水后，在礦井南部實施堵源截流注漿治理工程，并快速排水，礦井恢復(fù)生產(chǎn)。2014年底至2019年底，桃園煤礦完成了礦井中部的Ⅱ2、Ⅱ4等多個采區(qū)的底板巖溶含水層區(qū)域注漿治理(圖1)。連通試驗表明，區(qū)域注漿治理工程不僅改變了受注灰?guī)r含水層的水化學(xué)場格局，同時對煤系水的水化學(xué)特征也造成一定影響，究其原因，主要是貫穿于煤系與底板灰?guī)r層的構(gòu)造裂隙所致。

1.2 取樣與測試

自注漿治理工程實施以來，陸續(xù)對礦井灰?guī)r放水孔及采掘出水點進行取樣(圖1)，共采集樣品39個，其中堵源截流注漿治理后(2013—2014年)樣品19個，取樣地點主要分布于礦井北部和中部；底板三灰注漿治理期間(2015—2019年)樣品20個，取樣地點分布于礦井北部、中部和南部。

地下水pH值利用便攜式儀器測試；Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl–及SO2– 4含量通過離子色譜儀(ICS- 600-900)進行測試；HCO– 3含量通過酸堿滴定法測定；TDS通過將各種常規(guī)組分含量累加，減去HCO– 3含量的1/2求得。

圖1 淮北煤田桃園煤礦簡易構(gòu)造、采樣點及地面定向鉆剖面設(shè)計

2 結(jié)果與討論

2.1 水中常規(guī)組分

統(tǒng)計分析了水樣的pH值、TDS值及Na+、K+、Ca2+、Mg2+、SO2– 4、Cl–、HCO– 3的質(zhì)量濃度(圖2)。因為地下水中K+的含量比Na+少得多，且兩者性質(zhì)相近，此處將K+歸并到Na+中，不另區(qū)分[13]。

可以看出，SO2– 4和Na+是煤系水中主要的陰陽離子，陽離子質(zhì)量濃度由大到小為Na+、Ca2+、Mg2+，陰離子質(zhì)量濃度由大到小為SO2– 4、HCO– 3、Cl–。Na+與HCO– 3的平均含量相近。TDS整體呈減小趨勢，隨注漿治理范圍增大，其波動減弱，逐漸趨于穩(wěn)定。pH值呈逐漸增大趨勢，主要由于水泥漿液堿度較高，漿液析出水通過構(gòu)造裂隙滲入煤系水中，使其pH值增大。

將井田不同區(qū)域數(shù)據(jù)整理并取均值，如圖3所示，其中Ⅱ2和Ⅱ4采區(qū)位于礦井中部(圖1b)。可知，多數(shù)離子在距離排泄區(qū)較近的北部和Ⅱ4采區(qū)濃度較大。煤系水在礦井的南部和北部接受補給，向礦井中北部徑流排泄。離子濃度分布特征與其補徑排路徑表現(xiàn)出一定的規(guī)律性，即沿徑流方向(圖1b，灰色箭頭)，離子濃度逐漸增大。TDS也表現(xiàn)出相同的規(guī)律，北部和中部Ⅱ4采區(qū)TDS值最大，南部最小。Na+與HCO– 3在礦井中部濃度值較大，其余離子在礦井北部濃度最大。HCO– 3與SO2– 4區(qū)域分布特點基本相反，即礦井南部煤系水中HCO– 3高于北部，而北部SO2– 4高于南部。中部及南部pH值多大于北部，主要因為該區(qū)多為注漿治理區(qū)域，注漿漿液析出水pH值較大。

圖2 常規(guī)參數(shù)隨時間的動態(tài)變化

圖3 不同區(qū)域常規(guī)參數(shù)平均值

2.2 水化學(xué)類型

Durov圖[14-16]是揭示水體化學(xué)特征及其演化過程的方法之一，是在Piper三線圖[17-18]的基礎(chǔ)上進一步改進提出的，為進一步了解桃園煤礦煤系水化學(xué)類型，利用Aqqachem1.5軟件繪制水化學(xué)圖(圖4)。

由圖4可以看出，突水前煤系水化學(xué)類型包括Ca-SO4、Na-HCO3、Na-Cl和Na-SO4型，且以Ca-SO4型為主，其中，礦井北部和中部主要為Ca-SO4和Na-SO4型水；南部為Na-HCO3和Na-Cl型。注漿治理工程擾動下，煤系水化學(xué)類型包括Na-SO4、Na-HCO3、Mg-SO4和Na-Cl，并以Na-SO4和Na-HCO3為主。南部主要為Na-HCO3型水，中部以Na-SO4和Na-HCO3型為主，其余類型的水樣主要分布在礦井北部，水質(zhì)類型較為復(fù)雜，以Na-SO4和Mg-SO4型為主。該圖顯示pH值較大的樣品多分布于礦井中部和南部，礦井北部多數(shù)樣品pH值偏小。北部多數(shù)樣品TDS值較大，南部樣品較小，該結(jié)果與前述分析基本一致。

圖4 淮北煤田桃園煤礦水化學(xué)Durov圖

煤系水中硫酸鹽占主要成分，主要與煤層中較多的黃鐵礦有關(guān)，成為控制煤系水化學(xué)特征的最重要因素[12,19]。注漿治理期間煤系水以Na-SO4、Na-HCO3和Mg-SO4型為主，部分深部水樣品(如太灰水、奧灰水)的水質(zhì)特征增強。主要由于“2·3”突水使煤系水、太灰水、奧灰水等混合，并加速水的流動，使煤系水水質(zhì)受到影響。鈉鹽占比較大，則說明在注漿治理情況下漿液析出水對煤系水的影響，且影響主要體現(xiàn)在Na+、K+及酸堿度方面。

2.3 水巖作用機理

水巖作用即地下水與巖石的相互作用。本次基于主成分分析法獲得地下水中水化學(xué)主成分及其荷載得分分布規(guī)律，進而通過水巖作用關(guān)鍵因素及其相互影響來研究水巖作用機理。

2.3.1 主成分分析法

2.3.2水巖作用

通過Na+，Ca2+，Mg2+，C1–，SO2– 4，HCO– 3，CO2– 3相關(guān)性分析，可知大多數(shù)指標變量相關(guān)性在0.3之上，則主成分分析法適用于此研究[22]。本文中主要利用主成分分析法查明離子來源，揭示注漿工程擾動下煤系水水巖作用機理。

為更好地分析煤系水化學(xué)信息，這里引入“2·3”突水前(2011—2012年)煤系水水化學(xué)數(shù)據(jù)8個。經(jīng)主成分分析，桃園煤礦煤系水主成分1與主成分2方差貢獻率分別為53.4%與16.6%，累計方差貢獻率為70%，占據(jù)了大部分原始水化學(xué)數(shù)據(jù)的方差貢獻，基本涵蓋了煤系水水化學(xué)信息，可用于解釋水化學(xué)成分的形成作用。圖5為采用方差最大旋轉(zhuǎn)法得到的各分析變量在主成分1與主成分2上的荷載值分布圖。由圖5可知，主成分1上Ca2+、Mg2+、SO2– 4、Cl–有較高的正荷載值，根據(jù)礦井煤質(zhì)資料，煤系地層中黃鐵礦較多，特別是采礦活動或構(gòu)造裂隙使含水層由封閉變得相對開啟，以致黃鐵礦氧化產(chǎn)生H+、SO2– 4、Fe2+，地下水呈弱酸性。當(dāng)?shù)叵聨r層有碳酸鹽或硫酸鹽存在時，這類酸性地下水會加速碳酸鹽或硫酸鹽的溶解，導(dǎo)致Ca2+、Mg2+、SO2– 4荷載值較高，因此，主成分1可用于表示黃鐵礦氧化與碳酸鹽、硫酸鹽溶解作用。主成分2上Na+載荷值較高，CO2– 3與HCO– 3載荷值或小于0.5，且相差不大。Na+荷載值高是由于含Ca2+、Mg2+的地下水在流經(jīng)吸附有 Na+的巖石顆粒時發(fā)生交替吸附作用所致；關(guān)于CO2– 3與HCO– 3，由于堿性較大的漿液析出水的滲入使部分煤系水樣品pH值增大，pH值低于9時，以HCO– 3為主；pH值高于9后，以CO2– 3為主[23]，此時CO2– 3主要有HCO– 3轉(zhuǎn)化而來，同時反映出注漿的影響作用。HCO– 3荷載高是由于在封閉條件下氧氣耗盡，SO2– 4在脫硫酸菌作用下產(chǎn)生還原作用所致，所以主成分2可用于表示陽離子交替吸附作用，或輔以脫硫酸作用[12]。

圖5 煤系水分析變量在F1–F2上的荷載值分布

將煤系水樣的Na+，Ca2+，Mg2+，C1–，SO2– 4，HCO– 3，CO2– 3作為分析變量值分別代入主成分表達式：

可得桃園煤礦煤系水主成分1–2荷載得分散點圖(圖 6)。

圖6 煤系水主成分荷載得分散點圖

圖6中煤系水樣主要分布在第二象限和第四象限，說明煤系水存在黃鐵礦氧化或碳酸鹽、硫酸鹽溶解作用，并存在一定程度的陽離子交替吸附或脫硫酸作用。其中，突水前多數(shù)水樣分布在第四象限，說明該階段煤系水中存在相對顯著的黃鐵礦氧化或碳酸鹽、硫酸鹽溶解作用。注漿治理期間煤系水樣在第二象限和第四象限幾乎均等分布，說明注漿治理期間，黃鐵礦氧化或碳酸鹽、硫酸鹽溶解作用與陽離子交替吸附或脫硫酸作用均有存在。對比突水前與注漿治理期間數(shù)據(jù)，后者受注漿的影響，煤系水樣明顯左移，說明煤系水中黃鐵礦氧化或碳酸鹽、硫酸鹽溶解作用減弱，陽離子交替吸附或脫硫酸作用增強[12]。

2.3.3 控制因素分析

圖7 突水前煤系水主成分荷載得分、等值線

圖8 注漿治理期間煤系水主成分荷載得分、等值線

突水前，在井田北部、中部和南部均有采掘活動；注漿治理期間，采掘活動則主要分布于礦井中部和南部。對桃園井田影響較大的構(gòu)造有區(qū)域性南坪斷層、邊界斷層F1和中間斷層F2等，特別是F2斷層，將礦井分為南、北兩部分，使北部煤系下陷，直接與奧灰對接，構(gòu)造復(fù)雜。由此推測可知，突水前煤系水水化學(xué)作用主要受采掘活動和構(gòu)造的影響，采礦活動或構(gòu)造裂隙使含水層由封閉變得相對開啟，使與F2斷層相接的礦井中部和北部在突水前多以黃鐵礦的氧化或硫酸鹽、碳酸鹽的溶解作用為主，陽離子交替吸附或脫硫酸作用較弱。

突水前煤系水水化學(xué)類型以Mg-SO4為主，在突水注漿治理后則以Na-SO4和Na-HCO3為主。首先，“2·3”突水導(dǎo)致奧灰水、太灰水、煤系水甚至松散層底板四含水的混合，煤系水水質(zhì)類型變得復(fù)雜。其次，突水治理期間，礦井南部陽離子交替吸附作用增強，煤系水以Na+為主；同時由于較充分的地下水補給徑流，陽離子交替吸附作用由礦井南部往中部延伸至排泄區(qū)，則Na-HCO3成為中部和南部主要水化學(xué)類型之一。礦井北部由于復(fù)雜的構(gòu)造背景、采掘活動、“2·3”突水等綜合影響，水質(zhì)類型較為復(fù)雜，主要為Na-SO4、Mg-SO4和Na-Cl。

3 結(jié)論

a.煤系水中主要的陰陽離子分別是SO2– 4和Na+，陽離子質(zhì)量濃度由大到小為Na+、Ca2+、Mg2+；陰離子質(zhì)量濃度由大到小為SO2– 4、HCO– 3、Cl–。通過Durov水化學(xué)圖可知，注漿治理期間煤系水水化學(xué)類型以Na-SO4和Na-HCO3為主。

b.煤系水存在黃鐵礦氧化或碳酸鹽、硫酸鹽溶解作用，并伴隨著一定程度的陽離子交替吸附及脫硫酸作用，且在注漿治理期間，堿性較大的水泥漿液析出水混入煤系水陽離子交換作用增強。結(jié)合煤系水主成分荷載得分和水質(zhì)類型的空間分布特征可知，地質(zhì)構(gòu)造背景、采礦活動、“2·3”突水、注漿治理工程均不同程度地影響了煤系水水巖作用及水質(zhì)空間分布，且注漿治理工程的擾動較為明顯。

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Mechanism of water rock interaction in coal measure sandstone aquifer disturbed by grouting engineering: A case study of Taoyuan Coal Mine

GUO Yan1,2, GUI Herong1, WEI Jiuchuan2, NI Jianming3, CHENG Rongfa3, PANG Yingchun3, ZHANG Zhi3, HONG Huang4, HU Mancong3, CUI Yali4, LIANG Zhan4, LI Jun5, CHEN Jiayu6, LI Chen6

(1. National Engineering Research Center of Coal Mine Water Hazard Controlling, School of Resources and Civil Engineering, Suzhou University, Suzhou 234000, China; 2. College of Earth Science and Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China; 3. Huaibei Mining Co. Ltd., Huaibei 235000, China; 4. Coalmine of Anhui Hengyuan Coal-Electricity Group Co. Ltd., Suzhou 234000, China; 5. School of Resources and Environmental Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230000, China; 6. School of Earth and Environment, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232000, China)

Coal measure sandstone fissure water is one of the important water filling sources in coal mine. This paper takes the Permian coal measures in Taoyuan Coal Mine of Huaibei Coalfield as the research object. Based on the analysis of the water chemical characteristics of coal measures since the grouting treatment of water disaster in the mine, the mechanism of hydrogeochemical action of groundwater and its controlling factors were expounded. The results show that during the grouting treatment project, the main cation in coal measures water was Na+, and the main anion was SO2– 4; the relationship of cation mass concentration was Na+>Ca2+>Mg2+, and the correlation of anion mass concentration was SO2– 4>HCO– 3>Cl–. Through the analysis of Durov hydrochemical diagram, the main hydrochemical types of coal measures during grouting treatment were Na-SO4and Na-HCO3. There were oxidation of pyrite or dissolution of carbonate and sulfate in coal measures water, accompanied by a certain degree of cation alternate adsorption and desulfurization, especially during the implementation of grouting treatment project, the cation alternating adsorption was enhanced. Large scale water inrush, water prevention and control engineering by grouting, geological structure background and mining activities all affected the water-rock interaction of coal measures water in varying degrees, and the influence degree increased with the increase of grouting treatment scope.

coal measure water; hydrochemical type; hydrochemical evolution; water rock interaction and controlling factors; Taoyuan Coal Mine in Huaibei

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P641

A

1001-1986(2021)01-0232-09

2020-11-09；

2021-01-12

國家自然科學(xué)基金項目(41773100)；宿州學(xué)院校級重點科研項目(2020yzd07)；校級教研項目(szxy2017jy10)

郭艷，1985年生，女，安徽宿州人，博士研究生，實驗師，從事地質(zhì)類專業(yè)教學(xué)和煤礦水害防治及地?zé)岱较虻难芯抗ぷ? E-mail：guoyan@ahszu.edu.cn

桂和榮，1963年生，男，安徽舒城人，博士，教授，從事煤礦水害防治方向的教學(xué)與研究工作. E-mail：guiherong@ahszu.edu.cn

郭艷，桂和榮，魏久傳，等. 注漿工程擾動下煤系砂巖含水層水巖作用機理——以桃園煤礦為例[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(1)：232–240. doi：10.3969/j.issn.1001-1986.2021.01.025

GUO Yan，GUI Herong，WEI Jiuchuan，et al. Mechanism of water rock interaction in coal measure sandstone aquifer disturbed by grouting engineering: A case study of Taoyuan Coal Mine[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(1)：232–240. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.01.025

(責(zé)任編輯 周建軍)